CN114148518B - 一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构及攻角调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构及攻角调节方法，包括机架、扑翼驱动机构、变阻尼扑翼变形机构、扑翼变形幅值调节机构、传感控制模块和相对应的攻角调节方法；变阻尼扑翼变形机构包括螺纹轴减速电机、翼膜、前缘杆、可调阻尼转轴、弹簧片和翅膀支撑杆；扑翼变形幅值调节机构包括本体一、本体二和紧定螺丝；传感控制模块包括角度传感器、无线通信单元和控制处理单元；本发明主被动变形扑翼机构解决了扑翼机构被动变形的幅值与速度不可调节的问题，有效改善了扑翼机器人的空气动力学性能，实现了飞行中扑翼攻角的自动调节，对于提高扑翼机器人的灵活性以及鸟类和昆虫空气动力学特性的研究都有着重要意义。

Description

一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构及攻角调节方法

技术领域

本发明涉及机械学、仿生学、机器人技术、扑翼机器人，具体为一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构及攻角调节方法。

背景技术

扑翼机器人相比于固定翼和旋翼机器人具有高效性、敏捷性和隐蔽性等优点，可执行大范围侦察探测、安全巡检和灾后搜救等任务，在军事和民用领域都有着良好的应用前景。扑翼机构是扑翼机器人最重要的部件之一，至今已经有很多主被动变形的结构被设计出来，这能更好的提升扑翼机器人的空气动力学性能，但它们中的大部分都是不能够调节的，这使得扑翼机器人的飞行姿态不容易被改变，限制这类扑翼机构的应用价值。如果能够自由调节扑翼机构变形速度及幅值，将会大大提高扑翼机构的实用性。

扑翼机器人的攻角是指扑翼机器人升力方向矢量与纵轴之间的夹角。这是一个非常重要的空气动力学参数，与扑翼机器人的升力和阻力有着密切联系。自然界许多鸟类和昆虫在飞行时通过改变攻角灵活的改变飞行姿态，且能够获得更好的空气动力学性能。

中国专利201710664907.1提出一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其设计了一种弹性扑翼机构，在飞行时能够发生被动的弯曲变形，能够在上扑过程中产生大攻角减小负升力，但其变形程度和变形速度都是不能自由调节的，也不能自动改变攻角的大小。因此，设计一种能够主动调节扑翼被动变形速度与幅值且攻角可自动调节的扑翼机构，对于扑翼机器人的应用以及对于鸟类及昆虫空气动力学性能的研究都有着重要意义。

发明内容

针对以上问题，克服扑翼机构被动变形的幅值与速度不可调节的问题，且能够在飞行中实现扑翼攻角的自动调节，设计一种刚柔耦合能够主动调节被动变形速度与幅值的主被动变形扑翼机构及相对应的攻角调节方法。

本发明一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构，由机架、扑翼驱动机构、变阻尼扑翼变形机构、幅值调节机构、传感控制装置、电源模块组成；

所述的机架包括主架、辅架、连接柱一、连接柱二、连接柱三、连接柱四、连接柱五、连接柱六和连接柱七、左主架摇杆连接件和右主架摇杆连接件，所述的主架用于安装机架的其它部件和其它机构、装置和模块，所述的辅架通过连接柱一、连接柱二、连接柱三、连接柱四、连接柱五、连接柱六和连接柱七安装在主架的右侧面上，所述的右主架摇杆连接件和左主架摇杆连接件左右对称固接在主架上前端左右两侧；

所述的扑翼驱动机构包括无刷电机、齿轮传动机构与左右对称的翅膀传动机构，所述齿轮机构由一级齿轮、二级齿轮、二级齿轮轴、二级附齿轮、三级齿轮与三级齿轮轴组成，所述的左翅膀机构由左曲柄、左球头一、左连杆、左球头二、左摇杆组成，所述的右翅膀机构由右曲柄、右球头一、右连杆、右球头二、右摇杆组成，所述的无刷电机安装在主架左侧，其输出轴穿到主架右侧，所述一级齿轮安装在无刷电机的输出轴上，所述二级齿轮轴一端安装在主架上并伸出到主架左侧外，另外一端安装在辅架上，且其轴线与无刷电输出轴平行，并绕其轴线转动，所述二级齿轮固接在二级齿轮轴上主架与辅架之间位置，且与一级齿轮啮合，所述的二级附齿轮固接在二级齿轮轴左侧伸出主架的部分上，所述的三级齿轮轴一端安装在主架上并伸出到主架左侧外，另外一端安装在辅架上并伸出辅架右侧面，三级齿轮轴的轴线与无刷电机输出轴平行，且绕其轴线转动，所述的三级齿轮固接在三级齿轮轴伸出主架左侧面的部分上，并与二级附齿轮啮合，左曲柄固接在三级齿轮轴上并和左连杆通过左球头一连接，左连杆和左摇杆通过左球头二连接，左摇杆一端铰接安装在左主架摇杆连接件上，右曲柄固接在三级齿轮轴上并和右连杆通过右球头一连接，右连杆和右摇杆通过右球头二连接，右摇杆一端铰接安装在右主架摇杆连接件上，所述的无刷电机经过一级齿轮、二级齿轮、二级附齿轮和三级齿轮的减速后驱动翅膀机构实现翅膀扑动，左曲柄、左连杆、左摇杆和主架组成一个曲柄摇杆机构，左曲柄的转动带动左摇杆摆动，从而驱动左侧翅膀的上下扑动，右翅膀机构与左翅膀机构的结构、连接和功能完全相同；

所述的变阻尼扑翼变形机构是左右完全对称的，所述左侧变阻尼扑翼变形机构包括左内侧可调阻尼转轴、左中间可调阻尼转轴、左外侧可调阻尼转轴、左螺纹轴减速电机、左弧形弹簧片、左直形弹簧片一、左直形弹簧片二、左前缘杆、左翅膀支撑杆一、左翅膀支撑杆二、左翅膀支撑杆三、左翅膀支撑杆四、左翅膀支撑杆五和左翼膜，所述左内侧可调阻尼转轴由左螺柱、左垫片一、左垫片二、左内侧可调阻尼转轴本体一和左内侧可调阻尼转轴本体二组成，所述左中间可调阻尼转轴由左螺母一、左垫片三、左垫片四、左中间可调阻尼转轴本体一和左中间可调阻尼转轴本体二组成，所述左外侧可调阻尼转轴由左螺母二、左垫片五、左垫片六、左外侧可调阻尼转轴本体一和左外侧可调阻尼转轴本体二组成，所述左螺纹轴减速电机通过螺丝固定在左摇杆上，左内侧可调阻尼转轴本体一固定在左摇杆上，左内侧可调阻尼转轴本体二安装在左内侧可调阻尼转轴本体一的圆柱孔内并伸出一部分轴且可在圆柱孔内自由转动，其轴线与左螺纹轴减速电机输出轴的轴线重合，左垫片一与左垫片二均安装在左内侧可调阻尼转轴本体二伸出轴上，左螺柱一端通过螺纹与左螺纹轴减速电机的螺纹轴相连，另一端通过螺纹与左内侧可调阻尼转轴本体二伸出轴相连，其下表面与左内侧可调阻尼转轴本体一的上表面贴合，保证其只能滑动而不能转动，左弧形弹簧片一端固接在左内侧可调阻尼转轴本体二上，另一端与左中间可调阻尼转轴本体一固接，左中间可调阻尼转轴本体二安装在左中间可调阻尼转轴本体一的圆柱孔内并伸出一部分轴且可在圆柱孔内自由转动，左垫片三、左垫片四均安装在左中间可调阻尼转轴本体二伸出轴上，左螺母一通过螺纹与左中间可调阻尼转轴本体二伸出轴相连，左直形弹簧片一一端固接在左中间可调阻尼转轴本体二上，另一端与左外侧可调阻尼转轴本体一固接，左外侧可调阻尼转轴本体二安装在左外侧可调阻尼转轴本体一的圆柱孔内并伸出一部分轴且在圆柱孔内自由转动，左垫片五、左垫片六均安装在左外侧可调阻尼转轴本体二伸出轴上，左螺母二通过螺纹与左外侧可调阻尼转轴本体二伸出轴相连，左直形弹簧片二一端固接在左外侧可调阻尼转轴本体二上，另一端与左前缘杆固接，左翅膀支撑杆一与左翅膀支撑杆二固接在左内侧可调阻尼转轴本体二的安装孔内，左翅膀支撑杆三固接在左中间可调阻尼转轴本体一的安装孔内，左翅膀支撑杆四固接在左中间可调阻尼转轴本体二的安装孔内，左翅膀支撑杆五固接在左外侧可调阻尼转轴本体二的安装孔内，左翼膜通过胶水与左前缘杆、左翅膀支撑杆一、左翅膀支撑杆二、左翅膀支撑杆三、左翅膀支撑杆四和左翅膀支撑杆五固接，所述右侧变阻尼扑翼变形机构包括右内侧可调阻尼转轴、右中间可调阻尼转轴、右外侧可调阻尼转轴、右螺纹轴减速电机、右弧形弹簧片、右直形弹簧片一、右直形弹簧片二、右前缘杆、右翅膀支撑杆一、右翅膀支撑杆二、右翅膀支撑杆三、右翅膀支撑杆四、右翅膀支撑杆五、和右翼膜，所述右侧变阻尼扑翼变形机构的具体结构和连接方式与左侧变阻尼扑翼变形机构完全相同。

作为本发明扑翼结构进一步改进，所述传感控制模块包括控制板、左角度传感器、右角度传感器，所述控制板固定在主架上，所述左角度传感器固定在左内侧可调阻尼转轴上，所述右角度传感器固定在右内侧可调阻尼转轴上。

作为本发明扑翼结构进一步改进，所述幅值调节机构包括左内侧幅值调节机构、左中间幅值调节机构、左外侧幅值调节机构、右内侧幅值调节机构、右中间幅值调节机构和右外侧幅值调节机构，其结构相同，左内侧幅值调节机构由左内侧幅值调节机构本体一、左内侧幅值调节机构本体二、紧定螺丝一、紧定螺丝二、紧定螺丝三和紧定螺丝四组成，左内侧幅值调节机构本体二固接在左内侧可调阻尼转轴本体一上，能够与左内侧可调阻尼转轴本体二发生相对转动，左内侧幅值调节机构本体一安装在左内侧幅值调节机构本体二上，能够与其发生相对转动，紧定螺丝一、紧定螺丝二、紧定螺丝三和紧定螺丝四安装在左内侧幅值调节机构本体一上的四个螺纹孔内，翅膀支撑杆一穿过左内侧幅值调节机构本体一和左内侧幅值调节机构本体二的槽。当所述紧定螺丝拧紧时，左内侧幅值调节机构本体一与左内侧幅值调节机构本体二不能发生相对转动，此时这两个槽就构成了一个新槽，翅膀支撑杆一的旋转范围就被限定在新槽的范围内，松开紧定螺丝，旋转左内侧幅值调节机构本体一之后再拧紧紧定螺丝，新槽的范围就会发生改变，从而翅膀支撑杆的旋转范围就会发生改变，进而达到调整扑翼变形幅值的效果。

本发明提供一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构攻角调节方法，具体步骤如下：

S1：在扑翼机器人的飞行过程中，扑翼在扑动时因受到空气阻力，翅膀支撑杆一、翅膀支撑杆二和翅膀支撑杆三会绕内侧可调阻尼转轴本体一安装孔的轴线发生旋转,此时攻角会随着扑翼的扑动发生连续性变化；

S2：上位机通过无线传感单元向扑翼机器人发送设定的攻角值；

S3：扑翼机器人通过角度传感器监测攻角的变化；

S4：判断当前扑翼机器人攻角是否到达设定值，如果是进入S5，如果否则返回S3；

S5：控制处理单元驱动螺纹轴减速电机旋转拧紧螺柱，此时内侧可调阻尼转轴转动的摩擦力远大于翅膀受到的空气阻力，攻角被固定至设定值；

当驱动螺纹轴减速电机松开螺柱时，扑翼会恢复变形功能，攻角又会随着扑翼的扑动发生连续性变化，左侧扑翼和右侧扑翼的攻角调节是完全独立的，可以将其攻角设为不同值。

有益效果：

(1)本发明所设计的扑翼机构具有以下特性：在扑翼飞行器的上扑过程中，被动变形扑翼的上方受到空气阻力的影响，带动全部可调阻尼转轴向下旋转，到达下极限位置时停止，翼面发生弹性形变；在下扑过程中，被动变形扑翼的下方受到空气阻力的影响，带动全部可调阻尼转轴向上旋转，到达上极限位置时停止，翼面发生弹性形变。

(2)本发明所设计的变形幅值调节装置能够自由调节扑翼机器人的上下极限位置。若将下极限位置设置为翼面在水平面下方有一个夹角，就会使扑翼机器人在上扑的过程中受空气载荷的有效面积减小，从而使向下的空气阻力减小，同时由于翼面与水平面倾斜，所以在上扑的过程中会使扑翼机器人受到一个向前的推力；若将上极限位置设置为水平，则在下扑的过程中扑翼机器人会保持原有的升力；若将上极限位置设置为翼面与水平面上方有一个夹角，就会将扑翼机器人受到的一部分升力转换为向后的推力。因此，本发明所设计机构可以提升扑翼的空气动力学性能并能够灵活的调整升阻力与推力之间的关系，极大的提高了扑翼的能源利用效率与飞行的灵活性。

(3)本发明所设计的变阻尼扑翼变形机构能够在飞行中自动调节扑翼变形时所受到的阻尼，从而能够调整可调阻尼转轴从上极限位置到下极限位置和从下极限位置到上极限位置的转换时间，进而能够控制扑翼变形的速度。该变阻尼机构能够提升扑翼机器人飞行的灵活性，并能够更精准模仿昆虫和鸟类飞行中翅膀的变形，具有研究价值。

(4)本发明所设计的攻角调节方法，具有在飞行中对扑翼攻角的控制功能，为扑翼机器人实现多种飞行姿态提供了可行性，通过与变阻尼机构的耦合式设计，能够有效的减轻扑翼机器人的自身重量，提高了变攻角扑翼机构的可行性。

(5)本发明所设计的变阻尼扑翼变形机构中的弧形弹簧片与直形弹簧片，能够使扑翼沿着扑动的方向发生柔性变形，减少上扑时扑翼的受力面积，从而降低受到的空气阻力，增大扑翼下扑时的受力面积，从而增大受到的升力，降低了扑动时消耗的能量。

附图说明

图1是本发明实施例的主被动变形扑翼机构系统组成示意图；

图2是本发明实施例的主被动变形扑翼机构整体结构示意图；

图3是本发明实施例的主被动变形扑翼机构机架结构示意图；

图4是本发明实施例的主被动变形扑翼机构扑翼驱动机构示意图1；

图5是本发明实施例的主被动变形扑翼机构扑翼驱动机构示意图2；

图6是本发明实施例的主被动变形扑翼机构变阻尼扑翼变形机构示意图1；

图7是本发明实施例的主被动变形扑翼机构变阻尼扑翼变形机构示意图2；

图8是本发明实施例的主被动变形扑翼机构变阻尼扑翼变形机构示意图3；

图9是本发明实施例的主被动变形扑翼机构变形幅值调节机构示意图1；

图10是本发明实施例的主被动变形扑翼机构变形幅值调节机构示意图2；

图11是本发明实施例的主被动变形扑翼机构幅值调节效果示意图1；

图12是本发明实施例的主被动变形扑翼机构幅值调节效果示意图2；

图13是本发明实施例的主被动变形扑翼机构变形阻尼调节效果示意图；

图14是本发明实施例的主被动变形扑翼机构攻角调节流程示意图。

附件说明：

1、机架；1-1、主架；1-2、辅架；1-3、连接柱一；1-4、连接柱二；1-5、连接柱三；1-6、连接柱四；1-7、连接柱五；1-8、连接柱六；1-9、连接柱七；1-10、左主架摇杆连接件；1-11、右主架摇杆连接件；2、扑翼驱动机构；2-1、无刷电机；2-2、一级齿轮；2-3、二级齿轮；2-4、二级齿轮轴；2-5、二级附齿轮；2-6、三级齿轮；2-7、三级齿轮轴；2-8、左曲柄；2-9、左球头一；2-10、左连杆；2-11、左球头二；2-12、左摇杆；2-13、右曲柄；2-14、右球头一；2-15、右连杆；2-16、右球头二；2-17、右摇杆；3、变阻尼扑翼变形机构；3-1、左螺纹轴减速电机；3-2、左内侧可调阻尼转轴；3-2-1、左内侧可调阻尼转轴本体一；3-2-2、左螺柱；3-2-3、左垫片一；3-2-4、左垫片二；3-2-5、左内侧可调阻尼转轴本体二；3-3、左前缘杆；3-4、左弧形弹簧片；3-5、左中间可调阻尼转轴；3-5-1、左中间可调阻尼转轴本体一；3-5-2、左螺母一；3-5-3、左垫片三；3-5-4、左垫片四；3-5-5、左中间可调阻尼转轴本体二；3-6、左直形弹簧片一；3-7、左外侧可调阻尼转轴；3-7-1、左外侧可调阻尼转轴本体一；3-7-2、左螺母二；3-7-3、左垫片五；3-7-4、左垫片六；3-7-5、左外侧可调阻尼转轴本体二；3-8、左直形弹簧片二；3-9、左翅膀支撑杆一；3-10、左翅膀支撑杆二；3-11、左翅膀支撑杆三；3-12、左翅膀支撑杆四；3-13、左翅膀支撑杆五；3-14、左翼膜；3-15、右螺纹轴减速电机；3-16、右内侧可调阻尼转轴；3-17、右弧形弹簧片；3-18、右中间可调阻尼转轴；3-19、右直形弹簧片一；3-20、右外侧可调阻尼转轴；3-21、右直形弹簧片二；3-22、右前缘杆；3-23、右翅膀支撑杆五；3-24、右翅膀支撑杆四；3-25、右翅膀支撑杆三；3-26、右翅膀支撑杆二；3-27、右翅膀支撑杆一；3-28、右翼膜；4、幅值调节机构；4-1、左内侧幅值调节机构；4-1-1、左内侧幅值调节机构本体一；4-1-2、左内侧幅值调节机构本体二；4-1-3、紧定螺丝一；4-1-4、紧定螺丝二；4-1-4、紧定螺丝三；4-1-5、紧定螺丝四；4-2、左中间幅值调节机构；4-3、左外侧幅值调节机构；4-4、右内侧幅值调节机构；4-5、右中间幅值调节机构；4-6、右外侧幅值调节机构；5、传感控制装置；5-1、控制板；5-2、左角度传感器；5-3、右角度传感器；6、电源模块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参照图1、图2和图6，一种主被动变形扑翼机构由机架1、扑翼驱动机构2、变阻尼扑翼变形机构3、幅值调节机构4、传感控制装置5、电源模块6组成。机架1用于安装固定所述的机构、装置和模块。扑翼驱动机构2驱动翅膀的扑动从而实现扑翼机器人的飞行功能，变阻尼扑翼变形机构3能够实现对翅膀变形阻尼和攻角的调节，幅值调节机构4能够实现对扑翼变形幅值的调节，传感控制装置5实现所有运动的控制、传感器数据处理保存、无线数据收发和翅膀角度信息检测，电源模块6为扑翼驱动机构2、变阻尼扑翼变形机构3、传感控制装置5供电。

参照图1、图2和图6，所述传感控制模块包括控制板5-1、左角度传感器5-2、右角度传感器5-3，所述控制板5-1固定在主架1-1上，所述左角度传感器5-2固定在左内侧可调阻尼转轴3-2上，所述右角度传感器5-3固定在右内侧可调阻尼转轴3-16上。

参照图1、图2和图3，所述的机架1包括主架1-1、辅架1-2、连接柱一1-3、连接柱二1-4、连接柱三1-5、连接柱四1-6、连接柱五1-7、连接柱六1-8和连接柱七1-9、左主架摇杆连接件1-10和右主架摇杆连接件1-11，所述的主架1-1用于安装机架的其它部件和其它机构、装置和模块，所述的辅架1-2通过连接柱一1-3、连接柱二1-4、连接柱三1-5、连接柱四1-6、连接柱五1-7、连接柱六1-8和连接柱七1-9安装在主架1-1的右侧面上，所述的右主架摇杆连接件1-10和左主架摇杆连接件1-11左右对称固接在主架上前端左右两侧。

参照图1、图2、图4和图5，所述的扑翼驱动机构2包括无刷电机2-1、齿轮传动机构与左右对称的翅膀传动机构。所述齿轮机构由一级齿轮2-2、二级齿轮2-3、二级齿轮轴2-4、二级附齿轮2-5、三级齿轮2-6与三级齿轮轴2-7组成，所述的左翅膀机构由左曲柄2-8、左球头一2-9、左连杆2-10、左球头二2-11、左摇杆2-12组成，所述的右翅膀机构由右曲柄2-13、右球头一2-14、右连杆2-15、右球头二2-16、右摇杆2-17组成。所述的无刷电机2-1安装在主架1-1左侧，其输出轴穿到主架1-1右侧，所述一级齿轮2-2安装在无刷电机2-1的输出轴上，所述二级齿轮轴2-4一端安装在主架1-1上并伸出到主架1-1左侧外，另外一端安装在辅架1-2上，且其轴线与无刷电2-1输出轴平行，并可绕其轴线转动，所述二级齿轮2-3固接在二级齿轮轴2-4上主架1-1与辅架1-2之间位置，且与一级齿轮2-2啮合，所述的二级附齿轮2-5固接在二级齿轮轴2-4左侧伸出主架1-1的部分上，所述的三级齿轮轴2-7一端安装在主架1-1上并伸出到主架1-1左侧外，另外一端安装在辅架1-2上并伸出辅架1-2右侧面，三级齿轮轴2-7的轴线与无刷电机2-1输出轴平行，且可绕其轴线转动，所述的三级齿轮2-6固接在三级齿轮轴2-7伸出主架1-1左侧面的部分上，并与二级附齿轮2-5啮合，左曲柄2-8固接在三级齿轮轴2-7上并和左连杆2-10通过左球头一2-9连接，左连杆2-10和左摇杆2-12通过左球头二2-11连接，左摇杆2-12一端铰接安装在左主架摇杆连接件1-11上，右曲柄2-13固接在三级齿轮轴2-7上并和右连杆2-15通过右球头一2-14连接，右连杆2-15和右摇杆2-17通过右球头二2-16连接，右摇杆2-17一端铰接安装在右主架摇杆连接件1-10上。所述的无刷电机2-1经过一级齿轮2-2、二级齿轮2-3、二级附齿轮2-5和三级齿轮2-6的减速后驱动翅膀机构实现翅膀扑动，左曲柄2-8、左连杆2-10、左摇杆2-12和主架1-1组成一个曲柄摇杆机构，左曲柄2-8的转动带动左摇杆2-12摆动，从而驱动左侧翅膀的上下扑动，右翅膀机构与左翅膀机构的结构、连接和功能完全相同。

参照图2、图6、图7和图8，所述的变阻尼扑翼变形机构是左右完全对称的。所述左侧变阻尼扑翼变形机构包括左内侧可调阻尼转轴3-2、左中间可调阻尼转轴3-5、左外侧可调阻尼转轴3-7、左螺纹轴减速电机3-1、左弧形弹簧片3-4、左直形弹簧片一3-6、左直形弹簧片二3-8、左前缘杆3-3、左翅膀支撑杆一3-9、左翅膀支撑杆二3-10、左翅膀支撑杆三3-11、左翅膀支撑杆四3-12、左翅膀支撑杆五3-13和左翼膜3-14。所述左内侧可调阻尼转轴3-2由左螺柱3-2-2、左垫片一3-2-3、左垫片二3-2-4、左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1和左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5组成，所述左中间可调阻尼转轴由左螺母一3-5-2、左垫片三3-5-3、左垫片四3-5-4、左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1和左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5组成，所述左外侧可调阻尼转轴由左螺母二3-7-2、左垫片五3-7-3、左垫片六3-7-4、左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1和左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5组成。所述左螺纹轴减速电机3-1通过螺丝固定在左摇杆2-12上，左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1固定在左摇杆2-12上，左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5安装在左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1的圆柱孔内并伸出一部分轴且可在圆柱孔内自由转动，其轴线与左螺纹轴减速电机3-1输出轴的轴线重合，左垫片一3-2-3与左垫片二3-2-4均安装在左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5伸出轴上，左螺柱3-2-2一端通过螺纹与左螺纹轴减速电机3-1的螺纹轴相连，另一端通过螺纹与左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5伸出轴相连，其下表面与左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1的上表面贴合，保证其只能滑动而不能转动，左弧形弹簧片3-4一端固接在左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5上，另一端与左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1固接，左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5安装在左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1的圆柱孔内并伸出一部分轴且可在圆柱孔内自由转动，左垫片三3-5-3、左垫片四3-5-4均安装在左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5伸出轴上，左螺母一3-5-2通过螺纹与左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5伸出轴相连，左直形弹簧片一3-6一端固接在左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5上，另一端与左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1固接，左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5安装在左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1的圆柱孔内并伸出一部分轴且可在圆柱孔内自由转动，左垫片五3-7-3、左垫片六3-7-4均安装在左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5伸出轴上，左螺母二3-7-2通过螺纹与左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5伸出轴相连，左直形弹簧片二3-8一端固接在左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5上，另一端与左前缘杆3-3固接，左翅膀支撑杆一3-9与左翅膀支撑杆二3-10固接在左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5的安装孔内，左翅膀支撑杆三3-11固接在左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1的安装孔内，左翅膀支撑杆四3-12固接在左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5的安装孔内，左翅膀支撑杆五3-13固接在左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5的安装孔内，左翼膜3-14通过胶水与左前缘杆3-3、左翅膀支撑杆一3-9、左翅膀支撑杆二3-10、左翅膀支撑杆三3-11、左翅膀支撑杆四3-12和左翅膀支撑杆五3-13固接。所述右侧变阻尼扑翼变形机构包括右内侧可调阻尼转轴3-16、右中间可调阻尼转轴3-18、右外侧可调阻尼转轴3-20、右螺纹轴减速电机3-15、右弧形弹簧片3-17、右直形弹簧片一3-19、右直形弹簧片二3-21、右前缘杆3-22、右翅膀支撑杆一3-27、右翅膀支撑杆二3-26、右翅膀支撑杆三3-25、右翅膀支撑杆四3-24、右翅膀支撑杆五3-23、和右翼膜3-28，所述右侧变阻尼扑翼变形机构的具体结构和连接方式与左侧变阻尼扑翼变形机构完全相同。

参照图2、图6、图7和图8，所述变阻尼扑翼变形机构变形过程如下：扑翼在扑动过程中受到空气阻力的作用左翼膜3-14会发生变形，使得翅膀支撑杆受力，由于左翅膀支撑杆一3-9、左翅膀支撑杆二3-10、左翅膀支撑杆三3-11、左弧形弹簧片3-4、左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5和左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1是固接的，所以左翅膀支撑杆一3-9、左翅膀支撑杆二3-10和左翅膀支撑杆三3-11的受力会带动左弧形弹簧片3-4、左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5和左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1一起绕左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1安装孔的轴线发生旋转，由于左翅膀支撑杆四3-12与左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5、左直形弹簧片一3-6、左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1是固接的，所以左翅膀支撑杆四3-12的受力会带动左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5、左直形弹簧片一3-6、左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1绕左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1的安装孔的轴线发生旋转，由于左翅膀支撑杆五3-13与左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5、左直形弹簧片二3-8、左前缘杆3-3是固接的，所以左翅膀支撑杆五3-13的受力会带动左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5、左直形弹簧片二3-8、左前缘杆3-3绕左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1的安装孔的轴线发生旋转，从而实现扑翼的变形功能，右侧扑翼的变形过程与左侧扑翼变形过程完全相同。

参照图2、图6、图7和图8，所述变阻尼扑翼变形机构调节变形阻尼过程如下：当控制左螺纹轴减速电机3-1正转时，由于左螺柱3-2-2下表面与左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1上表面贴合，会使左螺柱发生移动压紧左垫片一3-2-3和左垫片二3-2-4，从而增大左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1与左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5之间的摩擦力，当控制左螺纹轴减速电机3-1反转时，会使左螺柱发生移动松开垫片，从而减小左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1与左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5之间的摩擦力，实现了对扑翼变形阻尼的自动调节；当手动调节左螺母一3-5-2正转时，会使其压紧左垫片三3-5-3和左垫片四3-5-4，从而增大左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1与左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5之间的摩擦力，当手动调节左螺母一3-5-2反转时，会使其松开左垫片三3-5-3和左垫片四3-5-4，从而减小左中间可调阻尼转轴本体一3-5-1与左中间可调阻尼转轴本体二3-5-5之间的摩擦力，当手动调节左螺母二3-7-2正转时，会使其压紧左垫片五3-7-3和左垫片六3-7-4，从而增大左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1与左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5之间的摩擦力，当手动调节左螺母二3-7-2反转时，会使其压紧左垫片五3-7-3和左垫片六3-7-4，从而减小左外侧可调阻尼转轴本体一3-7-1与左外侧可调阻尼转轴本体二3-7-5之间的摩擦力，实现了对扑翼变形阻尼的手动调节，右侧扑翼机构变形阻尼的调节过程与左侧扑翼完全相同。通过调节扑翼变形的阻尼，从而实现了对扑翼变形速度的调节。

参照图1、图2、图9和图10，所述幅值调节机构包括左内侧幅值调节机构4-1、左中间幅值调节机构4-2、左外侧幅值调节机构4-3、右内侧幅值调节机构4-4、右中间幅值调节机构4-5和右外侧幅值调节机构4-6，其结构相同，下面以左内侧幅值调节机构4-1为例进行介绍：左内侧幅值调节机构4-1由左内侧幅值调节机构本体一4-1-1、左内侧幅值调节机构本体二4-1-2、紧定螺丝一4-1-3、紧定螺丝二4-1-3、紧定螺丝三4-1-4和紧定螺丝四4-1-5组成，左内侧幅值调节机构本体二4-1-2固接在左内侧可调阻尼转轴本体一3-2-1上，能够与左内侧可调阻尼转轴本体二3-2-5发生相对转动，左内侧幅值调节机构本体一4-1-1安装在左内侧幅值调节机构本体二4-1-2上，能够与其发生相对转动，紧定螺丝一4-1-3、紧定螺丝二4-1-3、紧定螺丝三4-1-4和紧定螺丝四4-1-5安装在左内侧幅值调节机构本体一4-1-1上的四个螺纹孔内，翅膀支撑杆一3-9穿过左内侧幅值调节机构本体一4-1-1和左内侧幅值调节机构本体二4-1-2的槽。当所述紧定螺丝拧紧时，左内侧幅值调节机构本体一4-1-1与左内侧幅值调节机构本体二4-1-2不能发生相对转动，此时这两个槽就构成了一个新槽，翅膀支撑杆一3-9的旋转范围就被限定在新槽的范围内，松开紧定螺丝，旋转左内侧幅值调节机构本体一4-1-1之后再拧紧紧定螺丝，新槽的范围就会发生改变，从而翅膀支撑杆的旋转范围就会发生改变，进而达到调整扑翼变形幅值的效果。

参照图1、图2、图9、图10、图11和图12，扑翼变形幅值调节效果如下：在扑翼扑动的过程中，翅膀支撑杆发生有规律的转动，当所有翅膀支撑杆向下旋转到极限位置时，称此时扑翼所处形状为下极限位置形状，当所有翅膀支撑杆向上旋转到极限位置时，称此时扑翼所处形状为上极限位置形状；改变扑翼上极限位置形状或下极限位置的形状就是改变扑翼变形幅值的大小，图10显示了扑翼变形幅值调节后扑翼下极限位置状态对比图，图11显示了扑翼变形幅值调节后扑翼上极限位置状态对比图，通过改变扑翼变形幅值的大小，能够改变扑翼的空气动力学性能。

参照图1、图2、图6、图7、图8、图13和所述扑翼变形幅值调节效果，扑翼变形阻尼调节效果如下：由于扑翼在上扑顶点为下极限位置状态，所以当扑翼由上扑转换为下扑时，存在一段转换时间T1使扑翼由下极限位置状态改变为上极限位置状态；由于扑翼在下扑顶点为上极限位置状态，所以当扑翼由下扑转换为上扑时，存在一段转换时间T2使扑翼由上极限位置状态改变为下极限位置状态；当可调阻尼转轴的转动阻尼增大时，时间T1和T2会同时增大，反之T1和T2会同时减小；调节可调阻尼转轴的阻尼大小，就会改变转换时间T1和T2的长短，进而改变扑翼的空气动力学性能。图13为扑翼由上扑顶点经一段时间t后翅膀状态的对比图，B的阻尼大于A且其他条件都相同，A在t时刻恰好到达上极限位置状态，此时B仍在下极限位置状态到上极限位置状态的转换过程之中。

参照图1、图2、图6、图7、所述变阻尼扑翼变形机构变形过程和所述变阻尼扑翼变形机构调节变形阻尼过程，所述攻角调节步骤如下：

S1：在扑翼机器人的飞行过程中，扑翼在扑动时因受到空气阻力，翅膀支撑杆一、翅膀支撑杆二和翅膀支撑杆三会绕内侧可调阻尼转轴本体一安装孔的轴线发生旋转,此时攻角会随着扑翼的扑动发生连续性变化；

S2：上位机通过无线传感单元向扑翼机器人发送设定的攻角值；

S3：扑翼机器人通过角度传感器监测攻角的变化；

S4：判断当前扑翼机器人攻角是否到达设定值，如果是进入S5，如果否则返回S3；

S5：控制处理单元驱动螺纹轴减速电机旋转拧紧螺柱，此时内侧可调阻尼转轴转动的摩擦力远大于翅膀受到的空气阻力，攻角被固定至设定值；

当驱动螺纹轴减速电机松开螺柱时，扑翼会恢复变形功能，攻角又会随着扑翼的扑动发生连续性变化。左侧扑翼和右侧扑翼的攻角调节是完全独立的，可以将其攻角设为不同值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构，由机架（1）、扑翼驱动机构（2）、变阻尼扑翼变形机构（3）、幅值调节机构（4）、传感控制模块（5）、电源模块（6）组成；

所述的机架（1）包括主架（1-1）、辅架（1-2）、连接柱一（1-3）、连接柱二（1-4）、连接柱三（1-5）、连接柱四（1-6）、连接柱五（1-7）、连接柱六（1-8）和连接柱七（1-9）、左主架摇杆连接件（1-10）和右主架摇杆连接件（1-11），所述的主架（1-1）用于安装机架的其它部件，所述的辅架（1-2）通过连接柱一（1-3）、连接柱二（1-4）、连接柱三（1-5）、连接柱四（1-6）、连接柱五（1-7）、连接柱六（1-8）和连接柱七（1-9）安装在主架（1-1）的右侧面上，所述的右主架摇杆连接件（1-10）和左主架摇杆连接件（1-11）左右对称固接在主架上前端左右两侧；

所述的扑翼驱动机构（2）包括无刷电机（2-1）、齿轮传动机构与左右对称的翅膀传动机构，所述齿轮传动机构由一级齿轮（2-2）、二级齿轮（2-3）、二级齿轮轴（2-4）、二级副齿轮（2-5）、三级齿轮（2-6）与三级齿轮轴（2-7）组成，左翅膀机构由左曲柄（2-8）、左球头一（2-9）、左连杆（2-10）、左球头二（2-11）、左摇杆（2-12）组成，右翅膀机构由右曲柄（2-13）、右球头一（2-14）、右连杆（2-15）、右球头二（2-16）、右摇杆（2-17）组成，所述的无刷电机（2-1）安装在主架（1-1）左侧，其输出轴穿到主架（1-1）右侧，所述一级齿轮（2-2）安装在无刷电机（2-1）的输出轴上，所述二级齿轮轴（2-4）一端安装在主架（1-1）上并伸出到主架（1-1）左侧外，另外一端安装在辅架（1-2）上，且其轴线与无刷电（2-1）输出轴平行，并绕其轴线转动，所述二级齿轮（2-3）固接在二级齿轮轴（2-4）上主架（1-1）与辅架（1-2）之间位置，且与一级齿轮（2-2）啮合，所述的二级副齿轮（2-5）固接在二级齿轮轴（2-4）左侧伸出主架（1-1）的部分上，所述的三级齿轮轴（2-7）一端安装在主架（1-1）上并伸出到主架（1-1）左侧外，另外一端安装在辅架（1-2）上并伸出辅架（1-2）右侧面，三级齿轮轴（2-7）的轴线与无刷电机（2-1）输出轴平行，且绕其轴线转动，所述的三级齿轮（2-6）固接在三级齿轮轴（2-7）伸出主架（1-1）左侧面的部分上，并与二级副齿轮（2-5）啮合，左曲柄（2-8）固接在三级齿轮轴（2-7）上并和左连杆（2-10）通过左球头一（2-9）连接，左连杆（2-10）和左摇杆（2-12）通过左球头二（2-11）连接，左摇杆（2-12）一端铰接安装在左主架摇杆连接件（1-11）上，右曲柄（2-13）固接在三级齿轮轴（2-7）上并和右连杆（2-15）通过右球头一（2-14）连接，右连杆（2-15）和右摇杆（2-17）通过右球头二（2-16）连接，右摇杆（2-17）一端铰接安装在右主架摇杆连接件（1-10）上；

所述的变阻尼扑翼变形机构是左右完全对称的，左侧变阻尼扑翼变形机构包括左内侧可调阻尼转轴（3-2）、左中间可调阻尼转轴（3-5）、左外侧可调阻尼转轴（3-7）、左螺纹轴减速电机（3-1）、左弧形弹簧片（3-4）、左直形弹簧片一（3-6）、左直形弹簧片二（3-8）、左前缘杆（3-3）、左翅膀支撑杆一（3-9）、左翅膀支撑杆二（3-10）、左翅膀支撑杆三（3-11）、左翅膀支撑杆四（3-12）、左翅膀支撑杆五（3-13）和左翼膜（3-14），所述左内侧可调阻尼转轴（3-2）由左螺柱（3-2-2）、左垫片一（3-2-3）、左垫片二（3-2-4）、左内侧可调阻尼转轴本体一（3-2-1）和左内侧可调阻尼转轴本体二（3-2-5）组成，所述左中间可调阻尼转轴由左螺母一（3-5-2）、左垫片三（3-5-3）、左垫片四（3-5-4）、左中间可调阻尼转轴本体一（3-5-1）和左中间可调阻尼转轴本体二（3-5-5）组成，所述左外侧可调阻尼转轴由左螺母二（3-7-2）、左垫片五（3-7-3）、左垫片六（3-7-4）、左外侧可调阻尼转轴本体一（3-7-1）和左外侧可调阻尼转轴本体二（3-7-5）组成，所述左螺纹轴减速电机（3-1）通过螺丝固定在左摇杆（2-12）上，左内侧可调阻尼转轴本体一（3-2-1）固定在左摇杆（2-12）上，左内侧可调阻尼转轴本体二（3-2-5）安装在左内侧可调阻尼转轴本体一（3-2-1）的圆柱孔内并伸出一部分轴且可在圆柱孔内自由转动，其轴线与左螺纹轴减速电机（3-1）输出轴的轴线重合，左垫片一（3-2-3）与左垫片二（3-2-4）均安装在左内侧可调阻尼转轴本体二（3-2-5）伸出轴上，左螺柱（3-2-2）一端通过螺纹与左螺纹轴减速电机（3-1）的螺纹轴相连，另一端通过螺纹与左内侧可调阻尼转轴本体二（3-2-5）伸出轴相连，其下表面与左内侧可调阻尼转轴本体一（3-2-1）的上表面贴合，左弧形弹簧片（3-4）一端固接在左内侧可调阻尼转轴本体二（3-2-5）上，另一端与左中间可调阻尼转轴本体一（3-5-1）固接，左中间可调阻尼转轴本体二（3-5-5）安装在左中间可调阻尼转轴本体一（3-5-1）的圆柱孔内并伸出一部分轴且可在圆柱孔内自由转动，左垫片三（3-5-3）、左垫片四（3-5-4）均安装在左中间可调阻尼转轴本体二（3-5-5）伸出轴上，左螺母一（3-5-2）通过螺纹与左中间可调阻尼转轴本体二（3-5-5）伸出轴相连，左直形弹簧片一（3-6）一端固接在左中间可调阻尼转轴本体二（3-5-5）上，另一端与左外侧可调阻尼转轴本体一（3-7-1）固接，左外侧可调阻尼转轴本体二（3-7-5）安装在左外侧可调阻尼转轴本体一（3-7-1）的圆柱孔内并伸出一部分轴且在圆柱孔内自由转动，左垫片五（3-7-3）、左垫片六（3-7-4）均安装在左外侧可调阻尼转轴本体二（3-7-5）伸出轴上，左螺母二（3-7-2）通过螺纹与左外侧可调阻尼转轴本体二（3-7-5）伸出轴相连，左直形弹簧片二（3-8）一端固接在左外侧可调阻尼转轴本体二（3-7-5）上，另一端与左前缘杆（3-3）固接，左翅膀支撑杆一（3-9）与左翅膀支撑杆二（3-10）固接在左内侧可调阻尼转轴本体二（3-2-5）的安装孔内，左翅膀支撑杆三（3-11）固接在左中间可调阻尼转轴本体一（3-5-1）的安装孔内，左翅膀支撑杆四（3-12）固接在左中间可调阻尼转轴本体二（3-5-5）的安装孔内，左翅膀支撑杆五（3-13）固接在左外侧可调阻尼转轴本体二（3-7-5）的安装孔内，左翼膜（3-14）通过胶水与左前缘杆（3-3）、左翅膀支撑杆一（3-9）、左翅膀支撑杆二（3-10）、左翅膀支撑杆三（3-11）、左翅膀支撑杆四（3-12）和左翅膀支撑杆五（3-13）固接，右侧变阻尼扑翼变形机构包括右内侧可调阻尼转轴（3-16）、右中间可调阻尼转轴（3-18）、右外侧可调阻尼转轴（3-20）、右螺纹轴减速电机（3-15）、右弧形弹簧片（3-17）、右直形弹簧片一（3-19）、右直形弹簧片二（3-21）、右前缘杆（3-22）、右翅膀支撑杆一（3-27）、右翅膀支撑杆二（3-26）、右翅膀支撑杆三（3-25）、右翅膀支撑杆四（3-24）、右翅膀支撑杆五（3-23）、和右翼膜（3-28），所述右侧变阻尼扑翼变形机构的具体结构和连接方式与左侧变阻尼扑翼变形机构完全相同。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构，其特征在于：所述传感控制模块包括控制板（5-1）、左角度传感器（5-2）、右角度传感器（5-3），所述控制板（5-1）固定在主架（1-1）上，所述左角度传感器（5-2）固定在左内侧可调阻尼转轴（3-2）上，所述右角度传感器（5-3）固定在右内侧可调阻尼转轴（3-16）上。

3.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构，其特征在于：所述幅值调节机构包括左内侧幅值调节机构（4-1）、左中间幅值调节机构（4-2）、左外侧幅值调节机构（4-3）、右内侧幅值调节机构（4-4）、右中间幅值调节机构（4-5）和右外侧幅值调节机构（4-6），其结构相同，左内侧幅值调节机构（4-1）由左内侧幅值调节机构本体一（4-1-1）、左内侧幅值调节机构本体二（4-1-2）、紧定螺丝一（4-1-3）、紧定螺丝二（4-1-3）、紧定螺丝三（4-1-4）和紧定螺丝四（4-1-5）组成，左内侧幅值调节机构本体二（4-1-2）固接在左内侧可调阻尼转轴本体一（3-2-1）上，能够与左内侧可调阻尼转轴本体二（3-2-5）发生相对转动，左内侧幅值调节机构本体一（4-1-1）安装在左内侧幅值调节机构本体二（4-1-2）上，能够与其发生相对转动，紧定螺丝一（4-1-2）、紧定螺丝二（4-1-3）、紧定螺丝三（4-1-4）和紧定螺丝四（4-1-5）安装在左内侧幅值调节机构本体一（4-1-1）上的四个螺纹孔内，翅膀支撑杆一（3-9）穿过左内侧幅值调节机构本体一（4-1-1）和左内侧幅值调节机构本体二（4-1-2）的槽。

4.根据权利要求1-3任意一项所述一种刚柔耦合主被动变形扑翼机构攻角调节方法，具体步骤如下，其特征在于：

S1：在扑翼机器人的飞行过程中，扑翼在扑动时因受到空气阻力，翅膀支撑杆一、翅膀支撑杆二和翅膀支撑杆三会绕内侧可调阻尼转轴本体一安装孔的轴线发生旋转,此时攻角会随着扑翼的扑动发生连续性变化；

S2：上位机通过无线传感单元向扑翼机器人发送设定的攻角值；

S3：扑翼机器人通过角度传感器监测攻角的变化；

S4：判断当前扑翼机器人攻角是否到达设定值，如果是进入S5，如果否则返回S3；

S5：控制处理单元驱动螺纹轴减速电机旋转拧紧螺柱，此时内侧可调阻尼转轴转动的摩擦力远大于翅膀受到的空气阻力，攻角被固定至设定值；

当驱动螺纹轴减速电机松开螺柱时，扑翼会恢复变形功能，攻角又会随着扑翼的扑动发生连续性变化，左侧扑翼和右侧扑翼的攻角调节是完全独立的，可以将其攻角设为不同值。

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