CN118124802B - 一种仿鸟扑翼机及其扑翼机构和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿鸟扑翼机及其扑翼机构和使用方法，该扑翼机构利用内段扑翼的一端部固定连接于仿鸟扑翼机，另一端部通过扑翼转换机构连接外段扑翼；驱动机构固定安装于内段扑翼，并与扑翼转换机构传动连接，用于驱动扑翼转换机构对外段扑翼进行收折，以使外段扑翼与内段扑翼之间产生相位角；控制器与驱动机构信号连接；人工羽毛固定安装于内段扑翼和外段扑翼的下侧。上述扑翼机构通过控制器的主动控制实现内段扑翼和外段扑翼之间的折叠，通过被动方式实现外段翼中和外段翼尖之间的扭转，两种措施结合提高了气动力利用效率和飞行稳定性，实现了扑翼机多维度的空间运动。

Description

一种仿鸟扑翼机及其扑翼机构和使用方法

技术领域

本发明涉及扑翼机技术领域，具体涉及一种仿鸟扑翼机及其扑翼机构和使用方法。

背景技术

飞行生物在飞行过程中有着复杂的扑翼运动方式，归纳起来大致有四种运动方式：扑动、扭转、挥摆以及折叠，其中，扑动运动是绕与飞行方向相同的轴做上下运动拍动；扭转是绕翅翼中线的旋转运动；挥摆是绕与机身垂直轴的前后划动；折叠是翅膀沿翼展方向的伸展与弯曲，鸟类在运动过程中通过四种运动方式完成最基本的飞行运动。因此，扑翼运动并不是在单一平面内的上下扑动，而是需要在多个维度进行多种运动姿态的过程。目前大部分扑翼机只考虑在单一维度的运动，仿鸟运动的相似性低，导致扑翼机飞行的气动效率低。目前针对仿鸟运动的多自由度运动过程的研究较少。

发明内容

本发明提供了一种仿鸟扑翼机及其扑翼机构和使用方法，该扑翼机构增加了扑翼的运动自由度，提高了仿鸟类运动的相似程度，将扑翼运动从平面维度拓展到空间维度，实现扑翼的折叠-展开，同时根据外界条件调节扑翼伸展程度，在增强仿生度的同时提高了气动效率，提升了扑翼机的飞行效率和稳定性。

本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供了一种仿鸟扑翼机的扑翼机构，该扑翼机构包括内段扑翼、外段扑翼、扑翼转换机构、人工羽毛、驱动机构以及控制器；

所述内段扑翼的一端部固定连接于仿鸟扑翼机，另一端部通过所述扑翼转换机构连接所述外段扑翼；

所述驱动机构固定安装于所述内段扑翼，并与所述扑翼转换机构传动连接，用于驱动所述扑翼转换机构对所述外段扑翼进行收折，以使所述外段扑翼与所述内段扑翼之间产生相位角；

所述控制器与所述驱动机构信号连接，用于控制所述驱动机构运转；

所述人工羽毛固定安装于所述内段扑翼和所述外段扑翼的下侧，用于为仿鸟扑翼机的飞行提供升力。

更进一步地，所述扑翼转换机构包括扑翼曲柄、扑翼摇杆以及扑翼活动板；

所述扑翼曲柄的一端部通过转轴转动安装于所述内段扑翼，另一端与所述扑翼摇杆的一端部转动连接；

所述扑翼摇杆的另一端部通过销轴连接于所述扑翼活动板的顶端中部；

所述扑翼活动板的一端与所述内段扑翼的外端部转动连接，另一端与所述外段扑翼的内端部固定连接；

所述驱动机构与所述转轴之间传动连接，用于驱动所述转轴转动并通过所述扑翼曲柄和所述扑翼摇杆驱动所述外段扑翼摆动。

更进一步地，所述驱动机构包括驱动电机和传动机构；

所述驱动电机固定安装于所述内段扑翼朝向所述外段扑翼的一端部，并通过所述传动机构与所述转轴传动连接。

更进一步地，所述传动机构为齿轮传动机构；

所述齿轮传动机构包括主动齿轮和从动齿轮；所述主动齿轮固定安装于所述驱动电机的电机轴；所述从动齿轮固定安装于所述转轴；所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合。

更进一步地，所述内段扑翼和所述外段扑翼均开设有凹槽；

所述人工羽毛可调节方向地嵌入所述凹槽内，并通过粘接剂粘接固定。

更进一步地，所述人工羽毛与所述凹槽之间的间隙填充有泡沫型材质。

更进一步地，所述外段扑翼采用拼接结构，包括外段翼中和外段翼尖；

所述外段翼中和所述外段翼尖通过合页活动连接，并且所述外段翼尖与所述外段翼中之间的相位角为5-10°。

更进一步地，所述合页包括转动连接的第一连接块和第二连接块；

在所述第一连接块和所述第二连接块之间具有楔形空间；

所述第一连接块与所述外段翼中固定连接；

所述第二连接块与所述外段翼尖固定连接。

同时，本发明还提供了一种仿鸟扑翼机，该仿鸟扑翼机包括上述技术方案提供的任意一种扑翼机构。

另外，本发明还提供了一种上述技术方案提供的任意一种扑翼机构的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

步骤一，驱动机构将动力通过传动结构传输至扑翼曲柄，扑翼曲柄带动扑翼摇杆运动；

步骤二，外段扑翼收缩-展开过程中，外段扑翼固定连接于所述扑翼活动板的一端部，扑翼活动板的另一端部与扑翼摇杆活动连接，扑翼活动板受到扑翼摇杆驱动后，带动外段扑翼做往复运动，由初始时刻与内段扑翼平行的姿态转变为与内段扑翼具有相位差的姿态；

步骤三，外段扑翼和内段扑翼在扑翼机作用下上下扑动过程中，扑翼机构下扑时，外段翼尖与外段翼中受力向上，扑翼展平，扩大受力面，扑翼上收时，外段翼尖与外段翼中受力向下，扑翼弯曲，减小受力面，降低阻力。

有益效果：

本发明的扑翼机构应用于仿鸟扑翼机，利用驱动机构产生的动力驱动扑翼转换机构动作，通过扑翼转换机构能够使内段扑翼与外段扑翼产生相位差，从而完成扑翼的折叠与伸展，配合扑翼的扑动能够实现多自由度的运动，将扑翼运动从平面维度拓展到空间维度，在扑动过程中，外段扑翼可根据不同的运动过程产生不同的形态变化；人工羽毛的角度和顺序可以调节，并嵌入外段扑翼与内段扑翼的下侧，有效地提高了气动效率和仿生度，从而提升仿鸟扑翼机的能源利用效率和续航能力。因此，上述扑翼机构能够通过控制器的主动控制实现内段扑翼和外段扑翼之间的折叠，通过被动方式实现外段翼中和外段翼尖之间的扭转，这两种措施结合提高了气动力利用效率和飞行稳定性，实现了扑翼机多维度的空间运动；并且扑翼机构可以在飞行过程中进行实时控制，及时调换运动姿态，能够有效地针对各种外界环境或者飞行要求，提高仿鸟扑翼机的适用性。

附图说明

图1为本发明扑翼机构的立体结构示意图；

图2为图1中扑翼机构另一侧的结构示意图；

图3为图1中扑翼机构的一种状态示意图；

图4为内段扑翼与扑翼转换机构的结构示意图；

图5为外段扑翼的结构示意图；

图6为合页的结构示意图。

其中，1-内段扑翼，2-外段扑翼，3-人工羽毛，4-扑翼曲柄，5-扑翼摇杆，6-扑翼活动板，7-转轴，8-销轴，9-驱动电机，10-主动齿轮，11-从动齿轮，21-外段翼中，22-外段翼尖，23-合页，231-第一连接块，232-第二连接块，233-楔形空间。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种仿鸟扑翼机，该仿鸟扑翼机包括扑翼机构，扑翼机构形成仿鸟扑翼机的扑翼，用于通过扑翼机构实现飞行；如图1和图2结构所示，该扑翼机构包括内段扑翼1、外段扑翼2、扑翼转换机构、人工羽毛3、驱动机构以及控制器；该扑翼机构通过控制内段扑翼1和外段扑翼2完成折叠功能；

内段扑翼1的一端部固定连接于仿鸟扑翼机，另一端部通过扑翼转换机构连接外段扑翼2；如图1所示，内段扑翼1的左端部用于固定连接仿鸟扑翼机的舵机（图中未示出），通过舵机控制整个扑翼的动作，内段扑翼1的右端部通过扑翼转换机构的扑翼活动板6连接外段扑翼2的左端部；内段扑翼1的左端部为翼根部分，外段扑翼2的右端部为翼尖部分；

驱动机构固定安装于内段扑翼1，并与扑翼转换机构传动连接，用于驱动扑翼转换机构对外段扑翼2进行收折，以使外段扑翼2与内段扑翼1之间产生相位角；控制器与驱动机构信号连接，用于控制驱动机构运转；驱动机构包括与控制器信号连接的驱动电机9和传动机构；驱动电机9固定安装于内段扑翼1朝向外段扑翼2的一端部，并通过传动机构与转轴7传动连接；传动机构可以为齿轮传动机构，也可以为其它类型的传动机构。驱动电机9由控制器控制运转。

扑翼转换机构可以包括依次转动连接的扑翼曲柄4、扑翼摇杆5以及扑翼活动板6；扑翼曲柄4的一端部通过转轴7转动安装于内段扑翼1，另一端与扑翼摇杆5的一端部转动连接；转轴7能够转动地安装于内段扑翼1；扑翼曲柄4的一端部与转轴7同轴固定连接，通过转轴7接收驱动机构的驱动力；扑翼曲柄4能够以转轴7的轴心线为旋转轴7相对内段扑翼1转动；扑翼摇杆5的另一端部通过销轴8连接于扑翼活动板6的顶端中部，销轴8固定安装于扑翼活动板6，扑翼摇杆5与销轴8同轴转动连接，使得扑翼摇杆5能够以销轴8为中心转动；扑翼活动板6的一端与内段扑翼1的外端部转动连接，另一端与外段扑翼2的内端部固定连接；驱动机构与转轴7之间传动连接，用于驱动转轴7转动并通过扑翼曲柄4和扑翼摇杆5驱动外段扑翼2摆动；

当传动机构为齿轮传动机构时，如图4结构所示，齿轮传动机构包括主动齿轮10和从动齿轮11，主动齿轮10和从动齿轮11可以为圆形齿轮或锥形齿轮；主动齿轮10固定安装于驱动电机9的电机轴；从动齿轮11固定安装于转轴7，从动齿轮11与转轴7同轴固定；主动齿轮10与从动齿轮11啮合；传动机构将驱动电机9产生的动力传递至扑翼曲柄4，扑翼曲柄4旋转后带动扑翼摇杆5做往复运动，扑翼摇杆5带动扑翼活动板6绕内段扑翼1和扑翼活动板6的连接处做往复旋转运动；扑翼活动板6做往复运动时，带动外段扑翼2同时运动，实现外段扑翼2与内段扑翼1之间的相位差；在扑翼曲柄4和扑翼摇杆5的作用下，扑翼活动板6能够绕其与内段扑翼1的连接轴中心做往复旋转运动，旋转相位角可以为左右各45°；如图3结构所示，此时在扑翼转换机构的作用下，外段扑翼2与内段扑翼1之间形成一定相位角；

人工羽毛3固定安装于内段扑翼1和外段扑翼2的下侧，用于为仿鸟扑翼机的飞行提供升力；内段扑翼1和外段扑翼2均开设有凹槽；人工羽毛3可调节方向地嵌入凹槽内，并通过粘接剂粘接固定；人工羽毛3与凹槽之间的间隙填充有泡沫型材质。如图4所示，凹槽开设于内段扑翼1和外段扑翼2的下侧。

如图5结构所示，外段扑翼2采用拼接结构，包括外段翼中21和外段翼尖22；外段翼中21和外段翼尖22通过合页23活动连接，并且外段翼尖22与外段翼中21之间的相位角为5-10°；如图6结构所示，合页23包括转动连接的第一连接块231和第二连接块232；在第一连接块231和第二连接块232之间具有楔形空间233，通过楔形空间233实现外段翼中21与外段翼尖22之间的扭转；第一连接块231与外段翼中21固定连接；第二连接块232与外段翼尖22固定连接。外段翼中21和外段翼尖22处于同一水平位置，通过合页23分别固定连接外段翼中21和外段翼尖22；合页23通过第一连接块231与第二连接块232之间的楔形空间233使得中心接触面具有一定夹角，合页23一端部可以绕自身中心轴线做旋转运动，并带动固定连接于两端部的外段翼中21和外段翼尖22做往复旋转运动。

上述扑翼机构应用于仿鸟扑翼机，利用驱动机构产生的动力驱动扑翼转换机构动作，通过扑翼转换机构能够使内段扑翼1与外段扑翼2产生相位差，从而完成扑翼的折叠与伸展，配合扑翼的扑动能够实现多自由度的运动，将扑翼运动从平面维度拓展到空间维度，在扑动过程中，外段扑翼2可根据不同的运动过程产生不同的形态变化；人工羽毛3的角度和顺序可以调节，并嵌入外段扑翼2与内段扑翼1的下侧，有效地提高了气动效率和仿生度，从而提升仿鸟扑翼机的能源利用效率和续航能力。并且扑翼机构可以在飞行过程中进行实时控制，及时调换运动姿态，能够有效地针对各种外界环境或者飞行要求，提高仿鸟扑翼机的适用性。

上述扑翼机构能够通过控制器的主动控制实现内段扑翼1和外段扑翼2之间的折叠，通过被动方式实现外段翼中21和外段翼尖22之间的扭转，这两种措施结合提高了气动力利用效率和飞行稳定性，实现了扑翼机多维度的空间运动。

人工羽毛3的安装原理为：内段扑翼1和外段扑翼2的内部开设凹槽，凹槽从扑翼的一端部贯穿到另一端部，并具有一定深度；凹槽内部可以预先填充柔性泡沫，人工羽毛3可以根据需要，进行一定方向、密度、顺序的排列，依次嵌入到凹槽内部，再使用粘接剂固定。上述人工羽毛3的安装，通过凹槽限制和固定人工羽毛3，同时人工羽毛3的嵌入方向及密度可以进行设计和调整，使其更适合扑翼机飞行，因此，上述安装过程，使由人工羽毛3制成的扑翼能够契合仿鸟扑翼机，使扑翼安装能够基于不同大小的扑翼机进行调整，提高了扑翼机的仿生程度，有效提高飞行稳定性。

上述扑翼机构的内段扑翼1、外段翼中21和外段翼尖22做扑翼运动时，将完成由上向下、由下向上的往复型扑动运动，升力与阻力将分别作用于扑翼机构的下方和上方；当扑翼向下扑动时受到升力向上，外段翼中21和外段翼尖22受到向上的作用力，在合页23的约束下，外段翼尖22将相对于外段翼中21向上运动，直至合页23的旋转极限位置，扑翼完全展开，在升力的持续下，外段翼尖22和外段翼中21将维持该运动姿态，在此姿态下，扑翼的受力面积更大，更有利于获取更大的升力；当扑翼由下向上扑动时，受到扑翼上方阻力，阻力作用于扑翼上表面向下，外段翼中21和外段翼尖22受到向下作用力。在合页23的约束下，外段翼尖22将相对于外段翼中21向下运动，直至合页23的旋转极限位置，扑翼略微弯曲，在阻力的持续下，外段翼尖22和外段翼中21将维持该运动姿态，在此姿态下，扑翼的受力面积减小，气流更容易通过弯曲向下的扑翼，从而减小阻力。

上述仿鸟扑翼机的扑翼弯曲-伸展功能通过合页23的第一连接块231和第二连接块232之间的接触面的夹角实现，使得外段翼中21与外段翼尖22之间能够实现一定相位角的往复运动；根据飞行过程中的不同情况，受到升力或阻力，外段扑翼2将完成弯曲、伸展姿态的转变；因此，上述扑翼弯曲-伸展功能实现了仿鸟扑翼结构的高仿生性，减小了空气阻力，提高了气动效率，从而能够提升扑翼机的能源利用效率以及续航能力。

实施例二

本实施例提供了一种上述扑翼机构的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

步骤一，驱动机构将动力通过传动结构传输至扑翼曲柄4，扑翼曲柄4带动扑翼摇杆5运动；

步骤二，外段扑翼2收缩-展开过程中，外段扑翼2固定连接于扑翼活动板6的一端部，扑翼活动板6的另一端部与扑翼摇杆5活动连接，扑翼活动板6受到扑翼摇杆5驱动后，带动外段扑翼2做往复运动，由初始时刻与内段扑翼1平行的姿态转变为与内段扑翼1具有相位差的姿态；

步骤三，外段扑翼2和内段扑翼1在扑翼机作用下上下扑动过程中，扑翼机构下扑时，外段翼尖22与外段翼中21受力向上，扑翼展平，扩大受力面，扑翼上收时，外段翼尖22与外段翼中21受力向下，扑翼弯曲，减小受力面，降低阻力。

实施例三

本实施例提供了一种上述扑翼机构的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

步骤一，根据扑翼机大小及功能需求，设计人工羽毛3的插入角度、密度、顺序，并将人工羽毛3一次嵌入内段扑翼1和外段扑翼2中，进行固定处理；

步骤二，扑翼机构在扑翼机的控制下，进行上下扑动；

步骤三，扑翼收缩过程中，扑翼曲柄4、扑翼摇杆5和扑翼活动板6依次旋转连接，与转轴7同轴固定的从动齿轮11接收驱动机构的动力，驱动扑翼曲柄4转动，并带动扑翼活动板6做往复旋转运动，固定在扑翼活动板6端部的外段扑翼2受牵引而做往复旋转运动，外段扑翼2与内段扑翼1之间形成相位差，达到折叠的功能；

步骤四，扑翼在上下扑动时，外段扑翼2将根据运动情况转换飞行姿态；扑翼由上向下扑动时，外段扑翼2受升力，在合页23的限制下，外段翼尖22将相对于外段翼中21向上运动，扑翼完全展平，扩大受力面积；扑翼由下向上扑动时，外段扑翼2受阻力，在合页23的限制下，外段翼尖22将相对于外段翼中21向下运动，扑翼进行一定弯曲，减小受力面积以降低阻力。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种仿鸟扑翼机的扑翼机构的使用方法，其特征在于，所述扑翼机构包括内段扑翼、外段扑翼、扑翼转换机构、人工羽毛、驱动机构以及控制器；

所述内段扑翼的一端部固定连接于仿鸟扑翼机，另一端部通过所述扑翼转换机构连接所述外段扑翼；

所述驱动机构固定安装于所述内段扑翼，并与所述扑翼转换机构传动连接，用于驱动所述扑翼转换机构对所述外段扑翼进行收折，以使所述外段扑翼与所述内段扑翼之间产生相位角；

所述控制器与所述驱动机构信号连接，用于控制所述驱动机构运转；

所述人工羽毛固定安装于所述内段扑翼和所述外段扑翼的下侧，用于为仿鸟扑翼机的飞行提供升力；

所述扑翼转换机构包括扑翼曲柄、扑翼摇杆以及扑翼活动板；

所述扑翼曲柄的一端部通过转轴转动安装于所述内段扑翼，另一端与所述扑翼摇杆的一端部转动连接；

所述扑翼摇杆的另一端部通过销轴连接于所述扑翼活动板的顶端中部；

所述扑翼活动板的一端与所述内段扑翼的外端部转动连接，另一端与所述外段扑翼的内端部固定连接；

所述驱动机构与所述转轴之间传动连接，用于驱动所述转轴转动并通过所述扑翼曲柄和所述扑翼摇杆驱动所述外段扑翼摆动；

所述外段扑翼采用拼接结构，包括外段翼中和外段翼尖；

所述外段翼中和所述外段翼尖通过合页活动连接，并且所述外段翼尖与所述外段翼中之间的相位角为5-10°；

所述合页包括转动连接的第一连接块和第二连接块；

在所述第一连接块和所述第二连接块之间具有楔形空间；

所述第一连接块与所述外段翼中固定连接；

所述第二连接块与所述外段翼尖固定连接；

使用方法包括以下步骤：

步骤一，驱动机构将动力通过传动结构传输至扑翼曲柄，扑翼曲柄带动扑翼摇杆运动；

步骤二，外段扑翼收缩-展开过程中，外段扑翼固定连接于所述扑翼活动板的一端部，扑翼活动板的另一端部与扑翼摇杆活动连接，扑翼活动板受到扑翼摇杆驱动后，带动外段扑翼做往复运动，由初始时刻与内段扑翼平行的姿态转变为与内段扑翼具有相位差的姿态；

步骤三，外段扑翼和内段扑翼在扑翼机作用下上下扑动过程中，扑翼机构下扑时，外段翼尖与外段翼中受力向上，扑翼展平，扩大受力面，扑翼上收时，外段翼尖与外段翼中受力向下，扑翼弯曲，减小受力面，降低阻力。

2.如权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机和传动机构；

所述驱动电机固定安装于所述内段扑翼朝向所述外段扑翼的一端部，并通过所述传动机构与所述转轴传动连接。

3.如权利要求2所述的使用方法，其特征在于，所述传动机构为齿轮传动机构；

所述齿轮传动机构包括主动齿轮和从动齿轮；所述主动齿轮固定安装于所述驱动电机的电机轴；所述从动齿轮固定安装于所述转轴；所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合。

4.如权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述内段扑翼和所述外段扑翼均开设有凹槽；

所述人工羽毛可调节方向地嵌入所述凹槽内，并通过粘接剂粘接固定。

5.如权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述人工羽毛与所述凹槽之间的间隙填充有泡沫型材质。

6.一种仿鸟扑翼机，其特征在于，包括采用如权利要求1-5中任意一项所述的使用方法的扑翼机构。