CN116477082B - 基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，包括上行架、下行架和中行架，上行架上设置有扑翼结构，上行架与下行架转动连接，在中行架上设置有动力源和万向节，动力源通过万向节与扑翼机构传动连接带动扑翼结构工作，同时中行架上还设置有左右转动组件，左右转动组件推动上行架进行左右转向，中行架上还设置有与下行架啮合的蜗杆，蜗杆驱动下行架进行前后转动，飞行器在前后、左右转向时万向节可以随动进行弯折，方便调整飞行器的飞行姿态，维持重心的稳定性，同时扑翼结构的使用可以使得机翼的扑动幅度增大，扑动频率增大，有助于快速获得升力和转向力。

Description

基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，特别涉及基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器。

背景技术

国际上对仿生飞行器进行了广泛研究，仿生飞行器可以应用于各种职业，仿生飞行器一般包括大型飞行器和微小型飞行器。在以蜂鸟仿生飞行器为代表的微小型飞行器中，通常有如下两种扑动方式，一种采用电机控制齿轮组和连杆以提供机翼的飞行的动力，同时采用舵机协同控制弹性杆，改变翅膀的状态，使得机翼可以同时进行扑动和转向；另一种是采用基于五连杆曲柄摇杆扑翼机构及类似直升机变桨距原理的调节扑翼攻角结构，这两种主要飞行器扑动的幅度和频率都比较小，在飞行器的飞行过程中提供的升力小、速度慢，而且在转向的过程中飞行器的重心随着转动方向发生变化，飞行器的稳定性较差。

发明内容

本发明提供了基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其目的是为了优化现有的扑动方式，平衡了扑动幅度和扑动频率的协调性，使得飞行器可以快速的获得升力，并且避免了扑动过程中因扑动振幅过大造成的飞行器不稳定的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，包括：

上行架和下行架，所述上行架包括安置板和设置在安置板两侧的吊臂，所述下行架为半圆形，所述下行架的外表面设置有外齿牙，所述下行架的两端分别与两个吊臂转动连接；

中行架，设置在所述上行架和下行架之间，所述中行架上设置有动力结构，所述动力结构包括万向节和动力源，所述万向节的一端转动连接在所述中行架上，另一端设置有第一齿轮，所述动力源驱动所述万向节进行转动；

扑翼结构，设置在所述安置板上，包括曲柄往复组件和机翼组件，所述曲柄往复组件包括驱动轮和驱动杆，所述驱动轮与所述第一齿轮啮合，所述驱动杆在所述驱动轮的带动下进行往复运动，所述驱动杆的端部设置有扇形齿轮，所述驱动杆驱动所述扇形齿轮转动；

所述机翼组件包括机翼齿轮和机翼，所述机翼齿轮与所述扇形齿轮啮合，所述机翼设置在所述机翼齿轮上，所述扇形齿轮通过机翼齿轮带动所述机翼扑动；

转向结构，包括左右转动组件和前后转动组件，所述左右转动组件设置在所述中行架的两侧，两个所述左右转动组件分别与所述安置板转动连接，所述安置板在两个所述左右转动组件的作用下进行左右转动；

所述前后转动组件包括蜗杆，所述蜗杆设置在所述中行架的底部，所述蜗杆与所述外齿牙啮合，所述蜗杆带动所述下行架绕所述万向节的转动轴心进行前后转动。

优选地，所述驱动轮的圆心处固定有驱动转轴，所述驱动转轴穿过所述安置板后连接有减速齿轮，所述减速齿轮与所述第一齿轮啮合传动；

所述驱动轮上还设置有偏心销，所述驱动杆在垂直长度的方向上设置有通槽，所述偏心销位于所述通槽内，所述安置板形成有供驱动杆穿过的限位孔，所述驱动杆的一端穿过限位孔，另一端设置有摆臂，所述摆臂设置有两个，所述摆臂靠近所述驱动杆的一端设置有腰型槽，所述驱动杆靠近摆臂的一端设置有往复螺栓，所述往复螺栓插接于两个腰型槽内，所述摆臂远离腰型槽的一端固定有第一转动轴，所述第一转动轴的底端与所述安置板转动连接，所述扇形齿轮固定在所述第一转动轴上。

优选地，所述动力源为空杯电机，所述空杯电机固定在所述中行架上；

所述万向节设置在所述空杯电机的上方，所述空杯电机的输出端与所述万向节传动连接，所述万向节的转动轴心与下行架的圆心重合，下行架两端与吊臂的转动点的连线经过所述万向节的转动轴心。

优选地，所述空杯电机与万向节之间还设置有减速齿轮组，所述减速齿轮组包括设置在空杯电机输出端的输出齿轮和设置在万向节上的被动齿轮，所述输出齿轮与所述被动齿轮啮合，所述被动齿轮与所述输出齿轮的传动比小于1。

优选地，所述左右转动组件包括齿轮箱，所述齿轮箱内设置有竖直方向的齿条，所述齿条与所述齿轮箱固定连接，所述齿轮箱内还设置有与齿条啮合的左右驱动齿轮，所述左右驱动齿轮的转动轴设置在所述中行架上，且所述左右驱动齿轮的转动轴与所述万向节的转动轴心共线。

优选地，所述上行架和中行架之间还设置有限位座，所述限位座固定安装在所述安置板上，所述限位座的中心设置有供万向节穿过的中心孔，所述中心孔的两侧设置有滑动槽，两个滑动槽共线，两个滑动槽朝向所述中行架的方向；

所述齿轮箱的顶部凸起形成滑动块，所述滑动块滑动设置在所述滑动槽内，并且所述滑动槽在竖直方向对所述滑动块进行限位，两个齿轮箱的左右驱动齿轮的转动方向相反。

优选地，所述左右转动组件还包括左右电机，所述左右电机设置在所述中行架上，所述左右电机的输出端与所述左右驱动齿轮的转动轴链传动。

优选地，所述下行架与所述吊臂之间采用转向螺栓进行连接，所述转向螺栓形成的转动点与所述万向节的转动轴心共线，所述前后转动组件设置在所述中行架的底部，所述前后转动组件包括前后电机，所述前后电机的输出端设置有前后输出齿轮，所述蜗杆上设置有受动齿轮，所述受动齿轮与所述前后输出齿轮啮合传动。

优选地，所述左右电机为可180°转动的舵机，所述前后电机为可360度连续旋转的舵机。

优选地，基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器还包括飞控板和电源，所述电源为所述飞控板供电，所述飞控板与所述动力源、左右电机、前后电机信号连接。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

在本申请中，采用动力源带动万向节进行转动，同时上行架和下行架之间转动连接，转动点与万向节的转动轴心共线，使得飞行器在前后、左右转向时万向节可以随动进行弯折，方便调整飞行器的飞行姿态，维持重心的稳定性，同时扑翼结构的使用可以使得机翼的扑动幅度增大，扑动频率增大，有助于快速获得升力和转向力。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是上行架、下行架和中行架的连接示意图；

图3是扑翼结构示意图；

图4是上行架与限位座的仰视图；

图5是转向结构与下行架、中行架的结构示意图。

【附图标记说明】

1-上行架、11-安置板、12-吊臂、13-转向螺栓

2-下行架

3-中行架、

4-动力结构、41-万向节、42-动力源、43-第一齿轮、44-输出齿轮、45-被动齿轮、

5-扑翼结构、51-曲柄往复组件、511-驱动轮、512-驱动杆、513-扇形齿轮、514-驱动转轴、515-减速齿轮、516偏心销、517-限位孔、518-摆臂、519-第一转动轴

52-机翼组件、521-机翼齿轮、522-机翼

61-左右转动组件、611-齿轮箱、612-齿条、613-左右驱动齿轮、614-滑动块、615-左右电机、

62-前后转动组件、621-蜗杆、622-前后电机、623-前后输出齿轮、624-受动齿轮。

7-限位座、71-中心孔、72-滑动槽、

8-飞控板。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本申请中所称的“转动轴心”是指转动轴的中心点。

如图1-5所示，本发明的实施例提供了基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，包括上行架1和下行架2，其中上行架1包括安置板11和吊臂12，两个吊臂12分别设置在安置板11的两侧，下行架2为半圆形，且下行架2的外表面设置有外齿牙，下行架2的两端分别与前述的两个吊臂12转动，使得下行架2和上行架1之间可以进行转动。

在上行架1和下行架2之间还设置有中行架3，在中行架3上设置有动力结构4，动力结构4包括动力源42和万向节41，动力源42为万向节41的转动提供动力，万向节41的一端转动连接在所述中行架3上，另一端转动设置在安置板11上，且万向节41的上端设置有第一齿轮43；

在安置板11上还设置有扑翼结构5，扑翼结构5包括曲柄往复组件51和机翼组件52，其中曲柄往复组件51包括驱动轮511和驱动杆512，所述驱动轮511与第一齿轮43啮合，驱动杆512在驱动轮511的带动下进行往复运动，驱动杆512远离驱动轮511的端部设置有扇形齿轮513，驱动杆512驱动扇形齿轮513进行转动；机翼组件52包括机翼齿轮521和机翼522，机翼齿轮521与扇形齿轮513啮合，机翼522设置在机翼齿轮521上，当机翼齿轮521受扇形齿轮513驱动转动时，带动在机翼齿轮521上的机翼522进行扑动，

优选地，扇形齿轮513为54齿，可进行前后约45度(共约90度)的转动。机翼齿轮521将进行前后45*(54/40)＝60.75度(共约120度)的转动。

基于转向传动协调控制机构的仿生飞鸟飞行器还包括转向结构，转向结构包括左右转动组件61和前后转动组件62，左右转动组件61设置有两个，分别设置在中行架3的两侧，两个左右转动组件61分别与安置板11转动连接，安置板11在两个左右转动组件61的带动下，进行左右方向的转动，实现对飞行器的左右转向的调整。

前后转动组件62包括蜗杆621，蜗杆621设置在中行架3的底部，蜗杆621与下行架2的外齿牙啮合，当蜗杆621转动时，与蜗杆621啮合的下行架2绕万向节41的转动轴心进行前后转动，实现对飞行器的前后转向的调整。

在本申请中，利用上行架1作为扑翼结构5的支撑面，稳定扑翼结构5，并使得机翼522可以进行扑动，下行架2和中行架3在上行架1的带动下进行运动，同时下行架2与上行架1转动连接，使得下行架2可以带动其上的中行架3同步进行前后转动。左右转动组件61推动上行架1进行左右转动，通过转向结构实现飞行器在前后、左右方向的转向，同时本申请采用万向节41作为传动部件，且万向节41在飞行器转向时随动弯折，保持飞行器的重心稳定不变，有助于减小转向时的干扰。

曲柄往复组件51如图3所示，驱动轮511的圆心处设置有驱动转轴514，驱动转轴514的底端穿过安置板11后连接有减速齿轮515，减速齿轮515与第一齿轮43啮合传动，减速齿轮515通过与第一齿轮43啮合传动，实现带动驱动轮511进行圆周运动；

在驱动轮511远离驱动转轴514的一面设置有偏心销516，驱动杆512为长条状，在驱动杆512垂直长度的方向设置有通槽，偏心销516设置在通槽内。上行架1上设置有限位孔517，优选地为安置板11凸起形成限位孔517，驱动杆512的一端穿过限位孔517，另一端设置有摆臂518，摆臂518设置有两个，摆臂518靠近驱动杆512的一端设置有腰型槽，另一端设置有第一转动轴519，在驱动杆512靠近摆臂518的一端设置有往复螺栓，往复螺栓插接在两个摆臂518的腰型槽内，第一转动轴519的底端与安置板11转动连接，前述的扇形齿轮513固定在第一转动轴519上。

当驱动杆512进行往复运动时，驱动杆512带动摆臂518绕第一转动轴519进行转动，此时位于第一转动轴519上的扇形齿轮513随着第一转动轴519进行转动，与扇形齿轮513啮合的机翼齿轮521发生转动，带动机翼522进行扑动，为飞行器提供升力。

进一步的，安置板11在驱动杆512的运动轨迹方向上设置有限位通槽，前述的往复螺栓由底部向上的穿过限位通槽后与驱动杆512螺接，往复螺栓在限位通槽内进行滑动，既能防止驱动杆512与安置板11脱离，又能限制驱动杆512的运动方向，防止机翼522在受力时，造成机翼齿轮521错位，无法与扇形齿轮513啮合传动。

前述的动力源42为空杯电机，空杯电机固定在中行架3上，万向节41设置在空杯电机的上方，万向节41通过轴承与中行架3进行传动连接，同时需要保证万向节41的转动轴心与下行架2的圆心重合，下行架2的两端与吊臂12的之间采用螺栓进行连接形成转动点，下行架2两端与吊臂12的转动点的连线经过万向节41的转动轴心。

进一步的，在空杯电机和万向节41之间还设置有减速齿轮组，减速齿轮组包括输出齿轮44和被动齿轮45，输出齿轮44设置在空杯电机的输出端，被动齿轮45设置在万向节41靠近空杯电机的一端，输出齿轮44与被动齿轮45啮合，且被动齿轮45与输出齿轮44的传动比小于1。

在本实施例中，通过设置减速齿轮组，使得空杯电机的转速与万向节41之间的传动比降低，有利于获得更高的扭矩，有利于机翼522的扑动。

前述的左右转动组件61包括齿轮箱611，齿轮箱611内部固定有竖直方向的齿条612，齿轮箱611内还设置有左右驱动齿轮613，左右驱动齿轮613与齿条612啮合，左右驱动齿轮613的转动轴转动在中行架3上，并且万向节41的转动轴心位于左右驱动齿轮613的转动轴的延长线上。

当左右驱动齿轮613转动时，驱动齿条612上下移动，进而带动齿轮箱611上下移动，由于齿轮箱611与安置板11转动连接，使得安置板11可以发生转动，实现飞行器的左右转向。在本实施例中，左右驱动齿轮613的转动方向相反，分别从中行架3的两侧推动和拉动安置板11进行转动，两个左右转动组件61的设置，可以有效的保证安置板11在左右转动时的稳定性，同时降低左右转动组件61的负载，延长左右转动组件61的使用寿命。

进一步的，在上行架1与中行架3之间还设置有限位座7，限位座7固定在安置板11上，限位座7的中心设置有供万向节41穿过的中心孔71，在中心孔71的两侧形成有滑动槽72，两个滑动槽72共线，两个滑动槽72朝向中行架3的方向；

优选地，中心孔71内设置有固定轴承，固定轴承的外圈与中心孔固定连接，内圈与万向节41的上端连接。

前述的齿轮箱611的顶部凸起形成滑动块614，滑动块614滑动设置在滑动槽72内，并且滑动槽72在竖直方向对滑动块614进行限位。

在本实施例中滑动槽72为球形腔，滑动块614也为球形，滑动块614可以在滑动槽72内进行滑动，同时，在齿轮箱611进行升降时，滑动块614与滑动座之间发生相对转动。既能保证齿轮箱611与限位座7的转动连接，还能保证在左右转向时，限位座7与齿轮向之间留有一定的空间，防止在转动时齿轮箱611与限位座7卡死。

进一步的，左右转动组件61还包括左右电机615，左右电机615设置在所述中行架3上，左右电机615的输出端与左右驱动齿轮613的转动轴链传动。在本实施例中，左右电机615的输出端与左右齿轮的转动轴之间采用同步带进行传动。

进一步的前述的下行架2与吊臂12之间采用转向螺栓13进行连接，转向螺栓13形成的转动点与万向节41的转动轴心三点共线，前后转动组件62设置在中行架3的底部，前后转动组件62还包括前后电机622，前后电机622的输出端设置有前后输出齿轮623，在蜗杆621上设置有受动齿轮624，受动齿轮624与前后输出齿轮623啮合并传动。

当前后电机622进行转动时，带动蜗杆621进行转动，蜗杆621带动下行架2进行转动，实现下行架2在前后方向的转动。蜗杆621-外齿牙的结构利用了蜗杆621的自锁功能，在实现前后转动时，有利于维持机翼522锁定在当前状态，降低前后电机622的负载压力。

优选的，左右电机615为可180°转动的舵机，前后电机622为可360度连续旋转的舵机。

基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器还包括飞控板8和电源(图中未示出)，所述电源为所述飞控板8供电，所述飞控板8与所述动力源42、左右电机615、前后电机622信号连接。优选地，飞控板8设置在中行架3的底部。

在本申请中，万向节41作为飞行器姿态控制的核心和扑翼结构5的动力传送中枢，左右、前后转向都围绕着万向节41的转动轴心进行转动，最大化减小飞行器震动对万向节41造成的不利影响，提升系统稳定性。

本申请基于万向节41的转向姿态控制的思路提供了一种新型的飞行器，优化了传统的扑动方式，增大了机翼522的扑动角度大于110°，同时利用大功率、高转速的空杯电机作为驱动，在结构稳定的前提下最大化实现飞行器的拍动频率要求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于，包括：

上行架(1)和下行架(2)，所述上行架(1)包括安置板(11)和设置在安置板(11)两侧的吊臂(12)，所述下行架(2)为半圆形，所述下行架(2)的外表面设置有外齿牙，所述下行架(2)的两端分别与两个吊臂(12)转动连接；

中行架(3)，设置在所述上行架(1)和下行架(2)之间，所述中行架(3)上设置有动力结构(4)，所述动力结构(4)包括万向节(41)和动力源(42)，所述万向节(41)的一端转动连接在所述中行架(3)上，另一端设置有第一齿轮(43)，所述动力源(42)驱动所述万向节(41)进行转动；

扑翼结构(5)，设置在所述安置板(11)上，包括曲柄往复组件(51)和机翼组件(52)，所述曲柄往复组件(51)包括驱动轮(511)和驱动杆(512)，所述驱动轮(511)与所述第一齿轮(43)啮合，所述驱动杆(512)在所述驱动轮(511)的带动下进行往复运动，所述驱动杆(512)的端部设置有扇形齿轮(513)，所述驱动杆(512)驱动所述扇形齿轮(513)转动；

所述机翼组件(52)包括机翼齿轮(521)和机翼(522)，所述机翼齿轮(521)与所述扇形齿轮(513)啮合，所述机翼(522)设置在所述机翼齿轮(521)上，所述扇形齿轮(513)通过机翼齿轮(521)带动所述机翼(522)扑动；

转向结构，包括左右转动组件(61)和前后转动组件(62)，所述左右转动组件(61)设置在所述中行架(3)的两侧，两个所述左右转动组件(61)分别与所述安置板(11)转动连接，所述安置板(11)在两个所述左右转动组件(61)的作用下进行左右转动；

所述前后转动组件(62)包括蜗杆(621)，所述蜗杆(621)设置在所述中行架(3)的底部，所述蜗杆(621)与所述外齿牙啮合，所述蜗杆(621)带动所述下行架(2)绕所述万向节(41)的转动轴心进行前后转动。

2.根据权利要求1所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述驱动轮(511)的圆心处固定有驱动转轴(514)，所述驱动转轴(514)穿过所述安置板(11)后连接有减速齿轮(515)，所述减速齿轮(515)与所述第一齿轮(43)啮合传动；

所述驱动轮(511)上还设置有偏心销(516)，所述驱动杆(512)在垂直长度的方向上设置有通槽，所述偏心销(516)位于所述通槽内，所述安置板(11)形成有供驱动杆(512)穿过的限位孔(517)，所述驱动杆(512)的一端穿过限位孔(517)，另一端设置有摆臂(518)，所述摆臂(518)设置有两个，所述摆臂(518)靠近所述驱动杆(512)的一端设置有腰型槽，所述驱动杆(512)靠近摆臂(518)的一端设置有往复螺栓，所述往复螺栓插接于两个腰型槽内，所述摆臂(518)远离腰型槽的一端固定有第一转动轴(519)，所述第一转动轴(519)的底端与所述安置板(11)转动连接，所述扇形齿轮(513)固定在所述第一转动轴(519)上。

3.根据权利要求2所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述动力源(42)为空杯电机，所述空杯电机固定在所述中行架(3)上；

所述万向节(41)设置在所述空杯电机的上方，所述空杯电机的输出端与所述万向节(41)传动连接，所述万向节(41)的转动轴心与下行架(2)的圆心重合，下行架(2)两端与吊臂(12)的转动点的连线经过所述万向节(41)的转动轴心。

4.根据权利要求3所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述空杯电机与万向节(41)之间还设置有减速齿轮组，所述减速齿轮组包括设置在空杯电机输出端的输出齿轮(44)和设置在万向节(41)上的被动齿轮(45)，所述输出齿轮(44)与所述被动齿轮(45)啮合，所述被动齿轮(45)与所述输出齿轮(44)的传动比小于1。

5.根据权利要求3或4所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述左右转动组件(61)包括齿轮箱(611)，所述齿轮箱(611)内设置有竖直方向的齿条(612)，所述齿条(612)与所述齿轮箱(611)固定连接，所述齿轮箱(611)内还设置有与齿条(612)啮合的左右驱动齿轮(613)，所述左右驱动齿轮(613)的转动轴设置在所述中行架(3)上，且所述左右驱动齿轮(613)的转动轴与所述万向节(41)的转动轴心共线。

6.根据权利要求5所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述上行架(1)和中行架(3)之间还设置有限位座(7)，所述限位座(7)固定安装在所述安置板(11)上，所述限位座(7)的中心设置有供万向节(41)穿过的中心孔(71)，所述中心孔(71)的两侧设置有滑动槽(72)，两个滑动槽(72)共线，两个滑动槽(72)朝向所述中行架(3)的方向；

所述齿轮箱(611)的顶部凸起形成滑动块(614)，所述滑动块(614)滑动设置在所述滑动槽(72)内，并且所述滑动槽(72)在竖直方向对所述滑动块(614)进行限位，两个齿轮箱(611)的左右驱动齿轮(613)的转动方向相反。

7.根据权利要求6所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述左右转动组件(61)还包括左右电机(615)，所述左右电机(615)设置在所述中行架(3)上，所述左右电机(615)的输出端与所述左右驱动齿轮(613)的转动轴链传动。

8.根据权利要求7所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述下行架(2)与所述吊臂(12)之间采用转向螺栓(13)进行连接，所述转向螺栓(13)形成的转动点与所述万向节(41)的转动轴心共线，所述前后转动组件(62)设置在所述中行架(3)的底部，所述前后转动组件(62)包括前后电机(622)，所述前后电机(622)的输出端设置有前后输出齿轮(623)，所述蜗杆(621)上设置有受动齿轮(624)，所述受动齿轮(624)与所述前后输出齿轮(623)啮合传动。

9.根据权利要求8所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：所述左右电机(615)为可180°转动的舵机，所述前后电机(622)为可360度连续旋转的舵机。

10.根据权利要求9所述的基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器，其特征在于：基于转向传动协调控制机构的仿生蜂鸟飞行器还包括飞控板(8)和电源，所述电源为所述飞控板(8)供电，所述飞控板(8)与所述动力源(42)、左右电机(615)、前后电机(622)信号连接。