CN202138538U - 一种圆柱凸轮扑翼驱动机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种圆柱凸轮扑翼驱动机构，将电机固接于机架，并驱动齿轮减速器的主动齿轮，齿轮减速器的从动齿轮与传动轴同轴固接；机架上固接有平行于传动轴的导轨，导轨内安装一根可以滑动的连杆，连杆一端铰接可滑动片，另一端固接支柱；圆柱凸轮同轴固连在传动轴外侧，圆周面上缠绕有一圈或多圈周期曲线的凸轮槽，可动滑片能在凸轮槽中滑动；摇杆机构包括两个摇臂，其中部与固接于导轨两侧的摇臂轴铰接，摇臂一端有滑槽，支柱可沿滑槽往复滑动，另一端与扑翼翼梁连接。本实用新型能够实现复杂的平面扑动形式，结构简单，重量轻，可靠性高，不需要复杂的控制，适合应用于微型扑翼飞行器。

Description

一种圆柱凸轮扑翼驱动机构

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构，能够应用于微型扑翼飞行器。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，它具有体积小、重量轻、使用灵活、效率高等优势，如果搭载传感器和相关的数据传输和飞行控制系统，形成微型扑翼无人机平台，就会具有广阔的应用前景。围绕这一课题，各国已研制出可控飞行的扑翼飞行器，其中较成功的有美国Aero Vironment公司与加利福尼亚大学合作的“Microbat”以及荷兰Delft大学的“Delfly”等，但这些扑翼飞行器距离实用无人机系统的飞行器平台都有一定的距离。

目前的扑翼扑动规律无法较为精准的模拟鸟类飞行状态是扑翼飞行器难以用于无人机系统的重要原因之一。扑翼驱动机构常用的动力装置多为高速旋转的电机或热机，通过齿轮组或类似机构进行减速，再通过四连杆等类似机构将旋转运动转变为一定幅度的上下扑动运动。由于机构的固有特性，左右扑翼具有一定的不对称度，而且由旋转运动转变的上下扑动的运动规律通常都是正弦函数，扑翼位于扑动的上下极限位置时加速度最大，产生急停急起的作用，产生的惯性力较大，对扑翼飞行器的飞行和扑翼驱动机构本身都有不利的影响：扑翼驱动机构承受的交变载荷较大，影响机构的可靠性和使用寿命；扑翼飞行器受惯性力的影响会产生较强烈的周期性浮沉运动和俯仰运动，影响飞行稳定性和飞行器的总体性能。因此，为了提高扑翼飞行器的使用价值，希望扑翼驱动机构能实现更合适的扑动规律，使扑动过程中的加速度变化更加平缓。

另外，研究表明，整个扑翼扑动周期中只有下扑过程产生有用的升力和大部分推力，而扑翼上扑过程的气动力对于飞行意义不大。因此，鸟类飞行扑翅过程中常常是下扑时翅膀展平获得最大的升力和推力，而在上扑时通过折叠和收缩翅膀、收起飞羽等调节动作减小翅膀的投影面积，从而减弱上扑过程对飞行的不利影响。现有的扑翼飞行器的扑翼驱动机构大多实现的是上下运动对称的扑动规律，不利于提高扑翼飞行器的气动效率。研究人员通过改变扑翼的结构，使其能够通过扑翼驱动机构进行主动的折叠和伸展来模仿鸟类的扑翅规律，这类方法的不足之处是增加了扑动机构的复杂程度，降低了机构可靠性，同时增加了扑翼的质量和惯性力，也不利于飞行的稳定性；研究人员还尝试通过在扑翼上加装由弹性材料制作的“关节”使扑翼能在扑动过程中受气动力作用被动的折叠和伸展来模仿鸟类的扑翅规律，这类方法的不足之处是，弹性材料的刚性难以与扑翼变形的难以匹配，在不同的扑动频率下，弹性材料“关节”所需的变形量和变形速度也不尽相同，弹性材料不能根据扑动频率的变化实现调整，也就使弹性材料“关节”的作用打了折扣，在一些极端情况下，弹性材料“关节”甚至会出现下扑折叠，上扑展平的现象，产生反作用；也有研究人员通过控制扑翼驱动机构动力装置的输出规律实现上扑和下扑运动的速度差异以提高整个扑动周期的总体气动效率，这类方法的不足是需要给扑翼驱动机构附加复杂的控制元件和反馈控制系统，增加了扑翼驱动机构的制造难度和成本。

发明内容

为了克服现有技术气动效率不高或者需要复杂的控制元件和反馈控制系统的不足，本发明提供一种圆柱凸轮扑翼驱动机构，能够简单可靠的实现复杂的平面扑动规律，适合微型扑翼飞行器的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包含机架、电机、齿轮减速器、圆柱凸轮和摇杆机构。电机固接于机架，并驱动齿轮减速器的主动齿轮，齿轮减速器的从动齿轮与传动轴同轴固接。机架上固接有平行于传动轴的导轨，导轨内安装一根可以滑动的连杆，连杆一端铰接可滑动片，另一端固接一根支柱。圆柱凸轮同轴固连在传动轴外侧，圆周面上缠绕有一圈或多圈周期曲线的凸轮槽，周期曲线的一阶导数连续，可动滑片能在凸轮槽中滑动。摇杆机构包括两个摇臂，其中部与固接于导轨两侧的摇臂轴铰接，摇臂一端有滑槽，支柱可沿滑槽往复滑动，另一端与扑翼翼梁连接。

所述机架为左右对称的整体结构，底面有一号传动轴孔，中部有与一号传动轴孔同轴的二号传动轴孔，均位于机架的对称平面内。机架有垂直于底面的导轨，导轨内装有一根平行于导轨并可在导轨内滑动的连杆，导轨上两侧有左右对称的摇臂轴孔。机架安装于扑翼飞行器机身结构。

所述的电机采用直流无刷电机，固接于机架，其枢轴与齿轮减速器主动齿轮固接，传动轴穿过一号传动轴孔和二号传动轴孔与机架铰接，与从动齿轮固接，主动齿轮与从动齿轮啮合形成齿轮减速器。

一号传动轴孔和二号传动轴孔之间有同轴固连于传动轴的圆柱凸轮，凸轮槽形成于其圆周面，凸轮槽的工作廓线为在凸轮圆周面缠绕一圈或多圈的周期曲线，周期曲线在圆柱凸轮上缠绕的圈数决定了圆柱凸轮旋转一周时可动滑片上下运动的次数，若周期曲线在圆柱凸轮上缠绕多圈，则凸轮机构具有减速作用。所述周期曲线的一阶导数连续，避免可动滑片沿凸轮槽运动过程中出现卡死现象。可动滑片安装在所述导轨内的连杆下端，与连杆铰接，能在所述凸轮槽中滑动，可动滑片横截面形状为纺锤形，具体形状使可动滑片沿凸轮槽滑动过程中不因凸轮槽方向改变而发生卡死。可动滑片与凸轮接触的端头为内凹的圆弧，圆弧半径略大于凸轮槽底半径，使可动滑片在凸轮槽内滑动时不在凸轮直径方向发生运动干涉。若周期曲线在凸轮上缠绕的过程中从不同的方向通过同一位置，那么凸轮槽在这个位置就会形成可动滑片有多个可能运动方向的无约束区，在此情况下，可动滑片宽度大于所述无约束区的宽度。限定可动滑片宽度和横截面形状是为了在周期曲线缠绕多圈的情况下可动滑片以较高速度通过无约束区是能够迅速正确的进入凸轮槽的下一段约束区。限定可动滑片端头形状和尺寸是为了增加可动滑片与凸轮槽的接触面积，提高机构运行的稳定性，减小振动。

所述摇杆机构有两个摇臂，其中部与固接于摇臂轴孔的摇臂轴铰接。摇臂内侧有滑槽，固连于所述连杆上端的支柱可沿滑槽往复滑动。以摇臂轴为界，摇臂内侧滑槽部分横截面小于外侧横截面，使两摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离，采用这种摇臂形状是为了避免机构运行过程中两摇臂发生运动干涉，从而使两摇臂在前后方向上的距离可以更小，减小整个机构前后方向的尺寸。摇臂外侧部分有盲孔，与扑翼翼梁插接。

本发明的有益效果是：

本发明运行时，由电机驱动减速器主动齿轮，带动减速器从动齿轮转动，从动齿轮带动同轴固连的圆柱凸轮转动，圆柱凸轮通过可动滑片带动连杆按凸轮槽中线轨迹的形状在导轨中上下运动，连杆另一端的支柱在摇臂滑槽中往复运动，带动两摇臂左右对称的上下扑动，从而驱动扑翼。

本发明通过圆柱凸轮机构与摇杆机构配合，完成了由电机输出的旋转运动到摇臂上下扑动的运动变化。由于左右摇臂在同一个支柱作用下进行运动，因此扑动具有很高的对称度，有助于提高应用本发明的扑翼飞行器的稳定性。

本发明圆柱凸轮的凸轮槽轨迹由周期曲线形成，对轨迹限制较少，可以根据扑动规律的需要设计周期曲线。具体的方法是，首先根据扑动规律确定摇臂的运动规律，按照运动学分析方法确定连杆的上下运动随时间变化规律并绘制曲线，检查曲线一阶导数的连续性。由于在电机转速一定的情况下，凸轮是匀速转动，因此只要将绘制的曲线缠绕在凸轮上形成首尾相接的工作廓线即可获得实现预设扑动规律的圆柱凸轮。由此，本发明能够实现使摇臂实现下扑快上扑慢，加速度平缓变化和扑动滑翔复合等比较复杂的平面扑动形式，同时结构简单，重量轻，可靠性高，不需要复杂的控制，适合应用于微型扑翼飞行器。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为圆柱凸轮缠绕周期曲线示意图；

图3为凸轮槽交叉无约束区示意图；

图4为可动滑片示意图；

图5为连杆摇臂示意图；

图中：1-机架，1A-一号传动轴孔，1B-二号传动轴孔，2-电机，3-主动齿轮，4-从动齿轮，5-圆柱凸轮，5A、5B-周期曲线，5’、5”-凸轮槽交叉无约束区，6-可动滑片7-连杆，7A-支柱，8、8’-摇臂，8A-盲孔。

具体实施方式

本发明的圆柱凸轮扑翼驱动机构，包含机架1、电机2、齿轮减速器、圆柱凸轮机构和摇杆机构。

所述机架1为硬铝合金数控加工制成的左右对称的整体结构，底面有一号传动轴孔1A和电机安装孔，两者轴线平行，均位于机架的对称平面内。机架有垂直于底面的导轨，导轨内装有一根平行于导轨并可在导轨内滑动的连杆7，导轨两侧有左右对称的摇臂轴孔，机架中部有与一号传动轴孔1A同轴的二号传动轴孔1B。机架的后方和上方有固定孔，通过螺钉或销子安装于扑翼飞行器机身的支撑隔框。

直流无刷电机2通过所述电机安装孔用螺钉安装于机架1，其枢轴从机架底部向下伸出与齿轮减速器主动齿轮3固接，传动轴穿过一号传动轴孔1A和二号传动轴孔1B与机架铰接，在机架1下方与从动齿轮4固接，主动齿轮3与从动齿轮4啮合形成齿轮减速器。齿轮减速器主动齿轮3由黄铜制成，从动齿轮4由POM工程塑料制成。齿轮减速器的减速比需要同圆柱凸轮机构的减速比结合考虑，两者的总减速比即为电机工作负载转速与扑翼设计扑动频率之比。

一号传动轴孔1A和二号传动轴孔1B之间有同轴固连于传动轴的圆柱凸轮5，由POM工程塑料制成。凸轮槽形成于其圆周面，由数控加工完成，凸轮槽的工作廓线为在凸轮圆周面缠绕一圈或多圈的周期曲线，周期曲线在圆柱凸轮上缠绕的圈数决定了圆柱凸轮旋转一周，可动滑片6上下运动的次数，若周期曲线在圆柱凸轮上缠绕多圈，则凸轮机构具有减速作用，如前所述，圆柱凸轮的减速比需要与齿轮减速器的减速比结合考虑。所述周期曲线的一阶导数连续。

可动滑片6安装在所述导轨内的连杆7下端，与连杆7铰接，能在所述凸轮槽中滑动，可动滑片6横截面形状为纺锤形，与凸轮接触的端头为内凹的圆弧，圆弧半径略大于凸轮槽底半径。若周期曲线在凸轮上缠绕的过程中从不同的方向通过同一位置，那么凸轮槽在这个位置就会形成可动滑片有多个可能运动方向的无约束区5’5”，在此情况下，可动滑片宽度大于所述无约束区的宽度。

所述摇杆机构有两个摇臂8、8’，由硬铝合金数控加工而成，其中部与固接于摇臂轴孔的摇臂轴铰接。摇臂8、8’内侧有滑槽，固连于所述连杆7上端的支柱7A可沿滑槽往复滑动。以摇臂轴为界，摇臂内侧滑槽部分横截面小于外侧横截面，使两摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离。摇臂外侧部分有盲孔8A，与扑翼翼梁插接。

通过设计周期曲线的形状可以实现所需扑动规律。具体的方法是，首先根据扑动规律确定摇臂的运动规律，按照运动学分析方法确定连杆的上下运动随时间变化规律并绘制曲线，检查曲线一阶导数的连续性。由于在电机转速一定的情况下，凸轮是匀速转动，因此只要将绘制的曲线缠绕在凸轮上形成首尾相接的工作廓线即可获得实现预设扑动规律的圆柱凸轮。图2所示的是两种不同周期的余弦曲线5A 5B，缠绕在凸轮上形成的凸轮槽能够实现摇臂的对称正弦规律上下扑动，不同的周期可以使电机同一转速下摇臂上下扑动的速度和加速度不同，调整周期曲线的幅值，可以改变摇臂上下扑动的幅度，不同的曲线形状，可以获得一个扑动周期内扑动速度不同的变化规律。

本发明运行时，由聚合物锂电池为直流无刷电机供电，受电机调速器控制的直流无刷电机2驱动减速器主动齿轮3，带动减速器从动齿轮4转动，从动齿轮4带动同轴固连的圆柱凸轮5转动，圆柱凸轮5通过可动滑片6带动连杆7按凸轮槽中线轨迹的形状在导轨中上下运动，连杆另一端的支柱7A在摇臂8、8’滑槽中往复运动，带动两摇臂左右对称的上下扑动，从而驱动扑翼。

Claims (5)

1.一种圆柱凸轮扑翼驱动机构，包括机架、电机、齿轮减速器、圆柱凸轮和摇杆机构，其特征在于：电机固接于机架，并驱动齿轮减速器的主动齿轮，齿轮减速器的从动齿轮与传动轴同轴固接；机架上固接有平行于传动轴的导轨，导轨内安装一根可以滑动的连杆，连杆一端铰接可滑动片，另一端固接一根支柱；圆柱凸轮同轴固连在传动轴外侧，圆周面上缠绕有一圈或多圈周期曲线的凸轮槽，周期曲线的一阶导数连续，可动滑片能在凸轮槽中滑动；摇杆机构包括两个摇臂，其中部与固接于导轨两侧的摇臂轴铰接，摇臂一端有滑槽，支柱可沿滑槽往复滑动，另一端与扑翼翼梁连接。

2.根据利用权利要求1所述的圆柱凸轮扑翼驱动机构，其特征在于：所述的机架为左右对称的整体结构，底面有一号传动轴孔，中部有与一号传动轴孔同轴的二号传动轴孔，均位于机架的对称平面内；机架有垂直于底面且位于机架的对称平面内的导轨，导轨内装有一根平行于导轨并可在导轨内滑动的连杆，导轨的两侧有左右对称的摇臂轴孔，机架安装于扑翼飞行器机身结构。

3.根据利用权利要求1所述的圆柱凸轮扑翼驱动机构，其特征在于：所述的电机采用直流无刷电机，固接于机架，其枢轴与齿轮减速器主动齿轮固接，传动轴穿过一号传动轴孔和二号传动轴孔与机架铰接，与从动齿轮固接，主动齿轮与从动齿轮啮合形成齿轮减速器。

4.根据利用权利要求1所述的圆柱凸轮扑翼驱动机构，其特征在于：所述的一号传动轴孔和二号传动轴孔之间有同轴固连于传动轴的圆柱凸轮，凸轮槽形成于其圆周面，凸轮槽的工作廓线为在凸轮圆周面缠绕一圈或多圈的周期曲线，周期曲线在圆柱凸轮上缠绕的圈数决定了圆柱凸轮旋转一周时可动滑片上下运动的次数，若周期曲线在圆柱凸轮上缠绕多圈，则凸轮机构具有减速作用；所述周期曲线的一阶导数连续，可动滑片安装在所述导轨内的连杆下端，能在所述凸轮槽中滑动，可动滑片横截面形状为纺锤形，具体形状使可动滑片沿凸轮槽滑动过程中不因凸轮槽方向改变而发生卡死；可动滑片与凸轮接触的端头为内凹的圆弧，圆弧半径略大于凸轮槽底半径，使可动滑片在凸轮槽内滑动时不在凸轮直径方向发生运动干涉；若周期曲线在凸轮上缠绕的过程中从不同的方向通过同一位置，那么凸轮槽在这个位置就会形成可动滑片有多个可能运动方向的无约束区，在此情况下，可动滑片宽度大于所述无约束区的宽度。

5.根据利用权利要求1所述的圆柱凸轮扑翼驱动机构，其特征在于：所述的摇臂中部与固接于摇臂轴孔的摇臂轴铰接，以摇臂轴为界，摇臂内侧滑槽部分横截面小于外侧横截面，使两摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离，摇臂外侧部分有盲孔，与扑翼翼梁插接。

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