CN113895616A - 双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机。包括扑翼、机身顶板、第一减速器、步进电机、连接件、第二减速器、驱动电机、传动机构、机身底板、第三减速器、电动机和滑道，机身顶板四周对称的安装固定有四个竖直方向的滑道，两个扑翼可在滑道上滑动，同时两个扑翼分别连接在两个连接件上且可相对转动，扑翼包括扑翼框架，以及安装在扑翼框架上的卷帘，扑翼框架内还设置有同步带轮以及驱动电机，用于扑翼工作状态与复位状态的切换，传动机构连接在两个连接件上，设置在机身底板上的电动机通过第三减速器减速后带动传动机构运动使两个连接件同步上下滑动，分别设置在两个连接件上的两个步进电机通过两个第一减速器减速后分别带动两个扑翼转动。

Description

双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机

技术领域

本发明涉及可动翼飞行器和飞行机器人领域，特别是一种双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机。

背景技术

飞行器飞行方式有固定翼、旋翼和扑翼三种飞行类型，其中扑翼飞行是自然界飞行生物采用的飞行方式，主要利用双翅的上下扑动同时产生升力和推力，其主要特点是将举升、悬停和推进功能基于一体，同时具有很强的机动性和灵活性，更适合于执行绕过障碍物等的飞行。对于小尺寸和低速飞行状态的飞行器，属于低雷诺数下飞行，扑翼产生的非定常升力比固定翼的定常升力大得多；从推力方面来看，扑翼推进效率比螺旋桨推进效率高。

目前扑翼飞行器研究主要集中在模拟大自然中飞行生物的飞行姿态设计各种扑翼机构。扑翼驱动机构划可以分为多自由度扑翼驱动机构与单自由度扑翼驱动机构，前者能实现复杂的运动形式，但机构相对庞大复杂，后者驱动机构只需要实现拍打运动，通过固定机翼的后缘形成一个随机翼拍打而变化的迎角来实现扭转运动。

但这些扑翼机构的共同问题是总体气动效率偏低，甚至低于同尺度的固定翼微型飞行器。扑翼飞行器总体效率低下的主要原因是目前研究中大多是简单的仿造鸟类或昆虫翅膀的外形和扑动运动，却很难实现飞行生物扑翼上下扑动过程中利用翼翅自身姿态和结构的改变减小空气阻力并产生非定常气动力，由此产生的气动效率较低问题严重制约了扑翼式飞行器的普及应用。同时，目前的扑翼飞行器大多无法实现垂直起降和空中悬停，灵活性和机动性还不够好。

发明内容

本发明的目的是提供一种非常显著的减小扑翼型和旋翼型飞行器飞行阻力大、提升气动效率、方便实现垂直起降、空中悬停、前进后退、转弯等功能的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，以解决现有技术中存在的上述问题。

实现本发明目的的技术解决方案是：

提供一种双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，包括扑翼、机身顶板、第一减速器、步进电机、连接件、第二减速器、驱动电机、传动机构、第三减速器、电动机、机身底板和滑道，所述机身顶板四周对称的安装固定有四个竖直方向的所述滑道，两个所述连接件分别固定连接在推杆上，两个所述扑翼分别连接在两个所述连接件上且可相对转动，所述扑翼包括扑翼框架，以及安装在扑翼框架上的卷帘，所述扑翼框架还设置有驱动电机和第二减速器，所述驱动电机通过所述第二减速器减速后控制所述卷帘的展开与收缩，所述传动机构连接在两个所述连接件上，设置在所述机身底板的所述电动机通过设置在所述机身底板上的所述第三减速器减速后带动所述传动机构运动使两个连接件同步上下滑动，分别设置在两个所述连接件上的两个所述步进电机分别通过设置在两个所述连接件上的两个第一减速器减速后分别带动两个所述扑翼转动。

进一步的是，所述扑翼框架上设置有空心卷帘安装梁、实心卷帘安装梁、框架支撑杆、电机安装框架和扑翼转轴，所述卷帘上有卷帘迎风面、卷帘背风面、卷帘通孔，所述连接件设置有扑翼转轴孔和固定安装孔，所述扑翼转轴孔的轴线与所述固定安装孔的轴线垂直，所述扑翼转轴插装在所述扑翼转轴孔内且可转动；所述同步带轮安装在所述空心卷帘安装梁和实心卷帘安装梁上，所述驱动电机安装在所述电机安装框架处。

进一步的是，所述传动机构包括推杆、滚轮、圆柱凸轮和传动轴，所述圆柱凸轮设置有圆柱凸轮转孔和凸轮圆柱面，所述凸轮圆柱面与所述传动轴同轴，所述凸轮圆柱面上设置有绕所述凸轮圆柱面一周的连通的凸轮曲线槽，所述推杆上设置有所述滑道孔，推杆支架和推杆轴孔，竖直方向所述推杆轴孔与所述滚轮通过连接杆经滚轮安装轴连接，所述滚轮的圆柱面通过所述滚轮安装轴与所述凸轮曲线槽的两个侧面相切且可滑动，所述滑道插装在所述滑道孔内且可滑动，两个所述连接件通过所述固定安装孔设置在所述推杆支架上，所述传动轴连接所述圆柱凸轮转孔和所述第三减速器。

进一步的是，所述凸轮曲线槽的两个侧面均为螺旋曲面。

进一步的是，所述扑翼转轴安装在所述第一减速器的输出轴上，所述步进电机的输出轴安装在所述第一减速器的输入孔内。

进一步的是，所述电动机的输出轴安装在所述第三减速器输入孔内。

进一步的是，所述驱动电机的输出轴安装在所述第二减速器输入孔内。

进一步的是，所述空心卷帘安装梁、所述实心卷帘安装梁以及所述框架支撑杆均为空心结构；所述空心卷帘安装梁、所述实心卷帘安装梁以及所述框架支撑杆为工程塑料材质或碳素纤维材质。

进一步的是，每个所述扑翼框架内安装所述同步带轮数量为4个，安装所述同步带数量为2个。

一种双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于包括扑翼、机身顶板、第一减速器、步进电机、连接件、第二减速器、驱动电机、传动机构、第三减速器、电动机、机身底板和滑道，机身顶板四周对称的安装固定有四个竖直方向的滑道，两个连接件分别固定连接在推杆上，两个扑翼分别连接在两个连接件上且可相对转动，扑翼包括扑翼框架，以及安装在扑翼框架上的卷帘，扑翼框架还设置有驱动电机和第二减速器，驱动电机通过第二减速器减速后控制卷帘的展开与收缩，传动机构连接在两个连接件上，设置在机身底板的电动机通过设置在机身底板上的第三减速器减速后带动传动机构运动使两个连接件同步上下滑动，分别设置在两个连接件上的两个步进电机分别通过设置在两个连接件上的两个第一减速器减速后分别带动两个扑翼转动，扑翼框架上设置有空心卷帘安装梁、实心卷帘安装梁、框架支撑杆、电机安装框架和扑翼转轴，卷帘上有卷帘迎风面、卷帘背风面、卷帘通孔，连接件设置有扑翼转轴孔和固定安装孔，扑翼转轴孔的轴线与固定安装孔的轴线垂直，扑翼转轴插装在扑翼转轴孔内且可转动；同步带轮安装在空心卷帘安装梁和实心卷帘安装梁上，驱动电机安装在电机安装框架处，传动机构包括推杆、滚轮、圆柱凸轮和传动轴，圆柱凸轮设置有圆柱凸轮转孔和凸轮圆柱面，凸轮圆柱面与传动轴同轴，凸轮圆柱面上设置有绕凸轮圆柱面一周的连通的凸轮曲线槽，推杆上设置有滑道孔，推杆支架和推杆轴孔，竖直方向推杆轴孔与滚轮通过连接杆经滚轮安装轴连接，滚轮的圆柱面通过滚轮安装轴与凸轮曲线槽的两个侧面相切且可滑动，滑道插装在滑道孔内且可滑动，两个连接件通过固定安装孔设置在推杆支架上，传动轴连接圆柱凸轮转孔和第三减速器，凸轮曲线槽的两个侧面均为螺旋曲面，扑翼转轴安装在第一减速器的输出轴上，步进电机的输出轴安装在第一减速器的输入孔内，电动机的输出轴安装在第三减速器输入孔内，驱动电机的输出轴安装在第二减速器输入孔内，空心卷帘安装梁、实心卷帘安装梁以及框架支撑杆均为空心结构；空心卷帘安装梁、实心卷帘安装梁以及框架支撑杆为工程塑料材质或碳素纤维材质。

本发明的工作原理是：当电动机启动后，经过第三减速器减速后带动圆柱凸轮和传动轴连续转动，凸轮曲面槽带动插装在其中的滚轮作同步往复运动，在圆柱凸轮和滚轮共同作用下，推杆带动连接件和两个扑翼框架作往复同步平动，当扑翼框架作靠近传动轴的平动时为扑翼工作状态，此时卷帘在驱动电机的控制下，经过第二减速器减速后同步带轮开始运动，驱动同步带工作，使得卷帘随着同步带轮的正反转进行展开与收缩，此时卷帘迎风面正对气流，卷帘通孔处的卷帘缠绕在空心卷帘安装梁上，而卷帘迎风面与气流运动方向垂直，气流直接作用在卷帘迎风面上获得最大的推动力，同时，通过步进电机经过第一减速器减速后带动扑翼框架转动，改变扑翼的倾角，气流作用在卷帘迎风面上的正压力可分解为升力和推力，扑翼倾角的改变可以调节升力和推力的大小；当扑翼框架远离传动轴运动时为复位状态，此时卷帘通孔运动到正对气流处，气流直接从卷帘通孔处流出，因此卷帘在复位过程中所受的空气阻力最小，在往返平动过程中能量利用效率高；复位行程结束时，气流作用力降低，在驱动电机的作用下，同步带轮反转运动，驱动卷帘转动到工作状态。当两个步进电机调节两个扑翼的翼面为水平状态时，即可实现垂直起降功能，若两个扑翼产生的气动力与整机重量和阻力相等时，则可实现空中悬停，通过步进电机和电动机调整两侧扑翼的扑翼倾角和往返运动频率一致，则可实现前进和后退功能；若两侧扑翼的扑翼倾角不一致时，则可实现转弯功能。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1.本发明所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，将扑翼设置为直线平动，并设计由驱动电机控制的卷帘，使卷帘工作状态时以最大面积迎风运动获得最大气动力，而复位状态时在驱动电机控制下，卷帘运行到卷帘通孔处使卷帘通孔正对气流，气流从卷帘通孔处直接流出从而阻力大大降低，达到提高扑翼飞行气动效率的目的。

2.本发明所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，直动式扑翼中的卷帘在工作状态与复位状态之间的切换是在驱动电机控制下，同步带带动卷帘完成，控制精度高且可靠性较好。

3.本发明所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，通过一个电动机同步控制四个扑翼的上下往返直动，两侧扑翼同步、动作一致性好、且控制系统较简单，通过步进电机独立控制每一个扑翼倾角，从而实现垂直起降、空中悬停、前进后退、转弯等功能，因此该类型扑翼无人机的机动性较好。

4.本发明所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，结构简单，加工工艺性好，生产成本低，可广泛应用于低雷诺数飞行的各类小型飞行器和无人机中。

附图说明

图1是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的整体结构示意图。

图2是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机只安装一个扑翼在工作状态详细结构示意图。

图3是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机只安装一个扑翼在复位状态详细结构示意图。

图4是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机工作状态剖视图。

图5是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机复位状态剖视图。

图6是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的扑翼框架的结构示意图。

图7是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的卷帘的结构示意图。

图8是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的连接件的结构示意图。

图9是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的推杆的结构示意图。

图10是本发明的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的凸轮的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10，采用双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的高压电线巡检无人机。包括扑翼、机身顶板4、第一减速器5、步进电机6、连接件7、第二减速器8、驱动电机9、传动机构、第三减速器15、电动机16、机身底板17和滑道18，机身顶板4四周对称的安装固定有四个竖直方向的滑道18，两个连接件7分别固定连接在推杆10上，两个扑翼分别连接在两个连接件7上且可相对转动，扑翼包括扑翼框架1，以及安装在扑翼框架1上的卷帘2，扑翼框架1还设置有驱动电机9和第二减速器8，驱动电机9通过第二减速器8减速后控制卷帘2的展开与收缩，传动机构连接在两个连接件7上，设置在机身底板17的电动机16通过设置在机身底板17上的第三减速器15减速后带动传动机构运动使两个连接件7同步上下滑动，分别设置在两个连接件7上的两个步进电机6分别通过设置在两个连接件7上的两个第一减速器5减速后分别带动两个扑翼转动；扑翼框架1上设置有空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102、框架支撑杆103、电机安装框架104和扑翼转轴105，卷帘2上有卷帘迎风面201、卷帘背风面202、卷帘通孔203，连接件7设置有扑翼转轴孔701和固定安装孔702，扑翼转轴孔701的轴线与固定安装孔702的轴线垂直，扑翼转轴105插装在扑翼转轴孔701内且可转动；同步带轮20安装在空心卷帘安装梁101和实心卷帘安装梁102上，驱动电机9安装在电机安装框架104处,传动机构包括推杆10、滚轮13、圆柱凸轮14和传动轴21，圆柱凸轮14设置有圆柱凸轮转孔1401和凸轮圆柱面1402，凸轮圆柱面1402与传动轴21同轴，凸轮圆柱面1402上设置有绕凸轮圆柱面1402一周的连通的凸轮曲线槽1403，推杆10上设置有滑道孔1001，推杆支架1002和推杆轴孔1003，竖直方向推杆轴孔1003与滚轮13通过连接杆12经滚轮安装轴19连接，滚轮13的圆柱面通过滚轮安装轴19与凸轮曲线槽1403的两个侧面相切且可滑动，滑道18插装在滑道孔1001内且可滑动，两个连接件7通过固定安装孔702设置在推杆支架1002上，传动轴21连接圆柱凸轮转孔1401和第三减速器15,凸轮曲线槽1403的两个侧面均为螺旋曲面,扑翼转轴105安装在第一减速器5的输出轴上，步进电机6的输出轴安装在第一减速器5的输入孔内,电动机16的输出轴安装在第三减速器15输入孔内,驱动电机9的输出轴安装在第二减速器8输入孔内,空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102以及框架支撑杆103均为空心结构；空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102以及框架支撑杆103为工程塑料材质或碳素纤维材质。高压电线巡检无人机采用本发明双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机后，由于扑翼阻力小、气动效率高，能完成各项检测和拍照工作，相对于旋翼无人机，在搭载摄影设备等相同的工作载荷后，一次飞行时间增加20％，实现了较长航时工作。

实施例2：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10，采用双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机的高层灭火专用无人机。包括扑翼、机身顶板4、第一减速器5、步进电机6、连接件7、第二减速器8、驱动电机9、传动机构、第三减速器15、电动机16、机身底板17和滑道18，机身顶板4四周对称的安装固定有四个竖直方向的滑道18，两个连接件7分别固定连接在推杆10上，两个扑翼分别连接在两个连接件7上且可相对转动，扑翼包括扑翼框架1，以及安装在扑翼框架1上的卷帘2，扑翼框架1还设置有驱动电机9和第二减速器8，驱动电机9通过第二减速器8减速后控制卷帘2的展开与收缩，传动机构连接在两个连接件7上，设置在机身底板17的电动机16通过设置在机身底板17上的第三减速器15减速后带动传动机构运动使两个连接件7同步上下滑动，分别设置在两个连接件7上的两个步进电机6分别通过设置在两个连接件7上的两个第一减速器5减速后分别带动两个扑翼转动；扑翼框架1上设置有空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102、框架支撑杆103、电机安装框架104和扑翼转轴105，卷帘2上有卷帘迎风面201、卷帘背风面202、卷帘通孔203，连接件7设置有扑翼转轴孔701和固定安装孔702，扑翼转轴孔701的轴线与固定安装孔702的轴线垂直，扑翼转轴105插装在扑翼转轴孔701内且可转动；同步带轮20安装在空心卷帘安装梁101和实心卷帘安装梁102上，驱动电机9安装在电机安装框架104处,传动机构包括推杆10、滚轮13、圆柱凸轮14和传动轴21，圆柱凸轮14设置有圆柱凸轮转孔1401和凸轮圆柱面1402，凸轮圆柱面1402与传动轴21同轴，凸轮圆柱面1402上设置有绕凸轮圆柱面1402一周的连通的凸轮曲线槽1403，推杆10上设置有滑道孔1001，推杆支架1002和推杆轴孔1003，竖直方向推杆轴孔1003与滚轮13通过连接杆12经滚轮安装轴19连接，滚轮13的圆柱面通过滚轮安装轴19与凸轮曲线槽1403的两个侧面相切且可滑动，滑道18插装在滑道孔1001内且可滑动，两个连接件7通过固定安装孔702设置在推杆支架1002上，传动轴21连接圆柱凸轮转孔1401和第三减速器15,凸轮曲线槽1403的两个侧面均为螺旋曲面,扑翼转轴105安装在第一减速器5的输出轴上，步进电机6的输出轴安装在第一减速器5的输入孔内,电动机16的输出轴安装在第三减速器15输入孔内,驱动电机9的输出轴安装在第二减速器8输入孔内,空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102以及框架支撑杆103均为空心结构；空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102以及框架支撑杆103为工程塑料材质或碳素纤维材质。高层灭火专用无人机采用本发明双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机后，由于扑翼工作行程推力大、阻力小、气动效率高，因此有较强的机动性，能快速响应高层的紧急情况，快速飞行到高层失火点进行灭火。

Claims (8)

1.双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于包括扑翼、机身顶板(4)、第一减速器(5)、步进电机(6)、连接件(7)、第二减速器(8)、驱动电机(9)、传动机构、第三减速器(15)、电动机(16)、机身底板(17)和滑道(18)，所述机身顶板(4)四周对称的安装固定有四个竖直方向的所述滑道(18)，两个所述连接件(7)分别固定连接在推杆(10)上，两个所述扑翼分别连接在两个所述连接件(7)上且可相对转动，所述扑翼包括扑翼框架(1)，以及安装在扑翼框架(1)上的卷帘(2)，所述扑翼框架(1)还设置有驱动电机(9)和第二减速器(8)，所述驱动电机(9)通过所述第二减速器(8)减速后控制所述卷帘(2)的展开与收缩，所述传动机构连接在两个所述连接件(7)上，设置在所述机身底板(17)的所述电动机(16)通过设置在所述机身底板(17)上的所述第三减速器(15)减速后带动所述传动机构运动使两个连接件(7)同步上下滑动，分别设置在两个所述连接件(7)上的两个所述步进电机(6)分别通过设置在两个所述连接件(7)上的两个第一减速器(5)减速后分别带动两个所述扑翼转动；

所述扑翼框架(1)上设置有空心卷帘安装梁(101)、实心卷帘安装梁(102)、框架支撑杆(103)、电机安装框架(104)和扑翼转轴(105)，所述卷帘(2)上有卷帘迎风面(201)、卷帘背风面(202)、卷帘通孔(203)，所述连接件(7)设置有扑翼转轴孔(701)和固定安装孔(702)，所述扑翼转轴孔(701)的轴线与所述固定安装孔(702)的轴线垂直，所述扑翼转轴(105)插装在所述扑翼转轴孔(701)内且可转动；所述同步带轮(20)安装在所述空心卷帘安装梁(101)和实心卷帘安装梁(102)上，所述驱动电机(9)安装在所述电机安装框架(104)处。

2.根据权利要求1所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于：所述传动机构包括推杆(10)、滚轮(13)、圆柱凸轮(14)和传动轴(21)，所述圆柱凸轮(14)设置有圆柱凸轮转孔(1401)和凸轮圆柱面(1402)，所述凸轮圆柱面(1402)与所述传动轴(21)同轴，所述凸轮圆柱面(1402)上设置有绕所述凸轮圆柱面(1402)一周的连通的凸轮曲线槽(1403)，所述推杆(10)上设置有所述滑道孔(1001)，推杆支架(1002)和推杆轴孔(1003)，竖直方向所述推杆轴孔(1003)与所述滚轮(13)通过连接杆(12)经滚轮安装轴(19)连接，所述滚轮(13)的圆柱面通过所述滚轮安装轴(19)与所述凸轮曲线槽(1403)的两个侧面相切且可滑动，所述滑道(18)插装在所述滑道孔(1001)内且可滑动，两个所述连接件(7)通过所述固定安装孔(702)设置在所述推杆支架(1002)上，所述传动轴(21)连接所述圆柱凸轮转孔(1401)和所述第三减速器(15)。

3.根据权利要求2所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于：所述凸轮曲线槽(1403)的两个侧面均为螺旋曲面。

4.根据权利要求1所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于：所述扑翼转轴(105)安装在所述第一减速器(5)的输出轴上，所述步进电机(6)的输出轴安装在所述第一减速器(5)的输入孔内。

5.根据权利要求1或2所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于：所述电动机(16)的输出轴安装在所述第三减速器(15)输入孔内。

6.根据权利要求1所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于：所述驱动电机(9)的输出轴安装在所述第二减速器(8)输入孔内。

7.根据权利要求1所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于：所述空心卷帘安装梁(101)、所述实心卷帘安装梁(102)以及所述框架支撑杆(103)均为空心结构；

所述空心卷帘安装梁(101)、所述实心卷帘安装梁(102)以及所述框架支撑杆(103)为工程塑料材质或碳素纤维材质。

8.根据权利要求1所述的双同步直动带传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于：每个所述扑翼框架(1)内安装所述同步带轮(6)数量为4个，安装所述同步带(3)数量为2个。

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