CN115258153A - 一种用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，包括：机身；第一前摆杆，转动连接于机身的前侧，第一前摆杆能够相对于机身上下摆动；扑翼驱动机构，设置在机身上，扑翼驱动机构用于驱动第一前摆杆上下摆动；翼面，翼面的第一侧连接机身，翼面的第二侧转动连接第一前摆杆；变形驱动机构，用于驱动翼面相对于第一前摆杆向后转动并驱动翼面变形；应用上述机构能够提高飞行器在不同工况下飞行的性能。

Description

一种用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构

技术领域

本发明涉及飞行器领域，特别是涉及一种用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构。

背景技术

随着科学技术的发展，扑翼飞行器无论是在军用领域还是在民用领域均具有广泛的应用场景；在军用领域，扑翼飞行器可以在特殊环境下进行伪装侦查、追踪目标、近距离电子干扰等；在民用领域，扑翼飞行器可以进行狭小空间救援、森林野生动物检测、空中视频拍摄等；目前很多的国家和科研单位都开展专项研究，试图研制能在特殊环境下使用的扑翼飞行器。

现有的扑翼飞行器，一般是用电机等驱动机构，驱动固定形状的机翼上下扑动，来带动整个飞行器的飞行；然而对于水空跨介质扑翼飞行器而言，在不同介质当中的飞行对于机翼的翼形要求是不一致的，因而固定形状的机翼无法充分兼顾不同工况，只能在较小的操作调节范围内表现出较好的气动性能。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，能够提高飞行器在不同工况下飞行的性能。

本发明的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，包括：机身；第一前摆杆，转动连接于机身的前侧，第一前摆杆能够相对于机身上下摆动；扑翼驱动机构，设置在机身上，扑翼驱动机构用于驱动第一前摆杆上下摆动；翼面，翼面的第一侧连接机身，翼面的第二侧转动连接第一前摆杆；变形驱动机构，用于驱动翼面相对于第一前摆杆向后转动并驱动翼面变形。

根据本发明的一些实施例，变形驱动机构包括：主杆，主杆的一端与第一前摆杆转动连接，主杆能够相对于第一前摆杆前后转动，翼面的第二侧连接主杆；滑块，设置在机身上，滑块能够相对于机身前后滑动；第一连杆，第一连杆的首端转动连接于主杆的中间位置，第一连杆的末端转动连接于滑块；平移机构，设置在机身上，平移机构用于驱动滑块前后滑动。

根据本发明的一些实施例，平移机构包括：驱动丝杆，转动设置在机身上，驱动丝杆沿前后方向延伸，驱动丝杆与滑块螺纹配合；驱动电机，设置在机身上，驱动电机用于带动驱动丝杆转动。

根据本发明的一些实施例，平移机构还包括设置在机身上的滑轨，滑轨沿前后方向延伸，滑轨与滑块滑动配合。

根据本发明的一些实施例，滑轨有两个，两个滑轨分别位于驱动丝杆的左右两侧。

根据本发明的一些实施例，变形驱动机构还包括第一转接连杆，第一转接连杆的两端分别与第一连杆和滑块转动连接，第一连杆能够相对于第一转接连杆前后转动，第一转接连杆能够相对于滑块上下转动。

根据本发明的一些实施例，变形驱动机构还包括后连杆部，后连杆部的一端与主杆转动连接，后连杆部的另一端与机身转动连接，后连杆部可伸缩设置。

根据本发明的一些实施例，后连杆部可弯折设置。

根据本发明的一些实施例，后连杆部包括：第一后摆杆，第一后摆杆的第一端与主杆转动连接，第一后摆杆的第二端开设有限位滑槽；第二后摆杆，第二后摆杆的第一端与机身转动连接，第二后摆杆的第二端与限位滑槽可转动地滑动配合。

根据本发明的一些实施例，第二后摆杆的第一端与机身通过球铰链连接。

应用上述用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其运行动力依靠扑翼驱动机构带动第一前摆杆上下摆动带动翼面上下扑动产生，其动力产生的原理类似鸟类的扑翼飞行；在飞行器入水运行之前，变形驱动机构能够带动翼面相对于第一前摆杆向后运动，使得翼面向内收拢变形，尽可能的降低飞行器啊入水时的入水面积，使得入水的冲击力尽可能减小，同时在水中向内收拢的机翼受到的阻力大大减小，有效降低水下航行时飞行器收到的阻力；在空中飞行时，当需要获得较大的升力，变形驱动机构可以控制翼面相对于第一前摆杆向前转动，将翼面展开。使得整个机翼的翼展面积增大，有效提高机翼获取的升力；通过变形驱动机构的调整，飞行器在水中及空中的不同工况下均能够达到较高的飞行性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中第一方面的扑翼飞行器的俯视图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为图1中C处的放大图；

图4为图1中B处的放大图；

图5为图1中D处的放大图；

图6为本发明实施例中第一方面的扑翼飞行器的轴测图；

图7为图6中E处的放大图；

图8为本发明实施例中第二方面的扑翼飞行器的俯视图；

图9为图8中扑翼飞行机器人骨架部分的轴测图；

图10为图9中IV处的放大图；

图11为图9中V处的放大图；

图12为图9中VI处的放大图。

上述附图包含以下附图标记。

标号	名称	标号	名称	标号	名称
						100	机身主杆	250	驱动电机	421	第一舵机
101	主安装板	310	第一前摆杆	422	第二舵机
						102	侧安装板	320	第一转接件	431	第一后连杆
103	支撑柱	330	主杆	432	第二后连杆
						104	电源安装板	340	第一连杆	441	水平尾翼
1041	安装槽	351	第一后摆杆	442	垂直尾翼
						105	后安装件	3511	限位滑槽	510	扑翼电机
106	后支架	352	第二后摆杆	520	传动齿轮组
						210	支架	353	球头连杆	530	扑翼连杆
220	滑轨	354	后支座	540	扑翼曲柄
						230	驱动丝杆	360	前支座	600	电源组件
240	滑块	370	翼面
						241	第一转接连杆	410	铰接支架

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1至图6所示，本实施例的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，包括：机身；第一前摆杆310，转动连接于机身的前侧，第一前摆杆310能够相对于机身上下摆动；扑翼驱动机构，设置在机身上，扑翼驱动机构用于驱动第一前摆杆310上下摆动；翼面370，翼面370的第一侧连接机身，翼面370的第二侧转动连接第一前摆杆310；变形驱动机构，用于驱动翼面370相对于第一前摆杆310向后转动并驱动翼面370变形。

应用上述用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其运行动力依靠扑翼驱动机构带动第一前摆杆310上下摆动带动翼面370上下扑动产生，其动力产生的原理类似鸟类的扑翼飞行；在飞行器入水运行之前，变形驱动机构能够带动翼面370相对于第一前摆杆310向后运动，使得翼面370向内收拢变形，尽可能的降低飞行器啊入水时的入水面积，使得入水的冲击力尽可能减小，同时在水中向内收拢的机翼受到的阻力大大减小，有效降低水下航行时飞行器收到的阻力；在空中飞行时，当需要获得较大的升力，变形驱动机构可以控制翼面370相对于第一前摆杆310向前转动，将翼面370展开。使得整个机翼的翼展面积增大，有效提高机翼获取的升力；通过变形驱动机构的调整，飞行器在水中及空中的不同工况下均能够达到较高的飞行性能；而在空中，当需要进行高速巡航时，也可以将翼面370收拢，降低飞行阻力，获得更好的高速巡航性能。

在此，翼面370可以采用帆布、塑料膜等软质材料配合骨架来实现，其中翼面370的内侧连接在机身上，翼面370的前侧转动连接在第一前摆杆310的外端；当扑翼驱动机构带动第一前摆杆310上下摆动时，整个翼面370能够产生上下的扑动，为整个飞行器提供升力和动力；而当翼面370相对于第一前摆杆310向后转动时，软质的翼面370能够向内收拢，从而减小翼展面积。

值得注意的是，为了图示的方便，图1至图7并未示出翼面370，也未示出右侧的机翼部分，仅示出了左侧的机翼部分。

可以理解的是，扑翼驱动机构可以通过多种方式带动第一前摆杆310上下摆动，例如通过电机等驱动源带动传动机构，将旋转运动转化为往复运动，带动第一前摆杆310上下摆动，也可以通过直线运动模组直接带动第一前摆杆310上下运动；另一方面，变形驱动机构也能够通过多种当值，带动翼面370与第一前摆杆310转动连接的部分向后转动使得翼面370折叠；例如通过绳索牵引的方式带动翼面370前侧与第一前摆杆310转动连接的骨架向后转动，或者通过舵机带动骨架向后转动等。

具体地，如图1、图4所示，变形驱动机构包括：主杆330，主杆330的一端与第一前摆杆310转动连接，主杆330能够相对于第一前摆杆310前后转动，翼面370的第二侧连接主杆330；滑块240，设置在机身上，滑块240能够相对于机身前后滑动；第一连杆340，第一连杆340的首端转动连接于主杆330的中间位置，第一连杆340的末端转动连接于滑块240；平移机构，设置在机身上，平移机构用于驱动滑块240前后滑动；此时，主杆330起到了支撑翼面370的骨架的作用，在飞行过程当中，第一前摆杆310带动主杆330上下摆动，带动翼面370上下扑动提供前进动力和升力；当需要收拢翼面370时，只需控制滑块240向后运动，滑块240通过牵引第一连杆340，带动主杆330相对于第一前摆杆310向后转动，将翼面370收拢；当需要展开翼面370时，只需控制滑块240向前滑动，带动主杆330相对于第一前摆杆310向前转动，即可将翼面370展开。

如图4所示，平移机构包括：驱动丝杆230，转动设置在机身上，驱动丝杆230沿前后方向延伸，驱动丝杆230与滑块240螺纹配合；驱动电机250，设置在机身上，驱动电机250用于带动驱动丝杆230转动；其中，机身上设置有安装驱动丝杆230和驱动电机250的支架210，驱动电机250通过控制驱动丝杆230正转或反转，来控制滑块240向前或者向后滑动；由于丝杆传动机构的传动比较大，通过丝杆带动滑块240前后移动能够较为精准的控制滑块240的前后位置；同时由于丝杆螺母机构的反向自锁性能，当丝杆停转时滑块240能够较好的保持目前的滑动位置，保证翼面370的稳定。

具体地，平移机构还包括设置在机身上的滑轨220，滑轨220沿前后方向延伸，滑轨220与滑块240滑动配合；其中，滑轨220有两个，两个滑轨220分别位于驱动丝杆230的左右两侧，两个滑轨220均与支架210固定连接，能够起到对滑块240前后运动的限位作用，保证滑块240前后运动的稳定。

如图1、图3所示，机身前侧设置有前支座360，第一前摆杆310的内端与前支座360转动连接，第一前摆杆310的外端与第一连接件转动连接，第一连接件与主杆330固定连接。

如图3所示，变形驱动机构还包括第一转接连杆241，第一转接连杆241的两端分别与第一连杆340和滑块240转动连接，第一连杆340能够相对于第一转接连杆241前后转动，第一转接连杆241能够相对于滑块240上下转动；当第一前摆杆310上下摆动时，主杆330连同第一连杆340以及第一转接连杆241，一同相对于滑块240上下摆动，保证了扑翼运转的顺畅；而当滑块240前后滑动时，第一连杆340能够相对于第一转接连杆241前后转动，也即第一连杆340通过一个万向节机构与滑块240连接，保证了两个方向转动的独立性，使得扑翼运动和翼面370调整运动不会相互干涉。

如图1、图2、图5所示，变形驱动机构还包括后连杆部，后连杆部的一端与主杆330转动连接，后连杆部的另一端与机身转动连接，后连杆部可伸缩设置；其中，后连杆部连接于主杆330靠外侧的位置，起到支撑主杆330，保证机翼稳定性的作用；当滑块240向后运动，翼面370收拢时，后连杆部能够收缩，避免后连杆部卡死主杆330，导致主杆330无法前后转动的情况。

具体地，后连杆部可弯折设置；也即整个后连杆部即可弯曲又可收缩，也即在翼面370收缩过程当中，后连杆部能够自动收缩并折叠，提高翼面370收缩后结构的紧凑性。

其中，图2所示，后连杆部包括：第一后摆杆351，第一后摆杆351的第一端与主杆330转动连接，第一后摆杆351的第二端开设有限位滑槽3511；第二后摆杆352，第二后摆杆352的第一端与机身转动连接，第二后摆杆352的第二端与限位滑槽3511可转动地滑动配合；在此，限位滑槽3511能够对第二后摆杆352起到限位作用，使得第二后摆杆352的第二端只能够沿着限位滑槽3511滑动或者在限位滑槽3511当中转动；在扑翼过程当中，第一前摆杆310带动主杆330和整个后连杆部一同上下摆动；而在翼面370收拢过程当中，第二后摆杆352的第二端能够在限位滑槽3511当中滑动，使得整个后连杆部的长度变小，便于折叠，同时，第二后摆杆352的第二端在滑槽当中转动，使得第一后摆杆351与第二后摆杆352相对折叠。

如图5所示，第二后摆杆352的第一端与机身通过球头连杆353连接，使得第二后摆杆352的第一端能够相对于后支座354沿上下方向和左右方向转动；具体地，机身后侧设置有后支座354，第二后摆杆352的第二端通过球铰链连接到后支座354上，此时第二后摆杆352即可以相对于后支座354前后转动，也可以相对于后支座354上下转动；保证了翼面370折叠和扑翼两个过程的独立性。

本实施例还提供一种扑翼飞行器，包括上述机翼变形机构，其不但能够在水空跨介质运行时适应不同工况的飞行，还能够在高速巡航和中低速机动飞行当中也具有良好的适应性。

其中，扑翼飞行机器人也即上述扑翼飞行器还可以采用以下用于扑翼飞行机器人的轻量化机身。

如图8至图12所示，本实施例的用于扑翼飞行机器人的轻量化机身，包括：机身主杆100，机身主杆100沿前后方向延伸，机身主杆100开设有空腔；驱动安装框架，设置在机身主杆100前端，驱动安装框架用于安装扑翼驱动机构；电源安装板104，设置在机身主杆100中部，电源安装板104用于安装电源组件600；尾翼安装架，设置在机身主杆100后端，尾翼安装架用于安装尾翼组件。

应用上述用于扑翼飞行机器人的轻量化机身，在飞行器的组装过程当中，通过一根主杆330将扑翼飞行机器人的驱动机构、电源、翅膀和尾翼连接在一起，相比于现有的飞行器而言结构更加紧凑，迎风面积更小；同时由于主杆330开设有空腔，在保证扑翼飞行机器人所需结构强度的前提下，机体重量更加轻盈，能够有效降低飞行能耗，提高扑翼飞行机器人的负载能力和续航能力。

其中，机身主杆100实际上为一根沿机身前后方向延伸的方管，其内部具有前后贯穿的空腔，其作为整个扑翼飞行器的机身部分的主要骨架。

如图10所示，驱动安装框架包括：主安装板101，设置在机身主杆100前侧，主安装板101镂空设置；侧安装板102，设置在机身主杆100前侧，侧安装板102镂空设置；主安装板101和侧安装板102之间具有用于安装驱动元件的安装空间；其中如图7、图10所示，扑翼电机510安装在主安装板101左侧，与扑翼电机510的输出齿轮啮合的减速齿轮安装在上述安装空间当中，而二级减速大齿轮安装在珠安装板左侧，二级减速大齿轮带动扑翼曲柄540转动，扑翼曲柄540通过扑翼连杆530带动第一前摆杆310上下摆动；也即安装空间能够用于容纳传动齿轮组520当中的部分齿轮；在保证了机身结构强度的同时，又能够使得结构更加紧凑与轻巧。

具体地，为了保证主安装板101和侧安装板102的稳定，驱动安装框架还包括多根支撑柱103，支撑柱103连接主安装板101和侧安装板102，支撑杆位于安装空间当中；其中，支撑杆能够为两块安装板起到支撑作用，使得主安装板101和侧安装板102保持相对位置的稳定。

具体地，如图10所示，驱动安装框架还包括定位套，定位套的两端分别抵接侧安装板102和机身主杆100；具体地，螺钉穿过机身主杆100，将侧安装板102和主安装板101固定在机身主杆100两侧，定位套套设在螺钉上，并间隔开机身主杆100和侧安装板102之间的间隔，保证侧安装板102和主安装板101间隔满足要求的同时，使得侧安装板102稳定安装。

如图8、图11所示，电源安装板104上设置有多个安装槽1041，安装槽1041用于固定电源组件600；其中，可以通过用绑线穿过安装槽1041，或者用螺钉等紧固件等方式，将电源组件600固定在电源安装板104上，保证电源组件600的稳定安装。

如图10所示，机身主杆100前侧上端设置有前支座360，前支座360通过螺钉固定在机身主杆100上，第一前摆杆310与前支座360通过轴承转动连接。

具体地，为了减轻电源安装板104的重量，电源安装板104上开设有镂空部。

如图12所示，尾翼安装架包括：竖直安装板，设置在机身主杆100后侧后端；水平安装板，设置在垂直安装板下端，水平安装板用于安装尾翼组件；水平安装板上设置有两个电机安装部，两个电机安装部分别位于竖直安装板的左右两侧；其中，第一舵机421安装在左侧的电机安装部上，第二舵机422安装在右侧的电机安装部上。

具体地如图1至图12所示，扑翼飞行机器人包括：机身，机身为上述的用于扑翼飞行机器人的轻量化机身；第一前摆杆310，转动连接于机身的前侧，第一前摆杆310能够相对于机身上下摆动；扑翼驱动机构，设置在驱动安装框架上，扑翼驱动机构用于驱动第一前摆杆310上下摆动；翼面370，与第一前摆杆310连接；电源组件600，设置在电源安装板104上；尾翼组件，设置在尾翼安装架上。

如图5、图12所示，尾翼组件包括一体式尾翼，一体式尾翼与尾翼安装架转动连接，一体式尾翼包括一体设置的水平尾翼441和垂直尾翼442；其中，第一舵机421和第二舵机422的曲柄，各自通过第一后连杆431和第二后连杆432连接到两侧水平尾翼441的上端，其中整个一体式尾翼相对于尾翼安装架具有两个转动自由度，也即整个一体式尾翼能够上下转动和左右转动；当两个电机各自沿着相反方向转动相同角度时，两侧的水平尾翼441的俯仰角度相同，也即通过对第一电机的等角度反转控制，即可控制水平尾翼441的俯仰角；而当第一舵机421和第二舵机422的转动角度不同时，整个一体式尾翼组件相对于机身产生左右偏转，使得垂直尾翼442的偏转角度改变；此时，通过控制第一舵机421和第二舵机422的转动状态，即可控制整个飞行器的俯仰和偏航状态。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，包括：

机身；

第一前摆杆(310)，转动连接于所述机身的前侧，所述第一前摆杆(310)能够相对于所述机身上下摆动；

扑翼驱动机构，设置在所述机身上，所述扑翼驱动机构用于驱动所述第一前摆杆(310)上下摆动；

翼面(370)，所述翼面(370)的第一侧连接所述机身，所述翼面(370)的第二侧转动连接所述第一前摆杆(310)；

变形驱动机构，用于驱动所述翼面(370)相对于所述第一前摆杆(310)向后转动并驱动所述翼面(370)变形。

2.根据权利要求1所述的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述变形驱动机构包括：

主杆(330)，所述主杆(330)的一端与所述第一前摆杆(310)转动连接，所述主杆(330)能够相对于所述第一前摆杆(310)前后转动，所述翼面(370)的第二侧连接所述主杆(330)；

滑块(240)，设置在所述机身上，所述滑块(240)能够相对于所述机身前后滑动；

第一连杆(340)，所述第一连杆(340)的首端转动连接于所述主杆(330)的中间位置，所述第一连杆(340)的末端转动连接于所述滑块(240)；

平移机构，设置在所述机身上，所述平移机构用于驱动所述滑块(240)前后滑动。

3.根据权利要求2所述的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述平移机构包括：

驱动丝杆(230)，转动设置在所述机身上，所述驱动丝杆(230)沿前后方向延伸，所述驱动丝杆(230)与所述滑块(240)螺纹配合；

驱动电机(250)，设置在所述机身上，所述驱动电机(250)用于带动所述驱动丝杆(230)转动。

4.根据权利要求3所述的水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述平移机构还包括设置在所述机身上的滑轨(220)，所述滑轨(220)沿前后方向延伸，所述滑轨(220)与所述滑块(240)滑动配合。

5.根据权利要求4所述的水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述滑轨(220)有两个，两个所述滑轨(220)分别位于所述驱动丝杆(230)的左右两侧。

6.根据权利要求2所述的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述变形驱动机构还包括第一转接连杆(241)，所述第一转接连杆(241)的两端分别与所述第一连杆(340)和所述滑块(240)转动连接，所述第一连杆(340)能够相对于所述第一转接连杆(241)前后转动，所述第一转接连杆(241)能够相对于所述滑块(240)上下转动。

7.根据权利要求2所述的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述变形驱动机构还包括后连杆部，所述后连杆部的一端与所述主杆(330)转动连接，所述后连杆部的另一端与所述机身转动连接，所述后连杆部可伸缩设置。

8.根据权利要求7所述的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述后连杆部可弯折设置。

9.根据权利要求8所述的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述后连杆部包括：

第一后摆杆(351)，所述第一后摆杆(351)的第一端与所述主杆(330)转动连接，所述第一后摆杆(351)的第二端开设有限位滑槽(3511)；

第二后摆杆(352)，所述第二后摆杆(352)的第一端与所述机身转动连接，所述第二后摆杆(352)的第二端与所述限位滑槽(3511)可转动地滑动配合。

10.根据权利要求9所述的用于水空跨介质扑翼飞行器的机翼变形机构，其特征在于，所述第二后摆杆(352)的第一端与所述机身通过球铰链连接。

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