CN113911351A - 自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置 - Google Patents

自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，包括旋转帘翼和旋转轴，旋转帘翼固定连接在旋转轴上，旋转帘翼包括旋转框架，以及安装在旋转框架内的帘翼，帘翼包括帘翼框架，以及安装在帘翼框架上的软质帘，帘翼框架内还设置有卷簧以及驱动电机，用于控制软质帘的展开和收缩。本发明吸收了扑翼飞行和旋翼飞行的优点，又克服了两者的缺点，能解决目前小型和微型飞行器中存在的气动效率较低的瓶颈问题，具有待机行程阻力小、工作行程推力大且稳定、气动效率高、装置结构较简单、制造方便的特点，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。

Description

自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置
技术领域
本发明涉及可动翼飞行器和飞行机器人领域，特别是一种自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置。
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。
发明内容
本发明的目的是提供一种非常显著的减小飞行器飞行阻力大、提升气动效率、同时提供升力和推力、不同于旋翼飞行和扑翼飞行的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，以解决现有扑翼和旋翼技术中存在的上述问题。
本发明公开了一种自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其特征在于包括旋转帘翼和旋转轴，所述旋转帘翼固定连接在所述旋转轴上；所述旋转帘翼包括旋转框架以及安装在所述旋转框架内的帘翼，所述帘翼包括帘翼框架，以及套装在帘翼框架上的软质帘，所述帘翼框架内还设置有卷簧以及驱动电机，用于控制所述软质帘的展开和收缩。
进一步的是，所述旋转框架设置有中心孔、直梁和帘翼安装板，所述直梁的方向与所述中心孔的轴线平行，所述直梁上开有帘翼安装孔，所述帘翼安装孔的轴线与所述中心孔的轴线正交，所述帘翼安装板上开有帘翼固定孔，所述帘翼固定孔的轴线与所述中心孔的轴线正交；所述帘翼插装在所述帘翼安装孔内；所述旋转轴连接所述中心孔和设置在飞行器上的第二减速器。
进一步的是，所述帘翼框架上有第一卷簧安装孔、第二卷簧安装孔、导轨、帘翼安装梁、电机安装孔、转轮轴、帘翼固定轴、第一安装板、第二安装板和连接横梁，所述软质帘上有软质帘迎风面、软质帘背风面，所述导轨安装在所述第一安装板与所述第二安装板上，所述转轮轴插装在所述第一安装板与所述第二安装板内，所述连接横梁插装在所述第一安装板与所述第二安装板内，所述帘翼安装梁插装在所述导轨内且可滑动，所述驱动电机安装在所述电机安装孔上，所述卷簧安装在所述第一卷簧安装孔和所述第二卷簧安装孔上。
进一步的是，还包括设置在所述飞行器上的电动机，所述电动机的输出轴安装在所述第二减速器输入孔内。
进一步的是，所述帘翼还设置有第一减速器，所述转轮轴安装在所述第一减速器的输出轴上，所述驱动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，所述旋转框架上还包括用于加强所述旋转框架的强度的外加强曲梁和内加强曲梁中的至少一种。
进一步的是，所述直梁、所述外加强曲梁和所述内加强曲梁均为空心结构；
和/或，
所述直梁、所述外加强曲梁和所述内加强曲梁为工程塑料材质；
和/或，
所述直梁、所述外加强曲梁和所述内加强曲梁为碳素纤维材质。
进一步的是，所述直梁在所述中心孔周向均匀分布，所述直梁的数量大于1个；所述帘翼安装孔在所述直梁上直线均匀分布，每个所述直梁上的所述帘翼安装孔的数量大于1个；每个帘翼框架内的卷簧的数量为2个。
实现本发明目的的技术解决方案是提供一种自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其包括旋转帘翼和旋转轴，旋转帘翼固定连接在旋转轴上；旋转帘翼包括旋转框架以及安装在旋转框架内的帘翼，帘翼包括帘翼框架，以及套装在帘翼框架上的软质帘，帘翼框架内还设置有卷簧以及驱动电机，用于控制软质帘的展开和收缩，旋转框架设置有中心孔、直梁和帘翼安装板，直梁的方向与中心孔的轴线平行，直梁上开有帘翼安装孔，帘翼安装孔的轴线与中心孔的轴线正交，帘翼安装板上开有帘翼固定孔，帘翼固定孔的轴线与中心孔的轴线正交；帘翼插装在帘翼安装孔内；旋转轴连接中心孔和设置在飞行器上的第二减速器，帘翼框架上有第一卷簧安装孔、第二卷簧安装孔、导轨、帘翼安装梁、电机安装孔、转轮轴、帘翼固定轴、第一安装板、第二安装板和连接横梁，软质帘上有软质帘迎风面、软质帘背风面，导轨安装在第一安装板与第二安装板上，转轮轴插装在第一安装板与第二安装板内，连接横梁插装在第一安装板与第二安装板内，帘翼安装梁插装在导轨内且可滑动，驱动电机安装在电机安装孔上，卷簧安装在第一卷簧安装孔和第二卷簧安装孔上，还包括设置在飞行器上的电动机，电动机的输出轴安装在第二减速器输入孔内，帘翼还设置有第一减速器，转轮轴安装在第一减速器的输出轴上，驱动电机的输出轴安装在第一减速器的输入孔内，旋转框架上还包括用于加强旋转框架的强度的外加强曲梁和内加强曲梁中的至少一种，直梁、外加强曲梁和内加强曲梁均为空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。
使用时，将本申请中的减速器和电动机都安装固定在飞行器或无人机上。
本发明的工作原理是：当电动机启动正向旋转时，经过减速器减速后带动旋转轴连续转动，而驱动电机控制帘翼的工作与复位状态，每当一对帘翼由竖直位置转动到水平位置时，驱动电机停止工作，使卷簧将软质帘拉伸到最大面积，此时帘翼与气流方向垂直，气流直接作用在帘翼正面上使软质帘获得最大的气体推动力，气流作用在软质帘迎风面上的正压力可分解为升力和推力，此时为工作状态，而当帘翼从水平方向转动到竖直方向时，驱动电机开始工作，驱动转轮轴转动，使软质帘收缩，气流直接从帘翼框架内流出，回到复位状态；当电机反向旋转时，旋转帘翼装置产生的气体反推动力与电动机正向旋转时反向。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1.本发明所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，通过将旋转帘翼中的帘翼设置为连续旋转，保持了旋翼连续旋转的优点，克服了扑翼需要往复运动的弱点。
2.本发明所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，所述软质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，卷簧带动完成，结构简单、控制精度高且可靠性好。
3.本发明所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，通过电机控制连续旋转的帘翼相对于中心旋转轴转动，使帘翼在工作状态时以最大面积迎风运动获得最大气动力，，并且帘翼在工作状态时迎风面积可变，因此驱动能量可调；而在复位状态时，气流直接从帘翼框架内流出从而阻力大大降低，达到提高气动效率的目的，其气动效率远高于现有旋翼和扑翼飞行器。
4.本发明所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，通过电机和减速器直接带动帘翼连续旋转，帘翼工作状态气流直接作用在其表面上的正压力可同时产生升力和推力，通过电机正反旋转达到控制旋转帘翼产生正向推力和反向推力的目的。
5.本发明所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，结构简单，加工工艺性好，生产成本低，并且装置在无人机上进行简单改造就可使用，安装简单。
附图说明
图1是本发明的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的整体结构示意图。
图2是本发明的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的详细结构示意图。
图3是本发明的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的复位状态详细结构示意图。
图4是本发明的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的工作状态详细结构示意图。
图5是本发明的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的旋转框架的结构示意图。
图6是本发明的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的帘翼框架的结构示意图。
图7是本发明的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的软质帘的结构示意图。
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和图7，采用自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的高压电线巡检无人机。包括旋转帘翼和旋转轴8，旋转帘翼固定连接在旋转轴8上；旋转帘翼包括旋转框架9以及安装在旋转框架9内的帘翼，帘翼包括帘翼框架1，以及套装在帘翼框架1上的软质帘2，帘翼框架1内还设置有卷簧3以及驱动电机5，用于控制软质帘2的展开和收缩；旋转框架9设置有中心孔901、直梁902和帘翼安装板904，直梁902的方向与中心孔901的轴线平行，直梁902上开有帘翼安装孔903，帘翼安装孔903的轴线与中心孔901的轴线正交，帘翼安装板904上开有帘翼固定孔905，帘翼固定孔905的轴线与中心孔901的轴线正交；帘翼插装在帘翼安装孔903内；旋转轴8连接中心孔901和设置在飞行器上的第二减速器6，帘翼框架1上有第一卷簧安装孔101、第二卷簧安装孔102、导轨103、帘翼安装梁104、电机安装孔105、转轮轴106、帘翼固定轴107、第一安装板108、第二安装板109和连接横梁110，软质帘2上有软质帘迎风面201、软质帘背风面202，导轨103安装在第一安装板108与第二安装板109上，转轮轴106插装在第一安装板108与第二安装板109内，连接横梁110插装在第一安装板108与第二安装板109内，帘翼安装梁104插装在导轨103内且可滑动，驱动电机5安装在电机安装孔105上，卷簧3安装在第一卷簧安装孔101和第二卷簧安装孔102上，还包括设置在飞行器上的电动机7，电动机7的输出轴安装在第二减速器6输入孔内，帘翼还设置有第一减速器4，转轮轴106安装在第一减速器4的输出轴上，驱动电机5的输出轴安装在第一减速器4的输入孔内，旋转框架9上还包括用于加强旋转框架9的强度的外加强曲梁906和内加强曲梁907中的至少一种，直梁902、外加强曲梁906和内加强曲梁907均为空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等材料。高压电线巡检无人机采用本发明自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置后，由于旋转帘翼阻力小、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和图7，采用自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置的高层建筑灭火专用无人机。包括旋转帘翼和旋转轴8，旋转帘翼固定连接在旋转轴8上；旋转帘翼包括旋转框架9以及安装在旋转框架9内的帘翼，帘翼包括帘翼框架1，以及套装在帘翼框架1上的软质帘2，帘翼框架1内还设置有卷簧3以及驱动电机5，用于控制软质帘2的展开和收缩；旋转框架9设置有中心孔901、直梁902和帘翼安装板904，直梁902的方向与中心孔901的轴线平行，直梁902上开有帘翼安装孔903，帘翼安装孔903的轴线与中心孔901的轴线正交，帘翼安装板904上开有帘翼固定孔905，帘翼固定孔905的轴线与中心孔901的轴线正交；帘翼插装在帘翼安装孔903内；旋转轴8连接中心孔901和设置在飞行器上的第二减速器6，帘翼框架1上有第一卷簧安装孔101、第二卷簧安装孔102、导轨103、帘翼安装梁104、电机安装孔105、转轮轴106、帘翼固定轴107、第一安装板108、第二安装板109和连接横梁110，软质帘2上有软质帘迎风面201、软质帘背风面202，导轨103安装在第一安装板108与第二安装板109上，转轮轴106插装在第一安装板108与第二安装板109内，连接横梁110插装在第一安装板108与第二安装板109内，帘翼安装梁104插装在导轨103内且可滑动，驱动电机5安装在电机安装孔105上，卷簧3安装在第一卷簧安装孔101和第二卷簧安装孔102上，还包括设置在飞行器上的电动机7，电动机7的输出轴安装在第二减速器6输入孔内，帘翼还设置有第一减速器4，转轮轴106安装在第一减速器4的输出轴上，驱动电机5的输出轴安装在第一减速器4的输入孔内，旋转框架9上还包括用于加强旋转框架9的强度的外加强曲梁906和内加强曲梁907中的至少一种，直梁902、外加强曲梁906和内加强曲梁907均为空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等材料。高层建筑灭火专用无人机采用本发明自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置后，由于旋转帘翼工作行程推力大、旋翼阻力小、气动效率高，因此有较强的机动性，能快速响应高层建筑的紧急情况，快速飞行到高层建筑失火点进行灭火。

Claims (6)

1.一种自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其特征在于包括旋转帘翼和旋转轴(8)，所述旋转帘翼固定连接在所述旋转轴(8)上，所述旋转帘翼包括旋转框架(9)以及安装在所述旋转框架(9)内的帘翼，所述帘翼包括帘翼框架(1)，以及套装在帘翼框架(1)上的软质帘(2)，所述帘翼框架(1)内还设置有卷簧(3)和驱动电机(5)，用于控制所述软质帘(2)的展开和收缩；
所述旋转框架(9)设置有中心孔(901)、直梁(902)和帘翼安装板(904)，所述直梁(902)的方向与所述中心孔(901)的轴线平行，所述直梁(902)上开有帘翼安装孔(903)，所述帘翼安装孔(903)的轴线与所述中心孔(901)的轴线正交，所述帘翼安装板(904)上开有帘翼固定孔(905)，所述帘翼固定孔(905)的轴线与所述中心孔(901)的轴线正交；所述帘翼插装在所述帘翼安装孔(903)内；所述旋转轴(8)连接所述中心孔(901)和设置在飞行器上的第二减速器(6)；
所述帘翼框架(1)上有第一卷簧安装孔(101)、第二卷簧安装孔(102)、导轨(103)、帘翼安装梁(104)、电机安装孔(105)、转轮轴(106)、帘翼固定轴(107)、第一安装板(108)、第二安装板(109)和连接横梁(110)，所述软质帘(2)上有软质帘迎风面(201)、软质帘背风面(202)，所述导轨(103)安装在所述第一安装板(108)与所述第二安装板(109)上，所述转轮轴(106)插装在所述第一安装板(108)与所述第二安装板(109)内，所述连接横梁(110)插装在所述第一安装板(108)与所述第二安装板(109)内，所述帘翼安装梁(104)插装在所述导轨(103)内且可滑动，所述驱动电机(5)安装在所述电机安装孔(105)上，所述卷簧(3)安装在所述第一卷簧安装孔(101)和所述第二卷簧安装孔(102)上。
2.根据权利要求1所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其特征在于：还包括设置在所述飞行器上的电动机(7)，所述电动机(7)的输出轴安装在所述第二减速器(6)输入孔内。
3.根据权利要求1所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其特征在于：所述帘翼还设置有第一减速器(4)，所述转轮轴(106)安装在所述第一减速器(4)的输出轴上，所述驱动电机(5)的输出轴安装在所述第一减速器(4)的输入孔内。
4.根据权利要求1所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其特征在于：所述旋转框架(9)上还包括用于加强所述旋转框架(9)的强度的外加强曲梁(906)和内加强曲梁(907)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其特征在于：所述直梁(902)、所述外加强曲梁(906)和所述内加强曲梁(907)均为空心结构；
或，所述直梁(902)、所述外加强曲梁(906)和所述内加强曲梁(907)为工程塑料材质；
或，所述直梁(902)、所述外加强曲梁(906)和所述内加强曲梁(907)为碳素纤维材质。
6.根据权利要求1所述的自动拉帘式驱动能量可调连续旋转翼装置，其特征在于：所述直梁(902)在所述中心孔(101)周向均匀分布，所述直梁(902)的数量大于1个；所述帘翼安装孔(903)在所述直梁(902)上直线均匀分布，每个所述直梁(902)上的所述帘翼安装孔(903)的数量大于1个；每个帘翼框架(1)内的卷簧(3)的数量为2个。
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