CN114394232B - 一种扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扑翼‑扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，包括机架，机架上设有电机；所述电机的输出端经一级减速齿轮组与二级减速齿轮组连接有曲柄滑块机构；所述机架上穿设有与曲柄滑块机构连接的中心杆，中心杆经第一旋转轴承转动连接有机翼架；所述中心杆的外部套有连接在机架上的杆套，杆套经第二旋转轴承连接有支撑座；所述支撑座的两侧分别铰接有叉手；所述机翼架的两侧分别铰接有下驱动背板，下驱动背板的中部与叉手的上间隙铰接；所述下驱动背板上端设有舵机组件，舵机组件连接有上驱动背板，上驱动背板上设有套筒销装置，套筒销装置连接有机翼。本发明可以使飞行器兼具扑旋翼的高机动性垂直起降和类似扑翼的高效巡航飞行性能。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，特别是一种扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器。
背景技术
长期以来人类已对飞行生物翼(特别是昆虫翅)的拍动开展了大量而细致的观测及研究，发现其能产生更高的气动升力系数，具有多种飞行模式——拍动前飞、展翅滑翔、垂直起降和悬停等。受鸟类拍打翅膀以获得更好飞行能力的启发，扑旋翼结合了拍打运动和旋转运动从而获得更高的敏捷性和飞行效率，此概念最早由李道春、吴江浩等人提出，并制造了微型扑旋翼模型进行了可飞行实验和空气动力学分析。扑旋翼既具有旋翼垂直起飞的能力，又能够沿水平面上做旋转运动，但缺少了像扑翼一样在水平上续航飞行的能力。扑旋翼的结构包括为电机、机架、减速齿轮、曲柄滑块机构、中心杆、舵机、套筒销装置、机翼，通过中心杆驱动机构从而带动非对称机翼的拍动机翼进行拍打运动，在扑打的过程中形成一种反卡门涡街现象从而衍生一个推进力，但在一段时间后会与旋转运动所产生的阻力达成一个动态平衡，在这其中涉及到一个机翼俯仰角的概念，为了获取最大升力及飞行效率，适宜的机翼俯仰角选取也成为了一个重要的探究因素。
无论是在军事领域还是人类日常生活，扑翼飞行器都有较好的发展前景，这就对飞行器的稳定性和灵活性提出了挑战，对飞行器的模态转换以适应环境有了较高的要求。目前，国内外大多数扑翼飞行器都是机翼上下扑打的仿鸟类飞行器，此类仿鸟类飞行器难以实现模态的切换，从而提高灵活性以及更好的环境适应能力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器。本发明可以实现扑翼-扑旋翼之间的模态转换，使飞行器兼具扑旋翼的高机动性垂直起降和类似扑翼的高效巡航飞行性能。
本发明的技术方案：一种扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，包括机架，机架上设有电机、第一传动轴和第二传动轴；所述第一传动轴上设有一级减速齿轮组，所述第二传动轴上设有二级减速齿轮组；所述电机的输出端与第一传动轴连接，所述一级减速齿轮组与二级减速齿轮组相啮合；所述第二传动轴的端部连接有曲柄滑块机构；所述机架上穿设有与曲柄滑块机构连接的中心杆，中心杆经第一旋转轴承转动连接有机翼架；所述中心杆的外部套有连接在机架上的杆套，杆套经第二旋转轴承连接有支撑座；所述支撑座位于机翼架的下方；所述支撑座的两侧作为支点端分别铰接有叉手；所述机翼架的两侧分别铰接有下驱动背板，下驱动背板的中部与叉手的上间隙铰接；所述下驱动背板上端设有舵机组件，舵机组件连接有上驱动背板，上驱动背板上设有套筒销装置，套筒销装置连接有机翼。
上述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，所述一级减速齿轮组和二级减速齿轮组作为动力传递装置，使减速比达到22.75：1。
前述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，所述曲柄滑块机构包括有两个铝块和一个把手零件构成，中心杆与把手零件连接。
前述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，所述的支撑座和机翼架均为H型，且机翼架的长度短于支撑座的长度。
前述的上驱动背板在舵机组件的驱动下与下驱动背板之间存在相对旋转，从而实现扑翼-扑旋翼飞行模式的切换。
前述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，所述套筒销装置由下挡块，上挡块和销块构成；其中销块被下挡块、上挡块和铰接的上驱动背板限制旋转的范围。
前述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，所述套筒销装置的中部设有中心孔，中心孔贯穿下挡块，上挡块和销块；所述机翼的前缘杆贯穿进中心孔内直到与下挡块固定，所述销块经下挡块，上挡块及上驱动背板的耦合限制使机翼的俯仰角度受限。
前述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，所述机翼的俯仰角度控制在10°-50°内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本飞行器中电机的旋转运动经由两级减速齿轮组驱动曲柄滑块机构运动，带动中心杆上下运动，再通过机翼架、叉手、支撑座、下驱动背板形成的运动传递机构，将中心杆的往复直线运动转化成扑翼-扑旋翼的拍动运动，即中心杆下移扑旋翼进入上拍状态；中心杆上移扑旋翼进入下拍状态，同时扑旋翼的旋转运动是由机翼扑动产生的反卡门涡街形成的。本发明的中心杆穿过支撑座，中心杆与支撑座之间存在旋转轴承，使得支撑座相对于中心杆存在旋转运动且支撑座不随中心杆上下移动，因此支撑座与叉手的铰接点位置保持不变；随着中心杆带动机翼架上下移动，下驱动背板与水平线的夹角会产生周期性的变化。上述方案将中心杆的上下直线运动转化成该仿生多模态飞行器的机翼的拍动运动。在舵机组件的驱动下，上驱动背板与下驱动背板之间存在相对旋转。因此本发明可以实现扑翼-扑旋翼之间的模态转换，使飞行器兼具扑旋翼的高机动性垂直起降和类似扑翼的高效巡航飞行性能。
2、本发明的机翼的前缘杆件穿过套筒销装置的中心孔进行配合，从而使套筒销装置带动机翼进行拍打运动，因为销块受到了下挡块、上挡块及上驱动背板的耦合限制，从而控制了机翼相对于上驱动背板的可变扭转角度在10°到50°之间，在该扭转角的控制下，拍动的机翼能够获得较高的升力以及飞行效率。
3、本发明的下驱动背板的数目设置为两个，使得机翼在上拍与下拍的过程中更加稳定，且能提供的升降力更强，而支撑座和机翼架采用对称构型，使两侧下驱动背板的安装更加便捷。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明机架部分的结构示意图；
图3是本发明中心杆部分的结构示意图；
图4是本发明套筒销装置部分的结构示意图；
图5是舵机组件的示意图；
图6是舵机组件的齿轮组的示意图。
附图中的标记为：
1、机架；2、电机；3、一级减速齿轮组；4、第一传动轴；5、二级减速齿轮组；6、第二传动轴；7、铝块；8、杆套；9、把手零件；10、支撑座；11、机翼架；12、中心杆；13、机翼；14、第二旋转轴承；15、第一旋转轴承；16、叉手；17、下驱动背板；18、舵机组件；19、销块；20、舵机底座；21、舵机外壳；26、减速齿轮组；27、舵机线；281、下挡块；282、上挡块；29、上驱动背板；30、套筒销装置；31、中心孔；223、第一齿轮；233、第二齿轮；222、第三齿轮；232、第四齿轮；221、第五齿轮；231、第六齿轮；241、第七齿轮；242、第八齿轮；243、第九齿轮；244、第十齿轮；251、第十一齿轮；252、第十二齿轮；253、第十三齿轮；224、输出齿轮；。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，如图1-4所示，包括机架1，机架1上设有电机2、第一传动轴4和第二传动轴6；所述第一传动轴4上设有一级减速齿轮组3，所述第二传动轴6上设有二级减速齿轮组5；所述电机2的输出端与第一传动轴4连接，所述一级减速齿轮组3与二级减速齿轮组5相啮合，所述一级减速齿轮组3和二级减速齿轮组5作为动力传递装置，使减速比达到22.75：1。；所述第二传动轴6的端部连接有曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括有两个铝块7和一个把手零件9构成；所述机架1上穿设有与曲柄滑块机构连接的中心杆12，中心杆12与把手零件9连接；所述中心杆12经第一旋转轴承15转动连接有机翼架11；所述中心杆12的外部套有连接在机架1上的杆套8，杆套8经第二旋转轴承14连接有支撑座10；所述支撑座10位于机翼架11的下方，；所述支撑座10的两侧作为支点端分别铰接有叉手16；所述机翼架11的两侧分别铰接有下驱动背板17，下驱动背板17的中部与叉手1616的上间隙铰接；所述下驱动背板17上端设有舵机组件18，舵机组件18连接有上驱动背板29，上驱动背板29上设有套筒销装置30，套筒销装置30连接有机翼13，机翼13是由聚酰亚胺薄膜和复合材料碳杆梁构成，本实施例中每个下驱动背板17上的上驱动背板29的数目设置为一个，单个上驱动背板29上的机翼13的数量为一片。所述的支撑座10和机翼架11均为H型，且机翼架11的长度短于支撑座10的长度，即支撑座10和机翼架11为对称构型，便于两个机翼13的安装铰接。同时也能使中心杆12进行竖直往复运动时让下驱动背板17的旋转范围更大，从而带动机翼13的上拍与下拍的幅度更大，产生升力的能力更强。
本飞行器中电机2的旋转运动经由两级减速齿轮组26驱动曲柄滑块机构运动，带动中心杆12上下运动，再通过机翼架11、叉手16、支撑座10、下驱动背板17形成的运动传递机构，将中心杆12的往复直线运动转化成扑翼-扑旋翼的拍动运动，即中心杆12下移扑旋翼进入上拍状态；中心杆12上移扑旋翼进入下拍状态，同时扑旋翼的旋转运动是由机翼13扑动产生的反卡门涡街形成的。本发明的中心杆12穿过支撑座10，中心杆12与支撑座10之间存在旋转轴承，使得支撑座10相对于中心杆12存在旋转运动且支撑座10不随中心杆12上下移动，因此支撑座10与叉手16的铰接点位置保持不变；随着中心杆12带动机翼架11上下移动，下驱动背板17与水平线的夹角会产生周期性的变化。上述方案将中心杆12的上下直线运动转化成该仿生多模态飞行器的机翼13的拍动运动。在舵机组件18的驱动下，所述上驱动背板29与下驱动背板17之间存在相对旋转，从而实现扑翼-扑旋翼飞行模式的切换。因此本发明可以实现扑翼-扑旋翼之间的模态转换，使飞行器兼具扑旋翼的高机动性垂直起降和类似扑翼的高效巡航飞行性能。
作为进一步的优选，如图4所示，所述套筒销装置30由下挡块281，上挡块282和销块19构成；其中销块19被下挡块281、上挡块282和铰接的上驱动背板29限制旋转的范围。所述套筒销装置30的中部设有中心孔31，中心孔31贯穿下挡块281，上挡块282和销块19；所述机翼13的前缘杆贯穿进中心孔31内直到与下挡块281固定，所述销块19经下挡块281，上挡块282及上驱动背板29的耦合限制使机翼13的俯仰角度控制在10°-50°内。由于上拍能获得负升力，下拍获得正升力，在10°-50°俯仰角控制下，微型飞行器能获得更多的升力和推力，提升飞行效率。
作为进一步的优选，如图5和图6所示，所述的舵机由舵机底座20、舵机外壳21、减速齿轮组26和舵机线27构成，舵机线27与一块微型航模电池相连，实现给舵机供电。其中，减速齿轮组26的啮合情况如下：第一齿轮223与第二齿轮233啮合，第三齿轮222与第四齿轮232啮合，第五齿轮221与第六齿轮231啮合，第六齿轮231与第七齿轮241啮合，第四齿轮232与第八齿轮242啮合，第九齿轮243与第十齿轮244啮合，第十齿轮244与第十二齿轮252啮合，第八齿轮242与第十一齿轮251啮合，舵机的输出端连接有输出齿轮224。
工作原理
电机2通过两级减速齿轮组26，将电机2输出力矩放大并传递到曲柄滑块机构上，再由中心杆12传递到机翼架11上，通过机翼架11、叉手16、支撑座10、下驱动背板17形成的运动传递机构，将中心杆12的往复直线运动转化成扑翼-扑旋翼的拍动运动；机翼13的前缘杆穿入套筒销装置30的中心孔31中加以固定，同时套筒销装置30控制了机翼13相对于上驱动背板29的扭转角度在10°-50°范围内变化。舵机底座20与下驱动背板17铰接，舵机舵盘与上驱动背板29配合，机翼13一侧的舵机电线插座连通一块微型电池，使舵机带动上驱动背板29相对于下驱动背板17产生扭转，从而实现扑翼-扑旋翼之间的模态转换，使飞行器兼具扑旋翼的高机动性垂直起降和类似扑翼的高效巡航飞行性能。
Claims (6)
1.一种扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，其特征在于：包括机架(1)，机架(1)上设有电机(2)、第一传动轴(4)和第二传动轴(6)；所述第一传动轴(4)上设有一级减速齿轮组(3)，所述第二传动轴(6)上设有二级减速齿轮组(5)；所述电机(2)的输出端与第一传动轴(4)连接，所述一级减速齿轮组(3)与二级减速齿轮组(5)相啮合；所述第二传动轴(6)的端部连接有曲柄滑块机构；所述机架(1)上穿设有与曲柄滑块机构连接的中心杆(12)，中心杆(12)经第一旋转轴承(15)转动连接有机翼架(11)；所述中心杆(12)的外部套有连接在机架(1)上的杆套(8)，杆套(8)经第二旋转轴承(14)连接有支撑座(10)；所述支撑座(10)位于机翼架(11)的下方；所述支撑座(10)的两侧作为支点端分别铰接有叉手(16)；所述机翼架(11)的两侧分别铰接有下驱动背板(17)，下驱动背板(17)的中部与叉手(16)的上间隙铰接；所述下驱动背板(17)上端设有舵机组件(18)，舵机组件(18)连接有上驱动背板(29)，上驱动背板(29)上设有套筒销装置(30)，套筒销装置(30)连接有机翼(13)；
所述套筒销装置(30)由下挡块(281)，上挡块(282)和销块(19)构成；其中销块(19)被下挡块(281)、上挡块(282)和铰接的上驱动背板(29)限制旋转的范围；
所述套筒销装置(30)的中部设有中心孔(31)，中心孔(31)贯穿下挡块(281)，上挡块(282)和销块(19)；所述机翼(13)的前缘杆贯穿进中心孔(31)内直到与下挡块(281)固定，所述销块(19)经下挡块(281)，上挡块(282)及上驱动背板(29)的耦合限制使机翼(13)的俯仰角度受限。
2.根据权利要求1所述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，其特征在于：所述一级减速齿轮组(3)和二级减速齿轮组(5)作为动力传递装置，使减速比达到22.75：1。
3.根据权利要求1所述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，其特征在于：所述曲柄滑块机构包括有两个铝块(7)和一个把手零件(9)构成，中心杆(12)与把手零件(9)连接。
4.根据权利要求1所述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，其特征在于：所述的支撑座(10)和机翼架(11)均为H型，且机翼架(11)的长度短于支撑座(10)的长度。
5.根据权利要求1所述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，其特征在于：在舵机组件(18)的驱动下，所述上驱动背板(29)与下驱动背板(17)之间相对旋转，从而实现扑翼-扑旋翼飞行模式的切换。
6.根据权利要求1所述的扑翼-扑旋翼多飞行模态仿生飞行器，其特征在于：所述机翼(13)的俯仰角度控制在10°-50°内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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