CN116495172A - 仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器技术领域，公开了一种仿生扑翼飞行器，包括：骨架；前扑翼组件；后扑翼组件；扑动传动机构，包括分别设置在靠骨架前端和后端位置的两组扑动传动组件，所述扑动传动组件分别用于驱动前扑翼组件与后扑翼组件中的扑翼做上下扑动运动；差速传动机构，用于驱动两组扑动传动组件动作；所述差速调节机构用于调节一组或两组主传动机构的输出转速，以改变前扑翼组件和/或后扑翼组件的扑动频率以及两者之间的扑动相位差；驱动电机，用于同时驱动两组主传动机构动作。该飞行器采用一个电机即可实现对前扑翼组件与后扑翼组件之间的扑动相位差和扑动频率的控制，可以更好地模拟蜻蜓真实的运动情况，具有更好的仿生效果。

Description

仿生扑翼飞行器

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种仿生扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器是一种基于仿生学原理设计的小型飞行器，具有灵活性好、效率高、重量轻、噪音低、隐蔽性好等特点。与固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器兼具其优点，且能量利用率更高，在军事和民用领域具有广阔的潜在应用前景。现有的仿昆虫扑翼飞行器一般都是采用单翼扑动或者复翼扑动，但一般都只能实现简单的上下扑动，且无法实现实时调节飞行状态，仿生程度较低，导致飞行器飞行效率低、灵活性不好、稳定性差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生扑翼飞行器，可实现复翼复杂的扑翼动作，仿生程度高。

本发明通过下述技术方案实现：

仿生扑翼飞行器，包括：

骨架；

前扑翼组件，所述前扑翼组件设置在骨架前端，前扑翼组件的两个扑翼分别与骨架之间铰链连接；

后扑翼组件，所述后扑翼组件设置在骨架后端，后扑翼组件的两个扑翼分别与骨架之间铰链连接；

扑动传动机构，包括分别设置在靠骨架前端和后端位置的两组扑动传动组件，所述扑动传动组件分别用于驱动前扑翼组件与后扑翼组件中的扑翼做上下扑动运动；

差速传动机构，包括两组主传动机构和差速调节机构，两组主传动机构分别与两组扑动传动组件之间传动连接，用于驱动两组扑动传动组件动作；所述差速调节机构用于调节一组或两组主传动机构的输出转速，以改变前扑翼组件和/或后扑翼组件的扑动频率以及两者之间的扑动相位差；

驱动电机，所述驱动电机设置在骨架上，用于同时驱动两组主传动机构动作。

在一些实施例中，所述主传动机构包括行星轮系和行星传动齿轮，所述行星轮系包括依次啮合连接的太阳轮组件、行星齿轮和齿圈，所述太阳轮组件和行星传动齿轮同轴设置，所述太阳轮组件与骨架转动连接，所述行星传动齿轮与太阳轮组件的转轴之间转动连接；

所述驱动电机驱动太阳轮组件转动，所述行星传动齿轮与行星齿轮连接，使行星齿轮在绕太阳轮组件公转时，能够驱动行星传动齿轮转动，所述行星传动齿轮与扑动传动机构之间传动连接；

至少一组主传动机构中的齿圈能够转动，所述差速调节机构通过限制齿圈的转动或解除对齿圈的转动限制，以调节主传动机构中行星传动齿轮的转速。

在一些实施例中，其中一组主传动机构的齿圈与骨架固定连接，另一组主传动机构的齿圈能够转动。

在一些实施例中，所述太阳轮组件包括同轴设置的第一太阳轮和第二太阳轮，所述第一太阳轮设置于齿圈一侧，所述行星齿轮与第二太阳轮之间啮合连接，所述驱动电机同时驱动两个主传动机构的第一太阳轮转动。

在一些实施例中，所述差速调节机构包括差速驱动组件和导杆，所述导杆在中间位置处与骨架之间铰接，所述导杆一端设置到能够转动的齿圈的位置，在导杆该端端部设置有能够与对应齿圈上设置的卡接槽配合的卡接件；

所述差速驱动组件用于驱动导杆沿铰接点转动，使卡接件能够配合卡设到卡接槽内限制齿圈的转动，或使卡接件从卡接槽中脱出，解除对齿圈的转动限制。

在一些实施例中，所述差速驱动组件包括固定设置在骨架上的舵机和连杆组件，所述连杆组件包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆一端与舵机的驱动件连接，另一端与第二连杆之间通过球转动副连接，所述第二连接杆的另一端与导杆一端通过球转动副连接。

在一些实施例中，所述导杆与骨架之间设置有弹性件，所述弹性件用于为导杆提供使导杆设置有卡接件的一端朝齿圈方向运动的作用力。

在一些实施例中，所述扑动传动组件包括扑动传动齿轮、扑动轴和两组扑翼驱动组件，所述扑翼驱动组件包括扑翼支架、摇臂和摇杆；

所述扑动传动齿轮与行星传动齿轮啮合连接，所述扑动轴与扑动传动齿轮之间传动连接，所述扑动轴与骨架之间转动连接，所述扑翼分别与对应的扑翼支架之间铰接，两个摇臂在一端与扑动轴传动连接，所述摇杆固定连接在对应摇臂上的另一端，所述扑翼上分别设置有传动配合件；

当扑动轴带动摇臂转动时，所述摇杆与传动配合件之间配合，驱动扑翼做上下扑动运动。

在一些实施例中，所述传动配合件包括设置在扑翼上的两个滑杆，所述摇杆一端伸入设置到两个滑杆之间。

在一些实施例中，还包括扭动驱动机构；

所述扭动驱动机构包括扭动传动齿轮、连接两个扑翼支架的扭动传动杆和在一端与扭动传动杆转动连接的曲柄连杆，所述曲柄连杆另一端与扭动传动齿轮传动连接，所述扭动传动齿轮与太阳轮组件的转轴之间传动连接，所述扭动传动齿轮、曲柄连杆、扑翼支架和骨架之间组成曲柄连杆机构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

该飞行器采用一个电机即可实现对前扑翼组件与后扑翼组件之间的扑动相位差和扑动频率的控制，并且在实现扑动的同时还能够实现复翼的扭转动作，可以更好地模拟蜻蜓真实的运动情况，具有更好的仿生效果，从而提高飞行器的气动性能，提高飞行效率以及飞行的灵活性和稳定性，使其能够完成更加复杂的飞行动作，以满足在各种不同复杂环境下能够执行各种高难度任务的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明仿生扑翼飞行器一种实施方式结构示意图。

图2为图1中A处局部示意图。

图3为本发明仿生扑翼飞行器一种实施方式中扑动传动机构、差速传动机构结构布置图。

图4为本发明仿生扑翼飞行器一种实施方式中差速调节机构结构示意图。

图5为本发明仿生扑翼飞行器一种实施方式中驱动电机与主传动机构之间的传动结构示意图。

图6为本发明仿生扑翼飞行器一种实施方式中主传动机构结构示意图。

其中：

11、骨架，12、固定架；

21、前扑翼组件，22、后扑翼组件，201、扑翼；

30、驱动电机，301、第一传动齿轮，302、第二传动齿轮，303、第三传动齿轮；

41、第一主传动机构，411、转动齿圈，42、第二主传动机构，421、固定齿圈，401、行星传动齿轮，402、第一太阳轮，403、第二太阳轮，404、行星齿轮，405、卡接槽；

501、导杆，511、卡接件，502、舵机，503、第一连杆，504、第二连杆，505、弹性件；

601、扑动传动齿轮，602、扑动轴，603、扑翼支架，604、摇臂，605、摇杆，606、滑杆；

701、扭动传动齿轮，702、扭动传动杆，703、曲柄连杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为实现飞行器能够达到更好的仿生效果，使其能够更多地还原蜻蜓实际的飞行动作，该飞行器中在实现扑翼扑动的同时，能够调节前扑翼组件和/或后扑翼组件的扑动频率以及两者之间扑动的相位差，这样就使飞行器的飞行动作更加灵活，能够完成各种现有扑翼飞行器所不能完成的动作和姿态。

基于上述飞行器所具有的功能，参照图1和图3，本实施例中的仿生扑翼飞行器，包括骨架11、前扑翼组件21、后扑翼组件22、扑动传动机构、差速传动机构和驱动电机30。

其中，前扑翼组件21设置在骨架11前端，前扑翼组件21的两个扑翼201分别与骨架之间铰链连接。后扑翼组件22设置在骨架11后端，后扑翼组件22的两个扑翼201分别与骨架之间铰链连接。

扑动传动机构分别用于驱动前扑翼组件与后扑翼组件中的扑翼做上下扑动运动，包括分别设置在骨架11前端和后端的两组扑动传动组件，两组扑动传动组件分别与前扑翼组件21和后扑翼组件22之间传动连接。

差速传动机构包括两组主传动机构和差速调节机构，两组主传动机构分别与设置在前端和后端的两组扑动传动组件之间传动连接，用于驱动两组扑动传动组件动作，而扑动传动组件动作时分别驱动前扑翼组件21与后扑翼组件22动作。

差速调节机构用于调节一组或两组主传动机构的输出转速，以改变前扑翼组件和/或后扑翼组件的扑动频率并使两者之间产生扑动相位差。这里的扑动频率是指扑翼在一定时间内完成上下扑动动作的次数，扑动相位是指扑翼相对于水平面的夹角，因此，扑动相位差可理解为前扑翼组件与后扑翼组件的扑翼夹角之间的差值。

驱动电机30设置在骨架11上，用于同时驱动两组主传动机构动作。

该仿生扑翼飞行器的飞行动作实现过程为：

通过驱动电机同时驱动两组主传动机构动作，两组主传动机构分别驱动两组扑动传动组件动作，扑动传动组件动作时分别驱动对应的前扑翼组件和后扑翼组件中的扑翼上下扑动；一般情况下，由于主传动机构与扑动传动组件之间的传动比不变，因此，在通过同一驱动电机实现驱动时，前扑翼组件与后扑翼组件的扑动频率以及两者之间所具有的相位差应该是固定不变的。本发明中通过设置差速调节机构，可以对其中一组或两组主传动机构的输出转速进行调节，从而能够改变前扑翼组件、后扑翼组件的扑动频率以及两者之间的扑动相位差，从而使其具有更好的仿生性能。

在一实施例中，参照图6，主传动机构包括行星轮系和行星传动齿轮401，其中行星轮系包括依次啮合连接的太阳轮组件、行星齿轮404和齿圈，太阳轮组件和行星传动齿轮401同轴设置，太阳轮组件通过其转轴与骨架11之间转动连接，在骨架11一侧设置有固定架12，太阳轮组件的转轴连接到固定架12上，与固定架12之间转动连接，实现太阳轮组件在骨架上的稳定设置；行星传动齿轮401与太阳轮组件的转轴之间转动连接，也就是说行星传动齿轮401可以绕太阳轮组件的转轴转动。

驱动电机30驱动两个主传动机构中的太阳轮组件转动，当太阳轮组件转动时，行星齿轮404随之发生自转以及绕太阳轮组件的公转，由于行星传动齿轮相对设置于行星齿轮的外侧，将行星传动齿轮401与行星齿轮404之间通过传动杆（图中未示出）进行连接，这样当行星齿轮绕太阳轮组件公转时，就可以驱动行星传动齿轮401转动；行星传动齿轮401作为主传动机构的输出端，与扑动传动组件之间传动连接，从而驱动前扑翼组件和后扑翼组件的扑翼同时上下扑动。

在一实施例中，太阳轮组件包括同轴设置的第一太阳轮402和第二太阳轮403，第一太阳轮402与第二太阳轮403分别与太阳轮组件的转轴连接，第一太阳轮402设置于齿圈一侧，行星齿轮404则与第二太阳轮403之间啮合连接，驱动电机通过同时驱动两个主传动机构的第一太阳轮402转动，来实现对两个主传动机构的驱动。

这里在驱动电机30与两组主传动机构之间通过设置中间传动机构进行传动连接，参照图5，中间传动机构包括与驱动电机30输出轴连接的第一传动齿轮301、与第一传动齿轮啮合连接的第二传动齿轮302和与第二传动齿轮啮合连接的第三传动齿轮303，其中第三传动齿轮303分别与两组主传动机构中的第一太阳轮402之间啮合连接，实现对两组主传动机构的驱动。

本实施例中以一组主传动机构中的齿圈能够自由转动，而另一组主传动机构中的齿圈固定设置的结构形式为例，对实现调节主传动机构中行星传动齿轮转速的实现过程进行说明。这里我们将齿圈能够自由转动的一组主传动机构称之为第一主传动机构41，将齿圈固定的一组主传动机构称之为第二主传动机构42；将可自由转动的齿圈称之为转动齿圈411，将固定连接在骨架或固定架上的齿圈称之为固定齿圈421，以方便在图中进行标示。

差速调节机构在调节时，通过限制齿圈的转动或解除对齿圈的转动限制，使转动齿圈能够实现在自由转动和固定这两种状态下进行切换，而当齿圈被固定时，则此时两组主传动机构的输出转速不变，而当齿圈被解除转动限制时，齿圈在行星齿轮的作用下发生转动，从而会降低该组主传动机构中行星齿轮的转速，此时该组主传动机构的行星传动齿轮的转速也将随之降低，使两组主传动机构之间产生不同的输出转速，从而改变前、后扑翼组件的扑动频率以及两者之间的扑动相位差。

在一实施例中，参照图4和6，差速调节机构包括差速驱动组件和导杆501，导杆501在中间位置处与骨架11之间铰接，导杆501一端设置到能够转动的转动齿圈411的位置，在导杆501该端端部设置有能够与对应齿圈上设置的卡接槽405配合的卡接件511；差速驱动组件用于驱动导杆501沿铰接点转动，做类似杠杆的运动，使导杆501上的卡接件511能够配合卡设到齿圈的卡接槽405内，实现限制齿圈的转动，或使卡接件从卡接槽中脱出，实现解除对齿圈的转动限制。

这里卡接槽405可设置为多个，且多个卡接槽405沿齿圈圆周方向均布设置，这样能够更加方便地将卡接件卡设到卡接槽内。

差速驱动组件包括固定设置在骨架11上的舵机502和连杆组件，连杆组件包括第一连杆503和第二连杆504，第一连杆503一端与舵机502的驱动件连接，另一端与第二连杆504之间通过球转动副连接，第二连杆504的另一端与导杆501一端通过球转动副连接。舵机在驱动其驱动件动作时，通过连杆组件驱动导杆沿其铰接点做类似杠杆的运动。

在导杆501与骨架11之间设置弹性件505，该弹性件505为设置在导杆与骨架之间的弹簧，弹簧为导杆提供使导杆设置有卡接件的一端朝齿圈方向运动的作用力，这样当舵机驱动导杆动作时，能够保证卡接件卡设动作的稳定性和可靠性。

当然，也可以将两组主传动机构中的齿圈均设置为能够自由转动，然后通过采用两组差速调节机构对齿圈的转动和固定状态进行控制，同样能够实现对两组主传动机构之间不同输出转速的调节。

在一实施例中，参照图2，扑动传动组件包括扑动传动齿轮601、扑动轴602和两组扑翼驱动组件，两组扑翼驱动组件分别与一个扑翼201连接，用于控制对应扑翼的动作。

扑翼驱动组件包括扑翼支架603、摇臂604和摇杆605。

扑动传动齿轮601与行星传动齿轮401啮合连接，扑动轴602与扑动传动齿轮601之间传动连接，扑动轴602与骨架11之间转动连接，这样当扑动传动齿轮转动时可驱动扑动轴转动。

扑翼201分别与对应的扑翼支架603之间铰接，两个摇臂604在一端与扑动轴602连接，通过扑动轴的转动驱动摇臂转动，摇杆605固定连接在对应摇臂604上的另一端，随摇臂604发生转动。

在扑翼201上分别设置传动配合件，当扑动轴带动摇臂转动时，摇杆605与传动配合件之间配合，驱动扑翼做上下扑动运动。

这里传动配合件可采用设置在扑翼上的两个滑杆606，两个滑杆606平行间隔设置，将摇杆605一端插入设置到两个滑杆606之间，这样当摇臂在转动时，摇杆通过滑杆驱动铰接在扑翼支架上的扑翼上下扑动。

在一实施例中，该仿生扑翼飞行器通过设置扭动驱动机构，实现扑翼在上下扑动的同时还能够沿扑动轴在一定范围内发生扭动。

扭动驱动机构包括扭动传动齿轮701、连接两个扑翼支架的扭动传动杆702和在一端与扭动传动杆转动连接的曲柄连杆703，曲柄连杆703的另一端与扭动传动齿轮701之间传动连接，扭动传动齿轮701与太阳轮组件的转轴之间连接，使扭动传动齿轮能够随太阳轮组件的转轴转动。此时，扭动传动齿轮701、曲柄连杆703、扑翼支架603和骨架11之间组成曲柄连杆机构。当扭动传动齿轮随太阳轮组件的转轴发生转动时，驱动曲柄连杆动作，在曲柄连杆的作用下，通过扭动传动杆驱动其两侧的扑翼支架绕扑动轴发生反复转动运动，实现扑翼在一定范围内的扭动动作。

基于上述实施例中对仿生扑翼飞行器结构所做的说明，该仿生扑翼飞行器采用一个驱动电机即可实现前、后扑翼组件的扑动和扭转动作，并可实现对前、后扑翼组件中扑翼扑动频率和相位差的调节，使其能够更加真实地模拟蜻蜓的飞行动作，从而提升飞行器的气动性能，使其能够适用于道路监控、灾难救援、野外搜救、敌情侦查、环境监测、农业勘测等众多领域，具有驱动源少、灵活性高、飞行效率高等特点。

在本发明的描述中，需要说明的是，所采用的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.仿生扑翼飞行器，其特征在于，包括：

骨架；

前扑翼组件，所述前扑翼组件设置在骨架前端，前扑翼组件的两个扑翼分别与骨架之间铰链连接；

后扑翼组件，所述后扑翼组件设置在骨架后端，后扑翼组件的两个扑翼分别与骨架之间铰链连接；

扑动传动机构，包括分别设置在靠骨架前端和后端位置的两组扑动传动组件，所述扑动传动组件分别用于驱动前扑翼组件与后扑翼组件中的扑翼做上下扑动运动；

差速传动机构，包括两组主传动机构和差速调节机构，两组主传动机构分别与两组扑动传动组件之间传动连接，用于驱动两组扑动传动组件动作；所述差速调节机构用于调节一组或两组主传动机构的输出转速，以改变前扑翼组件和/或后扑翼组件的扑动频率以及两者之间的扑动相位差；

驱动电机，所述驱动电机设置在骨架上，用于同时驱动两组主传动机构动作。

2.根据权利要求1所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述主传动机构包括行星轮系和行星传动齿轮，所述行星轮系包括依次啮合连接的太阳轮组件、行星齿轮和齿圈，所述太阳轮组件和行星传动齿轮同轴设置，所述太阳轮组件与骨架转动连接，所述行星传动齿轮与太阳轮组件的转轴之间转动连接；

所述驱动电机驱动太阳轮组件转动，所述行星传动齿轮与行星齿轮连接，使行星齿轮在绕太阳轮组件公转时，能够驱动行星传动齿轮转动，所述行星传动齿轮与扑动传动机构之间传动连接；

至少一组主传动机构中的齿圈能够转动，所述差速调节机构通过限制齿圈的转动或解除对齿圈的转动限制，以调节主传动机构中行星传动齿轮的转速。

3.根据权利要求2所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，其中一组主传动机构的齿圈与骨架固定连接，另一组主传动机构的齿圈能够转动。

4.根据权利要求2所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述太阳轮组件包括同轴设置的第一太阳轮和第二太阳轮，所述第一太阳轮设置于齿圈一侧，所述行星齿轮与第二太阳轮之间啮合连接，所述驱动电机同时驱动两个主传动机构的第一太阳轮转动。

5.根据权利要求2或3所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述差速调节机构包括差速驱动组件和导杆，所述导杆在中间位置处与骨架之间铰接，所述导杆一端设置到能够转动的齿圈的位置，在导杆该端端部设置有能够与对应齿圈上设置的卡接槽配合的卡接件；

所述差速驱动组件用于驱动导杆沿铰接点转动，使卡接件能够配合卡设到卡接槽内限制齿圈的转动，或使卡接件从卡接槽中脱出，解除对齿圈的转动限制。

6.根据权利要求5所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述差速驱动组件包括固定设置在骨架上的舵机和连杆组件，所述连杆组件包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆一端与舵机的驱动件连接，另一端与第二连杆之间通过球转动副连接，所述第二连接杆的另一端与导杆一端通过球转动副连接。

7.根据权利要求5所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述导杆与骨架之间设置有弹性件，所述弹性件用于为导杆提供使导杆设置有卡接件的一端朝齿圈方向运动的作用力。

8.根据权利要求2所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述扑动传动组件包括扑动传动齿轮、扑动轴和两组扑翼驱动组件，所述扑翼驱动组件包括扑翼支架、摇臂和摇杆；

所述扑动传动齿轮与行星传动齿轮啮合连接，所述扑动轴与扑动传动齿轮之间传动连接，所述扑动轴与骨架之间转动连接，所述扑翼分别与对应的扑翼支架之间铰接，两个摇臂在一端与扑动轴传动连接，所述摇杆固定连接在对应摇臂上的另一端，所述扑翼上分别设置有传动配合件；

当扑动轴带动摇臂转动时，所述摇杆与传动配合件之间配合，驱动扑翼做上下扑动运动。

9.根据权利要求8所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述传动配合件包括设置在扑翼上的两个滑杆，所述摇杆一端伸入设置到两个滑杆之间。

10.根据权利要求8所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于，还包括扭动驱动机构；

所述扭动驱动机构包括扭动传动齿轮、连接两个扑翼支架的扭动传动杆和在一端与扭动传动杆转动连接的曲柄连杆，所述曲柄连杆另一端与扭动传动齿轮传动连接，所述扭动传动齿轮与太阳轮组件的转轴之间传动连接，所述扭动传动齿轮、曲柄连杆、扑翼支架和骨架之间组成曲柄连杆机构。