CN209159998U - 一种仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种仿生扑翼飞行器，其包括机架，所述机架上设有传递电机旋转运动的齿轮和传动构件，所述机架的两侧分别设有内翼、外翼、内翼扭转机构、内翼驱动机构和外翼驱动机构，所述机架的后部连接尾翼，所述齿轮通过传动构件与内翼连接，所述外翼驱动机构与外翼连接；所述内翼包括内翼上杆和内翼下杆，所述内翼上杆、内翼下杆与外翼铰接；所述内翼驱动机构通过内翼扭转机构与内翼上杆连接。采用本实用新型的技术方案，实现扑动、折叠及内外翼的自主俯仰，能够同时实现上下扑动和展向上的折曲运动，更加真实的模拟了大型鸟类飞行时翅膀的运动，有助于提高飞行器的升力、推力等气动性能；结构简单，传动平稳，便于制造，成本低。

Description

一种仿生扑翼飞行器

技术领域

本实用新型涉及一种飞行器，尤其涉及一种仿生扑翼飞行器。

背景技术

微型扑翼飞行器是一类无人驾驶的飞行器，它是模拟鸟类、蝙蝠和昆虫等自然生物的飞行特性，以达到最大的飞行效率和机动性。

根据数十年来国内外研究者对多种鸟类飞行动态图像的观察测量，并提取其共性特征，将大鸟的扑动分为三个阶段①下扑阶段：飞羽紧闭，整个翼面成为一张基本不透气的面，翅膀略下倾，气流相对翼剖面成正攻角，在翼面上产生向上升力和朝前的推进力；②停留阶段：鸟翼稍作停顿，并调整翅膀姿势和飞羽的排列，为翅翼的上扑作准备；③上扑阶段：飞羽散开，上下翼面间形成许多缝隙，鸟翼略上倾，气流相对鸟翼剖面的攻角在内段为正，外段为负，这样在翼面内、外段部分上产生相反的升力和推进力。

目前已有的扑翼机构主要有以下几种：（1）只能实现上下扑动的仿生扑翼飞行器，目前大多数的小型扑翼飞行器采用这种方式；（2）能实现上下扑动及扭转运动的仿生扑翼机构，即是单段翅附带有翅翼的扭转运动；（3）能实现上下扑动及折叠运动的仿生扑翼机构，即是多段翅的运动方式，这种常用于尺寸较大的仿鸟扑翼飞行器；（4）能实现上下扑动及折叠运动的同时，可以实现部分翅膀的整体俯仰的仿生运动，此种机构可以模拟真实鸟类在扑动时攻角上的变化。但是目前，目前的两段式的扑翼机构还不能同时实现上下扑动和展向上的折曲运动，飞行的气动性能还有待提高。

实用新型内容

针对以上技术问题，本实用新型公开了一种仿生扑翼飞行器，能够同时实现上下扑动和展向上的折曲运动，具有更好的飞行效率和最佳的气动性能。

对此，本实用新型的技术方案为：

一种仿生扑翼飞行器，其包括机架，所述机架上设有传递电机旋转运动的齿轮和传动构件，所述机架的两侧分别设有内翼、外翼、内翼扭转机构、内翼驱动机构和外翼驱动机构，所述机架的后部连接尾翼，所述齿轮通过传动构件与内翼连接，所述外翼驱动机构与外翼连接；所述内翼包括内翼上杆和位于内翼上杆下方的内翼下杆，所述内翼上杆、内翼下杆分别与外翼铰接；所述内翼驱动机构通过内翼扭转机构与内翼上杆连接。

采用此技术方案，飞行器能在上下扑动的同时实现折叠运动，实现翅膀的俯仰运动沿展向扭转角非线性变化，而且内外翼分开控制，可以更方便实现想要的组合扭转运动；而且传动平稳，便于制造，成本低。

内翼和外翼铰接，实现上下扑动时翅膀的折叠运动；通过内翼扭转机构带动内翼扭转，从而通过内翼上杆和内翼下杆与外翼的铰接件，带动外翼的扭转，同时使得所述外翼的扭转角度大于内翼的扭转角度，实现翅翼弦向上的非线性扭转变化，靠近翼尖处扭转幅度越大，越靠近翼根处幅度越小。

作为本实用新型的进一步改进，所述内翼扭转机构包括内翼扭转杆和扭转支撑杆，所述内翼驱动机构与内翼扭转杆连接，所述内翼扭转杆与扭转支撑杆连接，所述扭转支撑杆与内翼上杆连接。

进一步的，所述内翼驱动机构设在内翼扭转机构中。更进一步的，所述内翼驱动机构设在内翼扭转杆的一端。

采用此技术方案，将内翼驱动机构安装在扭转机构中，通过控制内翼驱动机构、外翼驱动机构的扭转运动就可以实现内外翼的俯仰运动，实现外翼扭转角度比内翼的扭转角度要大。

作为本实用新型的进一步改进，所述内翼驱动机构包括内翼舵机，所述内翼舵机通过内翼舵机摇臂与内翼扭转杆连接；所述外翼驱动机构包括外翼舵机，所述外翼舵机通过外翼舵机摇臂与外翼连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述外翼包括外翼杆，所述内翼上杆、内翼下杆通过连接夹板与外翼杆铰接，所述外翼舵机通过舵机基座固定在内、外翼连接处，并通过舵机摇臂与外翼杆连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述内翼上杆、内翼下杆和外翼的铰接角度为65~80°。进一步的，所述铰接角度为75°。采用此技术方案，内翼和外翼通过特殊角度的铰接，实现更好的上下扑动的同时，翅膀实现折叠运动。

作为本实用新型的进一步改进，所述传动构件包括曲柄和连杆，所述曲柄固定在齿轮上，并通过连杆与内翼上杆、内翼下杆铰接。

作为本实用新型的进一步改进，所述齿轮上设有磁铁，机架上设有与磁铁位置对应的霍尔传感器模块。进一步的，永久磁铁固定在从动大齿轮上，霍尔传感器模块通过丝带固定在机架上。磁铁设在齿轮上，随着齿轮一起转动，根据霍尔传感器的输出高低电平可以监测机构的实时扑动位置，从而控制内外翼舵机实现相应的扭转运动，从而实现自动控制扑翼飞行器的内外攻角的变化。

作为本实用新型的进一步改进，所述尾翼包括尾翼连接件、尾翼拉杆机构和尾翼转向机构，尾部舵机与尾翼拉杆机构连接，所述尾翼拉杆机构通过尾翼连接件与尾翼转向机构连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述尾翼拉杆机构包括两个拉杆头连杆，所述两个拉杆头连杆的一端与尾翼连接件连接，所述两个拉杆头连杆的另一端与尾部舵机相连，将舵机运动传递到后方的尾翼转向机构上。

作为本实用新型的进一步改进，所述尾翼转向机构包括连接拉杆件、尾杆和拉杆头，所述尾翼连接件通过连接拉杆件与拉杆头连杆连接，所述尾杆位于尾翼连接件的尾部向后延伸；所述拉杆头连杆通过拉杆头与尾部舵机连接；所述连接拉杆件、尾杆分别通过长销与尾翼连接件连接。其原理是用两个长销来使得拉杆传递的运动只在水平和竖直两个自由度上，依靠这两个自由度的角度组合就可以控制尾翼得到所需的俯仰和偏航力矩。

作为本实用新型的进一步改进，所述尾翼连接件通过中间长杆、尾翼副杆与机架连接，主要是起联接尾翼结构与中间机架框架的作用，加强结构的稳定性。作为本实用新型的进一步改进，其包括翼型，所述翼型对称的设在两侧的内翼和外翼上；每侧的翼型包括五个骨架A1-A5，翼型A1、A2与内翼上杆、内翼下杆、内翼扭转杆连接，翼型A3-A5与外翼杆固定连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述齿轮包括五个依次咬合的齿轮，用来传递电机的旋转运动，第一齿轮为从动大齿轮。

进一步的，所述从动大齿轮上设有两个永久磁铁，在机架对应位置设有两个霍尔传感器模块。

作为本实用新型的进一步改进，内翼上杆、内翼下杆之间的距离为15~20mm。优选为17mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

第一，采用本实用新型的技术方案，实现扑动、折叠及内外翼的自主俯仰，能够同时实现上下扑动和展向上的折曲运动，更加真实的模拟了大型鸟类飞行时翅膀的运动，有助于提高飞行器的升力、推力等气动性能。结构简单，传动平稳，便于制造，成本低；机构能在上下扑动的同时实现折叠运动；能实现翅膀的俯仰运动沿展向扭转角非线性变化，内外翼分开控制，可以更方便实现想要的组合扭转运动。

第二，采用本实用新型的技术方案，在内翼扭转机构上安装驱动机构，由内翼驱动机构带动扭转杆实现俯仰运动，并通过内翼驱动机构、外翼驱动机构分别控制内翼和外翼，可以更方便实现想要的组合扭转运动，实现内外翼攻角的独立控制，从而实现扑翼飞行器下扑时气流相对翼型剖面形成正攻角，而上扑时内段攻角为正，外段为负。

第三，通过在齿轮上设置磁铁，在机架适当位置安装霍尔传感器模块，磁铁随着齿轮一起转动，根据霍尔传感器的输出高低电平可以监测机构的实时扑动位置，从而控制内外翼舵机实现相应的扭转运动，从而实现自动控制扑翼飞行器的内外攻角的变化。

附图说明

图1是本实用新型一种仿生扑翼飞行器的扑翼结构的示意图。

图2是本实用新型一种仿生扑翼飞行器的驱动机构的示意图。

图3是本实用新型一种仿生扑翼飞行器的内翼扭转机构的示意图。

图4是本实用新型一种仿生扑翼飞行器的内外翼铰接的示意图。

图5是本实用新型一种仿生扑翼飞行器的尾翼结构的示意图。

图6是本实用新型一种仿生扑翼飞行器的翼型骨架的示意图。

图7是本实用新型一种仿生扑翼飞行器的磁铁与霍尔传感器位置示意图。

附图标记包括：1-机架，2-齿轮，3-内翼，4-外翼，5尾翼，6-内翼舵机，7-外翼舵机，8-内翼扭转杆，9-扭转支撑杆，10-连接夹板，11-前夹板，12-后夹板，13-曲柄，14-连杆，15-永久磁铁，16-霍尔传感器模块，17-翼型；

21-从动大齿轮；31-内翼上杆，32-内翼下杆；41-外翼杆；

51-尾翼连接件，52-拉杆头连杆，53-尾部舵机，54-连接拉杆件，55-尾杆，56-拉杆头，57-长销，58-中间长杆，59-尾翼副杆。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

如图1~图4所示，一种仿生扑翼飞行器，其包括机架1，所述机架1上设有传递电机旋转运动的齿轮2和传动构件，所述机架1的两侧分别设有内翼3、外翼4、内翼扭转机构、内翼驱动机构和外翼驱动机构，所述机架1的后部连接尾翼5，所述齿轮2通过传动构件与内翼3连接，所述外翼驱动机构与外翼4连接；所述内翼3和外翼4铰接；所述内翼3包括内翼上杆31和位于内翼上杆31下方的内翼下杆32，所述内翼上杆31、内翼下杆32分别与外翼4铰接；所述内翼驱动机构通过内翼扭转机构与内翼上杆31连接。

如图3和图4所示，所述内翼扭转机构包括内翼扭转杆8和扭转支撑杆9，所述内翼驱动机构与内翼扭转杆8连接，所述内翼扭转杆8与扭转支撑杆9连接，所述扭转支撑杆9与内翼上杆31连接。所述内翼驱动机构设在内翼扭转机构中。进一步的，所述内翼驱动机构设在内翼扭转杆8的一端。采用此技术方案，内翼3的上下扑动平稳且扭矩大。

如图3和图4所示，所述内翼驱动机构包括内翼舵机6，所述内翼舵机6通过内翼舵机6摇臂与内翼扭转杆8连接；所述外翼驱动机构包括外翼舵机7，所述外翼舵机7通过外翼舵机7摇臂与外翼4连接。所述外翼4包括外翼杆41，所述内翼上杆31、内翼下杆32通过连接夹板10与外翼杆41铰接，所述外翼舵机7通过舵机基座固定在内、外翼4连接处，并通过舵机摇臂与外翼杆41连接。

进一步的，所述内翼上杆31、内翼下杆32和外翼4的铰接角度为65~80°。更进一步的，所述铰接角度为75°。采用此技术方案，内翼3和外翼4通过特殊角度的铰接，实现更好的上下扑动的同时，翅膀实现折叠运动。

进一步的，内翼上杆31、内翼下杆32之间的距离为15~20mm。优选为17mm。通过尺寸的巧妙设计，使得飞行器驱动电机的旋转运动更好的转化为翅膀的上下扑动。

进一步的，所述机架1包括前夹板11和后夹板12，所述前夹板11和后夹板12通过连接杆连接。

采用本实施例的技术方案，内翼、和外翼、通过特殊的铰接方式，实现上下扑动时伴随着翅膀的折叠运动。在内、外翼上分别安装舵机，由内翼舵机、带动扭转杆实现俯仰运动，内、外翼、分开控制，可以更方便实现想要的组合扭转运动；从而实现扑翼飞行器下扑时气流相对翼型、剖面形成正攻角，而上扑时内段攻角为正，外段为负；更加真实的模拟了大型鸟类飞行时翅膀的运动，有助于提高飞行器的升力、推力等气动性能。而且传动平稳，便于制造，成本低。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，所述传动构件包括曲柄13和连杆14，所述曲柄13固定在齿轮2上，并通过连杆14与内翼上杆31、内翼下杆32铰接。

如图7所示，所述齿轮2上设有永久磁铁15，机架1上设有与磁铁位置对应的霍尔传感器模块16。永久磁铁15设在齿轮2上，随着齿轮2一起转动，根据霍尔传感器的输出高低电平可以监测机构的实时扑动位置，从而控制内外翼舵机7实现相应的扭转运动，从而实现自动控制扑翼飞行器的内外攻角的变化。

进一步的，所述齿轮2包括五个依次咬合的齿轮2，用来传递电机的旋转运动，第一齿轮2为从动大齿轮21。所述从动大齿轮21上设有两个永久磁铁15，在机架1对应位置设有两个霍尔传感器模块16。

实施例3

在实施例2的基础上，如图5所示，所述尾翼5包括尾翼连接件51、尾翼5拉杆机构和尾翼5转向机构，尾部舵机53与尾翼5拉杆机构连接，所述尾翼5拉杆机构通过尾翼连接件51与尾翼5转向机构连接。所述尾翼5拉杆机构包括两个拉杆头连杆52，所述两个拉杆头连杆52的一端与尾翼连接件51连接，所述两个拉杆头连杆52的另一端与尾部舵机53相连，将舵机运动传递到后方的尾翼5转向机构上。所述尾翼5转向机构包括连接拉杆件54、尾杆55和拉杆头56，所述尾翼连接件51通过连接拉杆件54与拉杆头连杆52连接，所述尾杆55位于尾翼连接件51的尾部向后延伸；所述拉杆头连杆52通过拉杆头56与尾部舵机53连接；所述连接拉杆件54、尾杆55分别通过长销57与尾翼连接件51连接。其原理是用两个长销57来使得拉杆传递的运动只在水平和竖直两个自由度上，依靠这两个自由度的角度组合就可以控制尾翼5得到所需的俯仰和偏航力矩。

所述尾翼连接件51通过中间长杆58、尾翼5副杆与机架1连接，主要是起联接尾翼5结构与中间机架1框架的作用，加强结构的稳定性。

如图6所示，飞行器包括翼型17，所述翼型17对称的设在两侧的内翼3和外翼4上；每侧的翼型17包括五个骨架翼型A1-A5，翼型A1、A2与内翼上杆31、内翼下杆32、内翼扭转杆8连接，翼型A3-A5与外翼杆41固定连接。内翼3上的翼型A1和A2通过内翼舵机6控制绕内翼扭转杆8做小幅度的扭转运动，翼型A3-A5与外翼杆41之间用胶水固连，控制舵机带动外翼杆41和翼型17进行扭转运动，从而实现在翅膀不同的位置有不同的扭转角度的要求。

以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生扑翼飞行器，其特征在于：其包括机架，所述机架上设有传递电机旋转运动的齿轮和传动构件，所述机架的两侧分别设有内翼、外翼、内翼扭转机构、内翼驱动机构和外翼驱动机构，所述机架的后部连接尾翼，所述齿轮通过传动构件与内翼连接，所述外翼驱动机构与外翼连接；所述内翼包括内翼上杆和内翼下杆，所述内翼上杆、内翼下杆与外翼铰接；所述内翼驱动机构通过内翼扭转机构与内翼上杆连接。

2.根据权利要求1所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述内翼扭转机构包括内翼扭转杆和扭转支撑杆，所述内翼驱动机构与内翼扭转杆连接，所述内翼扭转杆与扭转支撑杆连接，所述扭转支撑杆与内翼上杆连接；所述内翼驱动机构设在内翼扭转机构中。

3.根据权利要求2所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述内翼驱动机构包括内翼舵机，所述内翼舵机通过内翼舵机摇臂与内翼扭转杆连接；所述外翼驱动机构包括外翼舵机，所述外翼舵机通过外翼舵机摇臂与外翼连接。

4.根据权利要求3所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述外翼包括外翼杆，所述内翼上杆、内翼下杆通过连接夹板与外翼杆铰接，所述外翼舵机通过舵机基座固定在内、外翼连接处，并通过舵机摇臂与外翼杆连接。

5.根据权利要求2所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述内翼上杆、内翼下杆和外翼的铰接角度为65~80°。

6.根据权利要求2所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：其包括翼型，所述翼型对称的设在两侧的内翼和外翼上；每侧的翼型包括五个骨架A1-A5，翼型A1、A2与内翼上杆、内翼下杆、内翼扭转杆连接，翼型A3-A5与外翼杆固定连接。

7.根据权利要求1所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述传动构件包括曲柄和连杆，所述曲柄固定在齿轮上，并通过连杆与内翼上杆、内翼下杆铰接。

8.根据权利要求1所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述齿轮上设有磁铁，机架上设有与磁铁位置对应的霍尔传感器模块。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼包括尾翼连接件、尾翼拉杆机构和尾翼转向机构，尾部舵机与尾翼拉杆机构连接，所述尾翼拉杆机构通过尾翼连接件与尾翼转向机构连接。

10.根据权利要求9所述的仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼拉杆机构包括两个拉杆头连杆，所述两个拉杆头连杆的一端与尾翼连接件连接，所述两个拉杆头连杆的另一端与尾部舵机相连，将舵机运动传递到后方的尾翼转向机构上；所述尾翼转向机构包括连接拉杆件、尾杆和拉杆头，所述尾翼连接件通过连接拉杆件与拉杆头连杆连接，所述尾杆位于尾翼连接件的尾部向后延伸；所述拉杆头连杆通过拉杆头与尾部舵机连接；所述连接拉杆件、尾杆分别通过长销与尾翼连接件连接；所述尾翼连接件通过中间长杆、尾翼副杆与机架连接，加强结构的稳定性。