CN201354146Y - 机械鸟的扑动机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可以模拟飞鸟展翅飞行的具有三自由度的扑动装置，采用曲柄齿轮摇杆复合机构，分别可以实现扑翼拍打、扭转和摆动的三自由度飞行运动。仿生飞鸟的拍翅飞行是人类古老飞行梦想之一，一直延续至今，在超小型飞行器方面，扑翼飞行方式有其独到的特点和优点，一种扑翼飞行器能否理想飞行，关键核心是其扑动装置。本实用新型结构紧凑，构造精巧，可以应用于各种机器飞鸟和各种超小型仿生扑翼飞行器。

Description

机械鸟的扑动机构

技术领域

本实用新型涉及仿生扑翼飞行机器人(俗称机器飞鸟)的扑动系统，尤其涉及一种机械鸟的扑动机构。

背景技术

扑翼的飞行方式广泛存在于自然界飞行生物的飞行之中，扑翼飞行囊括了固定翼飞行和旋翼飞行的优点，可以快速的起飞、加速和悬停，具有高度机动性和灵活性。飞行生物的飞行方式大致可以分为三类：低频率的扑动飞行，如许多大型鸟类(鹰、鹫、大雁、海鸥、天鹅等)，翼展较长较大，扑动频率较低，从零到数十赫兹不等，采用低频率的扑动和滑翔相结合的扑动形式；中频的扑动飞行，主要为体形中等的鸟类(如燕子、麻雀、鸽子等)，翅膀不太大，扑动频率相对较高，极少采用滑翔方式；高频的扑动飞行，这种飞行方式是采用频率极高、翅膀的运动规律复杂的扑翼形式，如蜂鸟及体形更小的鸟类和大多数昆虫，扑动频率约为60～80赫兹，能够在空中实现前进、后退、悬停和其它一些高难度的机动飞行。

超小型飞行器主要是尺寸大小介于无人飞机(一般10m以内)和微型飞行器(一般10cm以内)之间的一类飞行器，一般指外形尺寸在1m以内。在超小型飞行器方面，和固定翼布局相比，仿生扑翼在气动方面，优势非常明显，但是，仿生扑翼的布局首先给超小型飞行器的结构设计带来了极大的挑战，尤其是在扑翼的结构、材料以及运动机构的微小型化设计方面面临着较多的技术难题。扑动装置是仿生超小型飞行器中的核心组成部分，扑动装置的优劣将对超小型仿生飞行器产生极大的影响。另外，在超小型扑翼飞行器的扑动方式上，比较适合采用低频、中频扑动，也适合采用电机驱动。

自然界中飞鸟在飞行时翅膀的运动是三维的，存在着拍打、摆动和扭转，在设计扑动装置时，必须满足扑翼的这种运动方式。目前，在超小型扑翼飞行器方面，扑动装置采用的是一维的拍打运动，有些采用一维拍打运动结合飞行器尾部舵面控制，都没有实现真正意义上的扑翼三维飞行运动。在拍打运动方面，所采用的机构是曲柄连杆机构或者曲柄滑块机构。曲柄连杆机构存在着左右扑翼运动不严格对称的情况，增加了飞行的不稳定性，且提供的拍打力量不大。曲柄滑块机构高度方向尺寸较大，滑块机构不容易减小重量，也不容易提供较大的拍打力量，不太适合超小型飞行器对尺寸的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了提供一种机械鸟的扑动机构，主要是仿生飞鸟的低频、中频扑动飞行，它能够实现仿生飞鸟翅膀的拍打、扭转和摆动的三维飞行运动。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

机械鸟的扑动机构，其特征在于，该扑动机构主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成，所述的拍打系统包括支架8、支架24、摇杆29、摇杆30、齿轮23、齿轮35、曲柄26、曲柄33、销轴27、销轴32、轴7、轴18、轴25、轴34、轴36、轴10、轴16、齿轮9、齿轮17、齿轮11、齿轮15、齿轮13，电机5组成，电机5与齿轮13、齿轮11、齿轮9、齿轮23、齿轮15、齿轮17、齿轮35啮合连接，所述的曲柄26、摇杆29、曲柄33、摇杆30连接左右扑翼，驱动左右扑翼同步拍打运动；所述的扭转系统包括圆柱支架1、圆柱支架6，半圆柱环3，齿环2，齿轮14，电机12组成，电机12通过齿轮14、齿环2啮合连接左右扑翼，驱动左右扑翼同步扭转运动；所述的摆动系统包括基座19，圆柱环38，基座齿轮21，齿轮20，支撑22、支撑37，电机4组成，电机4通过齿轮20、齿轮21啮合连接左右扑翼，驱动左右扑翼协调摆动转向。

所述的电机5经过两条传动链，分别驱动左右扑翼。

所述的电机5经过两条传动链中的一条驱动右扑翼，其传动链是经过齿轮13、齿轮11、齿轮15啮合传动，齿轮15经过轴16与齿轮17固定连接，轴16通过圆柱副与支架8相连，齿轮17与齿轮35啮合传动，齿轮35、销轴32与曲柄33固定连接，齿轮35通过轴18与支架8经圆柱副相连，曲柄33通过轴32与支架24经圆柱副相连，销轴32可在滑槽31内滑动，驱动摇杆30上下拍打运动；所述的电机5经过两条传动链中的另一条驱动左扑翼，其传动链是经过齿轮13、齿轮11啮合传动，齿轮11经过轴10与齿轮9固定连接，轴10通过圆柱副与支架8相连，齿轮9与齿轮23啮合传动，齿轮23、销轴27与曲柄26固定连接，齿轮23通过轴7与支架8经圆柱副相连，曲柄26通过轴27与支架24经圆柱副相连，销轴27可在滑槽28内滑动，驱动摇杆29上下拍打运动。

所述的摇杆30、摇杆29通过轴36与支架8、支架24以圆柱副形式相连，齿轮15、齿轮11与齿轮17、齿轮9、齿轮23、齿轮35位于支架8的两侧，电机5固定在支架8、支架24上。

所述的齿环2与半圆柱环3固定连接，支架8、支架24固定在半圆柱环3上面，半圆柱环与圆柱支架1、圆柱支架6通过圆柱副相连，电机12固定在基座齿轮21上。

所述的圆柱支架1、圆柱支架6与大齿轮21固定连接，大齿轮21与圆柱环38固连，圆柱环38与基座19以圆柱副形式相连，电机4通过支撑37、支撑22与基座19固定。

与现有技术相比，本实用新型具有最显著特点是采用曲柄齿轮摇杆复合机构，左右扑翼严格对称，具有拍打、扭转和摆动三自由度的扑翼运动方式。目前现有技术采用的是一维的拍打运动，有些采用了拍打运动结合尾部的舵面来控制飞行，这些都没有实现真正意义的扑翼三维运动，而本实用新型的扑动装置实现了扑翼三自由度运动。另外拍打系统采用曲柄齿轮摇杆复合机构，比现有采用曲柄连杆机构，曲柄滑块机构的扑动装置更具有两翼扑动飞行同步对称性好，扑翼拍打力度大，扑翼拍打运动平稳等优点。

附图说明

图1为本实用新型机械鸟的扑动机构前上方结构示意图；

图2为本实用新型机械鸟的扑动机构后下方结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成。

拍打系统，拍打运动是最关键的运动，拍打运动是扑翼飞行器能否飞起来的决定性因素。本实用新型采用齿轮传动和曲柄摇杆机构相结合，即采用曲柄齿轮摇杆联合机构，左右两边对称布置，齿轮传动采用两级减速传动。齿轮传动实现两个目的，一是改变电机输出的转动方向，以便达到两摇杆的同步反向运动，即实现两翼同步上下运动；二是通过采用两级齿轮减速传动，以提高扭矩，实现增大拍打力度。两翼的主要拍打运动机构就是曲柄齿轮摇杆复合机构，两翼的曲柄齿轮摇杆机构对称布置，为了使两翼产生相同的运动，从而提高扑翼飞行器的飞行稳定性。

扭转系统，主要采用独立电机驱动，设计一个半圆柱环作为拍打系统的支架，支撑整个拍打系统，再设计两个圆柱支架作为半圆柱环支架，以圆柱副形式相连。设计一个齿圈与半圆柱环固连，电机通过与齿圈啮合传动扭转运动。

摆动系统，主要是产生两扑翼的协同摆动。设计一个大齿轮作为整个系统的支撑，支撑整个系统，该齿轮通过圆柱副与基座相连，电机通过齿轮啮合传动，提供摆动的动力。

只要控制系统协调控制好拍打，扭转和摆动的运动时序，就可以实现扑翼飞行器的复杂三维飞行运动。

本实用新型的一个优选实施例如图1、图2所示，机械鸟的扑动机构，其特征在于，该扑动机构主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成，所述的拍打系统包括支架8、支架24、摇杆29、摇杆30、齿轮23、齿轮35、曲柄26、曲柄33、销轴27、销轴32、轴7、轴18、轴25、轴34、轴36、轴10、轴16、齿轮9、齿轮17、齿轮11、齿轮15、齿轮13，电机5组成，电机5与齿轮13、齿轮11、齿轮9、齿轮23、齿轮15、齿轮17、齿轮35啮合连接，所述的曲柄26、摇杆29、曲柄33、摇杆30连接左右扑翼，驱动左右扑翼同步拍打运动；所述的扭转系统包括圆柱支架1、圆柱支架6，半圆柱环3，齿环2，齿轮14，电机12组成，电机12通过齿轮14、齿环2啮合连接左右扑翼，驱动左右扑翼同步扭转运动；所述的摆动系统包括基座19，圆柱环38，基座齿轮21，齿轮20，支撑22、支撑37，电机4组成，电机4通过齿轮20、齿轮21啮合连接左右扑翼，驱动左右扑翼协调摆动转向。

本实用新型是由三个电机4、电机12、电机5独立驱动，通过控制系统协调配合，控制扑动装置产生复杂的三维飞行运动。三自由度的运动如下：

拍打运动，即电机5通过齿轮13、齿轮11、齿轮15啮合传动，齿轮15经过轴16与齿轮17固连，轴16与支架8是圆柱副相连，齿轮17与齿轮35啮合，齿轮35通过销轴32与曲柄33固连，销轴32在滑槽31内滑动，从而使摇杆30产生上下拍打运动。电机5另一条传动链是通过齿轮13、齿轮11啮合传动，齿轮11经过轴10与齿轮9固定连接，轴10与支架8圆柱副相连，齿轮9与齿轮23啮合传动，齿轮23通过销轴27与摇杆26固连，销轴27在滑槽28内滑动，从而使摇杆29产生上下拍打运动。

扭转运动，电机12经过齿轮14，齿环2啮合，齿环2与整个拍打系统支撑半圆柱环3固连，使半圆柱环3在圆柱支座1、圆柱支座6内转动，从而带动两扑翼的同步扭转。

摆动运动，电机4通过齿轮20与基座齿轮21啮合，电机4通过支撑22、支撑37与基座齿轮固连，基座齿轮21作为整个系统的支架，通过圆柱38与底座19圆柱副相连，从而通过齿轮啮合传动就可以实现左右两扑翼协同摆动转向。

Claims (6)

1.机械鸟的扑动机构，其特征在于，该扑动机构主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成，所述的拍打系统包括支架(8)、支架(24)、摇杆(29)、摇杆(30)、齿轮(23)、齿轮(35)、曲柄(26)、曲柄(33)、销轴(27)、销轴(32)、轴(7)、轴(18)、轴(25)、轴(34)、轴(36)、轴(10)、轴(16)、齿轮(9)、齿轮(17)、齿轮(11)、齿轮(15)、齿轮(13)，电机(5)组成，电机(5)通过齿轮(13)、齿轮(11)、齿轮(9)、齿轮(23)、齿轮(15)、齿轮(17)、齿轮(35)啮合传动，经曲柄(26)摇杆(29)机构与曲柄(33)摇杆(30)机构驱动左右扑翼同步拍打运动；所述的扭转系统包括圆柱支架(1)、圆柱支架(6)，半圆柱环(3)，齿环(2)，齿轮(14)，电机(12)组成，电机(12)经齿轮(14)、齿环(2)啮合传动驱动左右扑翼同步扭转运动；所述的摆动系统包括基座(19)，圆柱环(38)，基座齿轮(21)，齿轮(20)，支撑(22)、支撑(37)，电机(4)组成，电机(4)经齿轮(20)、齿轮(21)啮合传动驱动左右扑翼协调摆动转向。

2.根据权利要求1所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的电机(5)经过两条传动链，分别驱动左右扑翼。

3.根据权利要求2所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的电机(5)经过两条传动链中的一条驱动右扑翼，其传动链是经过齿轮(13)、齿轮(11)、齿轮(15)啮合传动，齿轮(15)经过轴(16)与齿轮(17)固定连接，轴(16)通过圆柱副与支架(8)相连，齿轮(17)与齿轮(35)啮合传动，齿轮(35)、销轴(32)与曲柄(33)固定连接，齿轮(35)通过轴(18)与支架(8)经圆柱副相连，曲柄(33)通过轴(32)与支架(24)经圆柱副相连，销轴(32)可在滑槽(31)内滑动，驱动摇杆(30)上下拍打运动；所述的电机(5)经过两条传动链中的另一条驱动左扑翼，其传动链是经过齿轮(13)、齿轮(11)啮合传动，齿轮(11)经过轴(10)与齿轮(9)固定连接，轴(10)通过圆柱副与支架(8)相连，齿轮(9)与齿轮(23)啮合传动，齿轮(23)、销轴(27)与曲柄(26)固定连接，齿轮(23)通过轴(7)与支架(8)经圆柱副相连，曲柄(26)通过轴(27)与支架(24)经圆柱副相连，销轴(27)可在滑槽(28)内滑动，驱动摇杆(29)上下拍打运动。

4.根据权利要求3所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的摇杆(30)、摇杆(29)通过轴(36)与支架(8)、支架(24)以圆柱副形式相连，齿轮(15)、齿轮(11)与齿轮(17)、齿轮(9)、齿轮(23)、齿轮(35)位于支架(8)的两侧，电机(5)固定在支架(8)、支架(24)上。

5.根据权利要求1所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的齿环(2)与半圆柱环(3)固定连接，支架(8)、支架(24)固定在半圆柱环(3)上面，半圆柱环与圆柱支架(1)、圆柱支架(6)通过圆柱副相连，电机(12)固定在基座齿轮(21)上。

6.根据权利要求5所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的圆柱支架(1)、圆柱支架(6)与大齿轮(21)固定连接，大齿轮(21)与圆柱环(38)固连，圆柱环(38)与基座(19)以圆柱副形式相连，电机(4)通过支撑(37)、支撑(22)与基座(19)固定。