CN209870739U - 一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，属于扑翼飞行器技术领域。驱动模块在靠近机架前端的位置、且固定连接在中机架上；控制模块位于驱动模块后方、与后机架固定连接；两个扑翼扭转模块结构相同，对称分布在主机架的两侧、分别与前机架铰接，两个扑翼掠动模块对称分布在主机架的两侧、分别与两个扑翼扭转模块末端铰接，尾翼模块位于机架的末端，与主机架固定连接。优点是结构新颖，降低了振动对装置的控制精度和使用寿命的不良影响，对工作环境的适应能力更强；扑翼中采用了柔性铰链结构，减小负升力及阻力，在国防领域和民用方面都有着广泛的应用前景。

Description

一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器

技术领域

本实用新型涉及一种扑翼飞行器技术领域，特别是涉及一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器。

背景技术

仿鸟扑翼飞行器是一种模仿鸟类扑翼飞行的新型飞行器，不同于传统固定翼、旋翼飞行器，仿鸟扑翼飞行器具有自然界鸟类飞行中的一些优势，可以实现快速起飞、加速和悬停,具有高度的机动性、隐蔽性和灵活性，在国防领域和民用方面都有着广泛的应用前景。

鸟类飞行时翅膀运动形式十分复杂，但可以简化为上下扑动、扭转和前后掠动三种基本运动形式，尾翼的运动形式主要是由上下摆动和左右扭动复合而成的，用以调节鸟类在空中的飞行姿态，即自然界的鸟类的翅膀和尾翼具有三自由度的运动模式；扑翼飞行器若仅可上下扑动，即为单自由度扑翼飞行器，若在单纯上下扑动的基础上，加入扭转或前后掠动的运动形式，即为多自由度扑翼飞行器；多自由度扑翼飞行器具有多种可控制的飞行姿态，因此相较单自由度飞行器在机动性、运动效率等方面都有着较大优势。

现有的多自由度扑翼飞行器存在一定的缺陷，如中国专利《一种多自由度仿鸟扑翼飞行器》(CN 106043692 A)，虽然实现了扑翼的扑动和扭转，但没有实现扑翼的掠动，尾翼虽然实现了摆动和扭动但灵活度不够，无法更精确的控制飞行姿态，《一种掠动式扑翼飞行器装置》(CN 108423173A)同样存在尾翼灵活度不够的问题。

当扑翼飞行器在空中飞行时，非常容易受到气流等天气问题的扰动，通常的做法是通过调整飞行姿态进行补偿，外界扰动会引起机身的振动，这种随机的微小振动会影响控制模块的控制精度和整个装置的使用寿命，危害性很高，并且难以消除，目前大部分扑翼飞行装置都没有添加针对微小振动的抗振设计。

针对上述问题，目前急需一种带有抗振设计的高自由度扑翼飞行器，以满足对飞行器的越来越复杂的应用需求。

发明内容

本实用新型提供一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，以解决目前扑翼飞行器自由度不够，无法完成复杂的飞行姿态，影响了整机的机动性能，并且对机身振动抵抗能力不足的问题。

本实用新型采取的技术方案是：包括：机架、驱动模块、两个扑翼扭转模块、两个扑翼掠动模块、控制模块以及尾翼模块，其中驱动模块在靠近机架前端的位置、且固定连接在中机架上；控制模块位于驱动模块后方、与后机架固定连接；两个扑翼扭转模块结构相同，对称分布在主机架的两侧、分别与前机架铰接，两个扑翼掠动模块对称分布在主机架的两侧、分别与两个扑翼扭转模块末端铰接，尾翼模块位于机架的末端，与主机架固定连接；

所述机架包括主机架、前机架、中机架、后机架、尾翼架和机身蒙皮，其中前机架、中机架和后机架位于主机架中部、依次与主机架固定连接，尾翼架位于主机架末端，与主机架固定连接，机身蒙皮包覆在主机架外部；

所述驱动模块包括两个驱动电机、电机隔振垫、两个驱动曲柄以及两个驱动连杆，其中两个驱动电机用螺钉与中机架固定连接，电机隔振垫位于两个驱动电机和中机架之间，两个驱动曲柄分别固定连接在两个驱动电机的输出轴上，两个驱动连杆的一端分别与两个驱动曲柄的末端铰接，两个驱动连杆的另一端与扑翼扭转模块的扑动杆的尾部铰接，使得驱动电机、驱动曲柄以及驱动连杆构成了一个曲柄摇杆机构。

所述两个扑翼扭转模块的结构相同，其中一个扑翼扭转模块包括隔振垫、调整垫片、扑动杆、扭转舵机连接板、扭转舵机、扭转曲柄、扭转连杆、扭转连接件、扭转轴承以及扑翼前杆，其中扑动杆与前机架铰接，隔振垫与调整垫片位于扑动杆与前机架之间，隔振垫处于靠近前机架一侧，用以吸收扑翼产生的振动，调整垫片处于靠近扑动杆一侧，扭转轴承通过过盈配合安装在扑动杆末端的槽口中，扭转轴承的内径与扑翼前杆固定连接，扭转舵机连接板与扑动杆末端固定连接，扭转舵机利用螺钉与扭转舵机连接板固定连接，扭转曲柄的前端与扭转舵机固定连接，其末端与扭转连杆的一端铰接，扭转连杆的另一端与扭转连接件铰接，扭转连接件固定连接在扑翼前杆上，扭转曲柄、扭转连杆以及扭转连接件构成了一个曲柄连杆机构，通过扭转舵机带动扭转曲柄旋转，进而完成扑翼的扭转动作；

所述扑翼掠动模块包括掠动舵机连接板、掠动舵机、掠动曲柄、掠动连接件、扑翼中杆、内翼支撑板、柔性铰链、扑翼外杆以及外翼支撑板，机翼蒙皮，其中内翼支撑板外部包覆蒙皮，掠动舵机连接板固定连接在扑翼前杆上，掠动舵机利用螺钉固定连接在掠动舵机连接板上，掠动曲柄的前端与掠动舵机的输出轴固定连接，末端与掠动连接件铰接，掠动连接件与扑翼中杆滑动连接，扑翼中杆的前端与扑翼扭转模块的扑翼前杆的末端铰接，构成了曲柄滑块机构，实现了扑翼的掠动，扑翼中杆与扑翼外杆通过柔性铰链进行连接，内翼支撑板和外翼支撑板依次固定连接在扑翼中杆和扑翼外杆上；

所述柔性铰链使用橡胶制成，上端中间设计有一道沟槽，下端有多道沟槽；

所述尾翼模块包括上尾翼舵机连接板、下尾翼舵机连接板、四个尾翼舵机、两个上尾翼调整杆、两个下尾翼调整杆、四个尾翼调整曲柄、尾翼中杆、中杆固定螺母、尾翼连接前板、尾翼连接后板、尾翼骨架和尾翼蒙皮，其中尾翼中杆通过尾翼架中间的通孔利用中杆固定螺母与其固定连接，上尾翼舵机连接板和下尾翼舵机连接板固定连接在主机架上，上尾翼舵机连接板位于主机架尾部上端，下尾翼舵机连接板位于主机架尾部下端，四个尾翼舵机分别利用螺钉固定连接在上尾翼舵机连接板和下尾翼舵机连接板上，四个尾翼调整曲柄分别与尾翼舵机的输出轴固定连接，上部两个尾翼调整曲柄的末端与上尾翼调整杆的前端铰接，下部两个尾翼调整曲柄的末端与下尾翼调整杆的前端铰接，两个上尾翼调整杆、两个下尾翼调整杆以及尾翼中杆的末端设计成球状，与尾翼连接前板和尾翼连接后板之间的五个球形间隙配合，尾翼骨架利用螺钉与尾翼连接后板固定连接，尾翼蒙皮包覆在尾翼骨架外部。

本实用新型的优点是结构新颖，增加了抗振设计，针对装置的主要振动源：驱动电机和扑翼，分别增加了隔振垫，降低了振动对装置的控制精度和使用寿命的不良影响，大大提高了工作性能；自由度更多，尤其是尾翼结构，使运动更加灵活，飞行姿态更多样，提高了飞行中的机动性，对工作环境的适应能力更强；采用完全对称式的结构设计，使得装置在飞行过程中的稳定性更高，控制更加方便；在扑翼中采用了柔性铰链结构，扑翼飞行器在飞行过程中，向上扑动时，外翼在向下气流和柔性铰链的作用下会有小幅度的向下弯曲折叠，从而减小了扑翼的面积，进而减小负升力及阻力。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型去掉蒙皮的的结构示意图；

图3是本实用新型机架的结构示意图；

图4是本实用新型驱动模块的结构示意图；

图5是本实用新型扑翼扭转模块的结构示意图；

图6是本实用新型扑翼掠动模块的结构示意图；

图7是图6的局部放大图；

图8是本实用新型尾翼模块的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，包括：机架1、驱动模块2、两个扑翼扭转模块3、两个扑翼掠动模块4、控制模块5以及尾翼模块6，其中驱动模块2在靠近机架1前端的位置、且固定连接在中机架103上；控制模块5位于驱动模块2后方、与后机架104固定连接；两个扑翼扭转模块3结构相同，对称分布在主机架101的两侧、分别与前机架102铰接，两个扑翼掠动模块4同样对称分布在主机架101的两侧、分别与两个扑翼扭转模块3末端铰接，尾翼模块6位于机架1的末端，与主机架101固定连接；

如图3所示，机架1对整个装置起到支撑作用，包括主机架101、前机架102、中机架103、后机架104、尾翼架105和机身蒙皮106，其中前机架102、中机架103和后机架104位于主机架101中部、依次与主机架101利用胶水固定连接，尾翼架105位于主机架末端，利用胶水与主机架101固定连接，机身蒙皮106包覆在主机架101外部；

如图4所示，驱动模块2是为整个扑翼飞行器提供动力的模块，包括两个驱动电机201、电机隔振垫202、两个驱动曲柄203以及两个驱动连杆204，其中两个驱动电机201用螺钉与中机架103固定连接，电机隔振垫202位于两个驱动电机201和中机架103之间，用以消除驱动电机201工作时的微小振动对整个装置的影响，两个驱动曲柄203分别固定连接在两个驱动电机201的输出轴上，两个驱动连杆204的一端分别与两个驱动曲柄203的末端铰接，两个驱动连杆204的另一端与扑翼扭转模块3的扑动杆303的尾部铰接，使得驱动电机201、驱动曲柄203以及驱动连杆204构成了一个曲柄摇杆机构，用以实现扑翼上下扑动的动作。

如图5所示，两个扑翼扭转模块3的结构相同，实现扑翼的扭转动作，其中一个扑翼扭转模块3包括隔振垫301、调整垫片302、扑动杆303、扭转舵机连接板304、扭转舵机305、扭转曲柄306、扭转连杆307、扭转连接件308、扭转轴承309以及扑翼前杆310，其中扑动杆303与前机架102铰接，隔振垫301与调整垫片302位于扑动杆303与前机架102之间，隔振垫301处于靠近前机架102一侧，用以吸收扑翼产生的振动，调整垫片302处于靠近扑动杆303一侧，用以调整扑动杆303与前机架102间的距离，并且减小摩擦力，扭转轴承309通过过盈配合安装在扑动杆303末端的槽口中，扭转轴承309的内径与扑翼前杆310固定连接，扭转舵机连接板304利用胶水与扑动杆303末端固定连接，扭转舵机305利用螺钉与扭转舵机连接板304固定连接，扭转曲柄306的前端与扭转舵机305固定连接，其末端与扭转连杆307的一端铰接，扭转连杆307的另一端与扭转连接件308铰接，扭转连接件308固定连接在扑翼前杆310上，扭转曲柄306、扭转连杆307以及扭转连接件308构成了一个曲柄连杆机构，通过扭转舵机305带动扭转曲柄306旋转，进而完成扑翼的扭转动作；

进一步说明，扑翼飞行器的扑翼扭转模块3和驱动电机201两部分构成了整个装置的闭环振动源，隔振垫301与电机隔振垫202位于扑翼和驱动电机的两侧，将整个闭环振动源与机身主体隔离，使振动对整个装置的影响大大降低。

如图6、7所示，扑翼掠动模块4主要实现扑翼的掠动动作，包括掠动舵机连接板401、掠动舵机402、掠动曲柄403、掠动连接件404、扑翼中杆405、内翼支撑板406、柔性铰链407、扑翼外杆408以及外翼支撑板409，机翼蒙皮410，其中内翼支撑板406外部包覆蒙皮410，掠动舵机连接板401固定连接在扑翼前杆310上，掠动舵机402利用螺钉固定连接在掠动舵机连接板401上，掠动曲柄403的前端与掠动舵机402的输出轴固定连接，末端与掠动连接件404铰接，掠动连接件404与扑翼中杆405滑动连接，扑翼中杆405的前端与扑翼扭转模块3的扑翼前杆310的末端铰接，构成了曲柄滑块机构，实现了扑翼的掠动，扑翼中杆405与扑翼外杆408通过柔性铰链407进行连接，内翼支撑板406和外翼支撑板409依次固定连接在扑翼中杆405和扑翼外杆408上。

进一步说明，柔性铰链407使用橡胶制成，上端中间设计有一道沟槽，下端有多道沟槽。

如图8所示，尾翼模块6用以调整扑翼飞行器的飞行姿态，包括上尾翼舵机连接板601、下尾翼舵机连接板602、四个尾翼舵机603、两个上尾翼调整杆604、两个下尾翼调整杆605、四个尾翼调整曲柄606、尾翼中杆607、中杆固定螺母608、尾翼连接前板609、尾翼连接后板610、尾翼骨架611和尾翼蒙皮612，其中尾翼中杆607通过尾翼架105中间的通孔利用中杆固定螺母608与其固定连接，上尾翼舵机连接板601和下尾翼舵机连接板602固定连接在主机架101上，上尾翼舵机连接板601位于主机架101尾部上端，下尾翼舵机连接板602位于主机架101尾部下端，四个尾翼舵机603分别利用螺钉固定连接在上尾翼舵机连接板601和下尾翼舵机连接板602上，四个尾翼调整曲柄606分别与尾翼舵机603的输出轴固定连接，上部两个尾翼调整曲柄606的末端与上尾翼调整杆604的前端铰接，下部两个尾翼调整曲柄606的末端与下尾翼调整杆605的前端铰接，两个上尾翼调整杆604、两个下尾翼调整杆605以及尾翼中杆607的末端设计成球状，与尾翼连接前板609和尾翼连接后板610之间的五个球形间隙配合，尾翼骨架611利用螺钉与尾翼连接后板610固定连接，尾翼蒙皮612包覆在尾翼骨架611外部。

进一步说明，尾翼连接前板609和尾翼连接后板610通过胶水固定连接。

工作原理：

起飞：地面操控人员向控制模块5的接收器发射信号，控制模块5控制驱动模块2的驱动电机201转动，将运动和动力输送给两个扑动杆303，进而带动两个扑翼上下扑动。随着驱动电机201的转速不断提高，扑翼扑动时产生的升力和推力也不断增大，当升力和机体重力平衡时，飞行器有起飞的趋势，随后升力大于机体重力，飞行器开始升空，完成起飞；

前飞：飞行器完成起飞后，降低驱动电机201转速，使得扑动周期内的平均升力和机体重力平衡，此时，飞行器推力大于所受到的阻力，飞行器实现向前平飞；

转向：在飞行器向前飞时，控制模块5控制尾翼611，实现飞行器左右转向；

升降：在飞行器向前飞时，平均升力和重力相平衡，控制模块5控制尾翼611，实现升降；

降落：慢慢降低驱动电机201的转速，当转速低于一定值时，飞行器平均升力稍小于机体重力时，该飞行器实现缓慢降落。

Claims (7)

1.一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于：包括机架、驱动模块、两个扑翼扭转模块、两个扑翼掠动模块、控制模块以及尾翼模块，其中驱动模块在靠近机架前端的位置、且固定连接在中机架上；控制模块位于驱动模块后方、与后机架固定连接；两个扑翼扭转模块结构相同，对称分布在主机架的两侧、分别与前机架铰接，两个扑翼掠动模块对称分布在主机架的两侧、分别与两个扑翼扭转模块末端铰接，尾翼模块位于机架的末端，与主机架固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于：所述机架包括主机架、前机架、中机架、后机架、尾翼架和机身蒙皮，其中前机架、中机架和后机架位于主机架中部、依次与主机架固定连接，尾翼架位于主机架末端，与主机架固定连接，机身蒙皮包覆在主机架外部。

3.根据权利要求1所述的一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于：所述驱动模块包括两个驱动电机、电机隔振垫、两个驱动曲柄以及两个驱动连杆，其中两个驱动电机用螺钉与中机架固定连接，电机隔振垫位于两个驱动电机和中机架之间，两个驱动曲柄分别固定连接在两个驱动电机的输出轴上，两个驱动连杆的一端分别与两个驱动曲柄的末端铰接，两个驱动连杆的另一端与扑翼扭转模块的扑动杆的尾部铰接，使得驱动电机、驱动曲柄以及驱动连杆构成了一个曲柄摇杆机构。

4.根据权利要求1所述的一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于：所述两个扑翼扭转模块的结构相同，其中一个扑翼扭转模块包括隔振垫、调整垫片、扑动杆、扭转舵机连接板、扭转舵机、扭转曲柄、扭转连杆、扭转连接件、扭转轴承以及扑翼前杆，其中扑动杆与前机架铰接，隔振垫与调整垫片位于扑动杆与前机架之间，隔振垫处于靠近前机架一侧，用以吸收扑翼产生的振动，调整垫片处于靠近扑动杆一侧，扭转轴承通过过盈配合安装在扑动杆末端的槽口中，扭转轴承的内径与扑翼前杆固定连接，扭转舵机连接板与扑动杆末端固定连接，扭转舵机利用螺钉与扭转舵机连接板固定连接，扭转曲柄的前端与扭转舵机固定连接，其末端与扭转连杆的一端铰接，扭转连杆的另一端与扭转连接件铰接，扭转连接件固定连接在扑翼前杆上，扭转曲柄、扭转连杆以及扭转连接件构成了一个曲柄连杆机构，通过扭转舵机带动扭转曲柄旋转，进而完成扑翼的扭转动作。

5.根据权利要求1所述的一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼掠动模块包括掠动舵机连接板、掠动舵机、掠动曲柄、掠动连接件、扑翼中杆、内翼支撑板、柔性铰链、扑翼外杆以及外翼支撑板，机翼蒙皮，其中内翼支撑板外部包覆蒙皮，掠动舵机连接板固定连接在扑翼前杆上，掠动舵机利用螺钉固定连接在掠动舵机连接板上，掠动曲柄的前端与掠动舵机的输出轴固定连接，末端与掠动连接件铰接，掠动连接件与扑翼中杆滑动连接，扑翼中杆的前端与扑翼扭转模块的扑翼前杆的末端铰接，构成了曲柄滑块机构，实现了扑翼的掠动，扑翼中杆与扑翼外杆通过柔性铰链进行连接，内翼支撑板和外翼支撑板依次固定连接在扑翼中杆和扑翼外杆上。

6.根据权利要求5所述的一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于：所述柔性铰链使用橡胶制成，上端中间设计有一道沟槽，下端有多道沟槽。

7.根据权利要求1所述的一种抗振式高自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼模块包括上尾翼舵机连接板、下尾翼舵机连接板、四个尾翼舵机、两个上尾翼调整杆、两个下尾翼调整杆、四个尾翼调整曲柄、尾翼中杆、中杆固定螺母、尾翼连接前板、尾翼连接后板、尾翼骨架和尾翼蒙皮，其中尾翼中杆通过尾翼架中间的通孔利用中杆固定螺母与其固定连接，上尾翼舵机连接板和下尾翼舵机连接板固定连接在主机架上，上尾翼舵机连接板位于主机架尾部上端，下尾翼舵机连接板位于主机架尾部下端，四个尾翼舵机分别利用螺钉固定连接在上尾翼舵机连接板和下尾翼舵机连接板上，四个尾翼调整曲柄分别与尾翼舵机的输出轴固定连接，上部两个尾翼调整曲柄的末端与上尾翼调整杆的前端铰接，下部两个尾翼调整曲柄的末端与下尾翼调整杆的前端铰接，两个上尾翼调整杆、两个下尾翼调整杆以及尾翼中杆的末端设计成球状，与尾翼连接前板和尾翼连接后板之间的五个球形间隙配合，尾翼骨架利用螺钉与尾翼连接后板固定连接，尾翼蒙皮包覆在尾翼骨架外部。