CN210681153U - 一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构及其飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构及其飞行器，包括用于连接支撑机翼的机翼支撑件、调整机翼扑动幅度的变幅扑动机构、调整机翼扭转幅度的变幅扭转机构、为变幅扑动机构提供动力的第一动力传动系统、为变幅扭转机构提供动力的第二动力传动系统。本实用新型通过设置调整机翼扑动幅度的变幅扑动机构和调整机翼扭转幅度的变幅扭转机构，使得机翼具有扑动、扭转、可改变扑动幅度及扭转幅度的运动特性，机翼既扑动又扭转的两自由度运动使飞行状态更加贴近鸟类飞行实际扑动规律，具有良好的气动性；机翼的变幅扑动使得飞行器能够基于不同的飞行状况，选择合适的扑翼幅度及扭转幅度，有效提高飞行效率和续航能力。

Description

一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构及其飞行器

技术领域

本实用新型属于扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构及其飞行器。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫能够通过翅膀的扑动同时产生推力和升力的新概念飞行器。微型飞行器是二十世纪九十年代才提出的新概念和新技术，1992年美国兰德公司提交美国国防高级研究计划署的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出微型飞行器的概念。微型扑翼飞行器一般是指翼展长度在15cm左右，重量在几十克至上百克，有效载荷20g，航速64～80km/h，留空时间20～60min，航程数10km的新型仿生微飞行器。由于它具有体积小、重量轻、成本低、隐身性和可操作性好等特点，可在国防和民用等领域得到广泛应用。

目前微型飞行器多采用单自由度扑翼机构，即机翼的运动仅为平面上下扑动，这种扑翼机构具有结构比较简单、重量较轻的优点，不过它的仿生程度较低，气动性能不能达到要求。为了使扑翼机构的气动性能得到提高，能够满足飞行器进行长时间飞行的要求，人们研究出具有多个自由度运动的扑翼机构。典型的有：专利201210316492.6中涉及到的一种仿昆虫飞行器的扑翼机构，该机构通过曲柄摇杆机构组合形成平面8字形轨迹生成机构，再放大到机翼，使得机翼具有二维性运动，翼尖能画出8字形轨迹。专利201310180160.4中涉及到的一种实现机翼扑翼及翼面主动扭转的扑翼装置，通过机翼旋转曲柄将旋转运动变成机翼扭转连杆的往复运动，进而带动机翼做出周期性扭转动作。专利201420266922.2中涉及到的一种扑翼飞行器的三维扑翼机构，该机构通过驱动曲柄带动扭转连接件使扭转杆转动，同时扭转杆又带动扑动杆扑动，还设置了扑翼折展机构，实现机翼扑动、扭转、折展的三维运动。

在上述扑翼结构中，都无法改变扑翼飞行器在飞行时的扑动幅度及扭转幅度，无法根据不同的飞行状况，选择合适的扑动幅度及扭转幅度，飞行效率和续航能力不高，导致微型扑翼飞行器无法得到广泛应用。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构及其飞行器，解决现有的扑翼飞行器在飞行时扑动幅度及扭转幅度不能调整的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，包括用于连接支撑机翼的机翼支撑件、调整机翼扑动幅度的变幅扑动机构、调整机翼扭转幅度的变幅扭转机构、为变幅扑动机构提供动力的第一动力传动系统、为变幅扭转机构提供动力的第二动力传动系统；

所述的变幅扑动机构包括第一传动轴和第一滑块，所述的第一滑块上设置有第一连接臂和第二连接臂；所述的第一传动轴与第一动力传动系统输出端连接，所述的第一滑块设置在第一传动轴上，并且第一滑块能够沿第一传动轴移动；所述的机翼支撑件上设置有滑槽，所述的滑槽沿第一传动轴轴向设置，所述的第一连接臂的末端设置在滑槽中；

所述的变幅扑动机构包括摇杆、第二滑块、连接横杆和移动支座，所述的第二滑块套接在摇杆上，且第二滑块可在摇杆上移动，第二滑块与第二动力传动系统输出端连接；所述的连接横杆和移动支座分别连接在摇杆的两端，其中，摇杆可在其与连接横杆的交点处移动，移动支座与摇杆铰接；所述的移动支座能够带动摇杆移动，进而调节移动支座与第二滑块之间的距离；所述的连接横杆与第二连接臂可活动连接。

具体的，所述的第一动力传动系统包括第一舵机、第一齿轮、第二齿轮、第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述的第一齿轮连接在第一舵机上，第二齿轮与第一齿轮相互啮合，第一锥齿轮与第二齿轮同轴连接，第二锥齿轮与第一锥齿轮相互啮合，第一传动轴与第二锥齿轮连接。

具体的，所述的第一传动轴上设置有传动齿，第一滑块套设在传动齿的一端形成丝杠滑块机构。

具体的，所述的第二动力传动系统包括驱动电机、与驱动电机输出端连接的第三齿轮、与第三齿轮啮合的第四齿轮、与第四齿轮同轴连接的第五齿轮、与第五齿轮啮合的第六齿轮，所述的第二滑块通过一连接轴与第六齿轮连接。

具体的，所述的移动支座上连接有带动移动支座移动的支座驱动机构，所述的支座驱动机构包括第二舵机、第七齿轮、第八齿轮和第二传动轴，所述的第二舵机的输出端与第七齿轮连接，第八齿轮与第七齿轮啮合，第二传动轴的一端与第八齿轮同轴连接，另一端与移动支座连接形成丝杠滑块机构。

进一步的，还包括机架，所述的机翼支撑件通过旋转副与机架连接，使得机翼支撑件具有扑动和扭转两个幅度；所述的第一动力传动系统和第二动力系统固定在机架上，所述的移动支座可活动连接在支架上，所述的第一传动轴连接在机架上。

具体的，所述的旋转副为T型板件，T型板件的翼缘板可活动连接在机架上，能够绕机架转动，T型板件的腹板与机翼支撑件铰接，使得机翼支撑件能够绕铰接点转动。

进一步的，所述的第一滑块上设置有第一导槽，机架上设置有与第一导槽匹配的第一导轨。

进一步的，所述的移动支座上设置有第二导槽，机架上设置有与第二导槽匹配的第二导轨。

本实用新型还公开了一种扑动扭转幅度可变的两自由度飞行器，包括扑翼机构、机翼、机身以及机尾，其中所述的扑翼机构为本实用新型所述的扑翼机构，所述的机翼连接在机翼支撑件上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过设置调整机翼扑动幅度的变幅扑动机构和调整机翼扭转幅度的变幅扭转机构，使得机翼具有扑动、扭转、可改变扑动幅度及扭转幅度的运动特性，机翼既扑动又扭转的两自由度运动使飞行状态更加贴近鸟类飞行实际扑动规律，具有良好的气动性；机翼的变幅扑动使得飞行器能够基于不同的飞行状况，选择合适的扑翼幅度及扭转幅度，有效提高飞行效率和续航能力。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的扑翼机构的整体结构轴测图。

图2是本实用新型的扑翼机构的整体结构主视图。

图3是本实用新型的扑翼机构的整体结构后视图。

图4是本实用新型的扑翼机构的整体结构俯视图。

图5是具有本实用新型扑翼机构的飞行器结构示意图。

图中各标号表示为：

1-机翼支撑件，2-变幅扑动机构，3-变幅扭转机构，4-第一动力传动系统，5-第二动力传动系统，6-机架，7-机翼，8-机身，9-机尾；

101-滑槽；

201-第一传动轴，202-第一滑块，203-第一连接臂，204-第二连接臂，205-旋转副，206-第一导槽；

301-摇杆，302-第二滑块，303-连接横杆，304-移动支座，305-支座驱动机构，306-第二舵机，307-第七齿轮，308-第八齿轮，309-第二传动轴，310-第二导槽；

401-第一舵机，402-第一齿轮，403-第二齿轮，404-第一锥齿轮，405-第二锥齿轮；

501-驱动电机，502-第三齿轮，503-第四齿轮，504-第五齿轮，505-第六齿轮；

601-第一导轨，602-第二导轨。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施方式，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、低、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

如图1所示，本实用新型公开了一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，包括用于连接支撑机翼的机翼支撑件1、调整机翼扑动幅度的变幅扑动机构2、调整机翼扭转幅度的变幅扭转机构3、为变幅扑动机构提供动力的第一动力传动系统4、为变幅扭转机构提供动力的第二动力传动系统5。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，变幅扑动机构2、变幅扭转机构3、第一动力传动系统4和第二动力传动系统5通过机架6支撑。机翼支撑件1通过旋转副205与机架6连接，其中，在本实用新型的一个优选实施例中，旋转副205为T型板件，T型板件的翼缘板可活动连接在机架6上，能够绕机架转动，T型板件的腹板与机翼支撑件1铰接，使得机翼支撑件1能够绕铰接点转动，这样机翼支撑件1具有扑动和扭转两个自由度。

变幅扑动机构2包括第一传动轴201和第一滑块202，第一滑块202上设置有第一连接臂203和第二连接臂204；第一传动轴201与第一动力传动系统4输出端连接，第一滑块202设置在第一传动轴201上，并且第一滑块202能够沿第一传动轴201移动，具体的，第一传动轴201上设置有传动齿，使得该轴一端为丝杠轴，一端为光杆，光杆的一端与第一动力传动系统4同轴连接，且光杆部分支撑在机架6上，第一滑块202套设在丝杠轴上，第一滑块202内壁为丝杠轴匹配的螺纹结构，第一滑块202与丝杠轴形成丝杠滑块机构。机翼支撑件1上设置有滑槽101，滑槽101沿第一传动轴201轴向设置，第一连接臂203的末端设置在滑槽101中，通过第一连接臂203将变幅扑动机构2与机翼支撑架1连接在一起。随着第一滑块202在第一传动轴201上移动，第一连接臂在滑槽101中移动，从而改变机翼支撑件1的扑动幅度。

在本实施例中，第一动力传动系统4包括第一舵机401、第一齿轮402、第一锥齿轮404和第二锥齿轮405，第一舵机401固定在机架6上，第一齿轮402为高速小齿轮，第二齿轮403为低速大齿轮。

第一齿轮402连接在第一舵机401上，第二齿轮403与第一齿轮402相互啮合，第一锥齿轮404与第二齿轮403同轴连接，第二锥齿轮405与第一锥齿轮404相互啮合，第一传动轴201的光杆端与第二锥齿轮405连接。在本实用新型的实施例中，第二锥齿轮405与第一锥齿轮404的齿数比为1:1，保证左右两边扑翼运动的对称性。

一般机翼支撑架1对称设置有两个，因此变幅扑动机构2也对称设置有两个，第一传动轴201、第一滑块202和第二锥齿轮405也对称设置有相同的两个，如图2所示。

最好的，在第一滑块202上设置有第一导槽206，在机架6上设置一个与第一导槽206匹配的第一导轨601，第一导槽206插接在第一导轨601中，保证第一滑块202只能沿第一传动轴201左右移动而不发生转动。

如图1、图2所示，变幅扭转机构3包括摇杆301、第二滑块302、连接横杆303和移动支座304，第二滑块302套接在摇杆301上，且第二滑块302可在摇杆301上移动，第二滑块302与第二动力传动系统5的输出端连接。连接横杆303和移动支座304分别连接在摇杆301的两端，其中，摇杆301可在其与连接横杆303的交点处移动，移动支座304与摇杆301铰接。通过第二动力传动系统5拨动摇杆301以移动支座304为支撑点转动。

连接横杆303与第二连接臂204可活动连接，通过第二连接臂204将变幅扑动机构2与变幅扭转机构3机构连接。具体的，在本实用新型的具体实施例中，第一传动轴201伸出两悬挂臂，连接横杆303的两端固定在两悬挂臂上，且连接横杆303的两端绕其与悬挂臂的连接处转动，第二连接臂204的末端设置有一个套筒，该套筒套接在连接横杆303上，使得第一连接臂204沿连接横杆303移动。

移动支座304能够带动摇杆301移动，进而调节移动支座304与第二滑块302之间的距离，最终调整机翼的摆动幅度。具体的，本实施例中采用支座驱动机构305带动移动支座304的移动。如图2所示，支座驱动机构305包括第二舵机306、第七齿轮307、第八齿轮308和第二传动轴309，第二舵机306的输出端与第七齿轮307连接，第八齿轮308与第七齿轮307啮合，第二传动轴309的一端与第八齿轮308同轴连接，另一端与移动支座304连接形成丝杠滑块机构。通过第二传动轴309的转动使得移动支座304上下移动，推动摇杆301上下移动，改变移动支座304和摇杆301的铰点与第二动力传动系统5输出轴旋转中心的距离，改变了摇杆301的摆动幅度，进而改变扑翼的扭转幅度。

第二动力传动系统5包括驱动电机501、与驱动电机501输出端连接的第三齿轮502、与第三齿轮502啮合的第四齿轮503、与第四齿轮503同轴连接的第五齿轮504、与第五齿轮504啮合的第六齿轮505。其中，驱动电机501通过电机架安装在机架6上，第四齿轮503和第五齿轮504的连接轴也安装在机架6上，第二滑块302通过一连接轴与第六齿轮505连接，且第二滑块302与第六齿轮505偏心连接，保证摇杆301的转动幅度。在本实施例中，第三齿轮502为高速级小齿轮，第四齿轮503为高速级大齿轮，第五齿轮504为低速级小齿轮，第六齿轮505为低速级大齿轮，这样形成减速机构。

最好的，在移动支座304上也设置一第二导槽310，机架6上设置与第二导槽310匹配的第二导轨602，这样可保证移动支座304只能沿传动轴309上下运动而不发生转动。

具体的，本实施例中的移动支座304为T型板件结构，T型板件的一侧翼缘端设置有第二导槽310，T型板件的腹板上连接有铰接块，该铰接块与摇杆301的底部铰接，使得摇杆301能够绕该连接点自由转动。

本实用新型的扑翼机构的扑动幅度调整过程为：

第一动力传动系统4带动第一传动轴201转动，第一传动轴201带动其上的第一滑块202移动，改变第一连接臂203在滑槽101中的位置，从而改变扑翼杆4的扑动幅度。

本实用新型的扑翼机构的扭转幅度调整过程为：

支座驱动机构305带动第二传动轴309转动，第二传动轴309带动其上的移动支座304上下移动，由第二动力传动系统5带动，改变移动支座304和摇杆301的铰点与第二动力传动系统5输出轴旋转中心的距离，改变了摇杆301的摆动幅度。旋转副205分别与机架6和机翼支撑件1铰接，使得左右机翼支撑件1具有两个自由度，第一连接臂203的前端穿入机翼支撑件1的滑槽101带动机翼支撑件1扑动及扭转。

本实用新型通过调整机翼的变幅扑动使得飞行器能够基于不同的飞行状况，选择合适的扑翼幅度及扭转幅度，有效提高飞行效率和续航能力。

本实用新型的另一个实施例中还公开了一种扑动扭转幅度可变的两自由度飞行器，该飞行器包括扑翼机构、机翼7、机身8以及机尾9，其中，扑翼机构为本实用新型上述实施例记载的扑翼机构，机翼7连接在机翼支撑件上，机身8和机尾9的形状根据具体需要设计，如5所示。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本实用新型的思想，同样应当视其为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，包括用于连接支撑机翼的机翼支撑件(1)、调整机翼扑动幅度的变幅扑动机构(2)、调整机翼扭转幅度的变幅扭转机构(3)、为变幅扑动机构提供动力的第一动力传动系统(4)、为变幅扭转机构提供动力的第二动力传动系统(5)；

所述的变幅扑动机构(2)包括第一传动轴(201)和第一滑块(202)，所述的第一滑块(202)上设置有第一连接臂(203)和第二连接臂(204)；所述的第一传动轴(201)与第一动力传动系统(4)输出端连接，所述的第一滑块(202)设置在第一传动轴(201)上，并且第一滑块(202)能够沿第一传动轴(201)移动；所述的机翼支撑件(1)上设置有滑槽(101)，滑槽(101)沿第一传动轴(201)轴向设置，所述的第一连接臂(203)的末端设置在滑槽(101)中；

所述的变幅扭转机构(3)包括摇杆(301)、第二滑块(302)、连接横杆(303)和移动支座(304)，所述的第二滑块(302)套接在摇杆(301)上，且第二滑块(302)可在摇杆(301)上移动，第二滑块(302)与第二动力传动系统(5)的输出端连接；所述的连接横杆(303)和移动支座(304)分别连接在摇杆(301)的两端，其中，摇杆(301)可在其与连接横杆(303)的交点处移动，移动支座(304)与摇杆(301)铰接；所述的移动支座(304)能够带动摇杆(301)移动，进而调节移动支座(304)与第二滑块(302)之间的距离；所述的连接横杆(303)与第二连接臂(204)可活动连接。

2.如权利要求1所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，所述的第一动力传动系统(4)包括第一舵机(401)、第一齿轮(402)、第二齿轮(403)、第一锥齿轮(404)和第二锥齿轮(405)，所述的第一齿轮(402)连接在第一舵机(401)上，第二齿轮(403)与第一齿轮(402)相互啮合，第一锥齿轮(404)与第二齿轮(403)同轴连接，第二锥齿轮(405)与第一锥齿轮(404)相互啮合，第一传动轴(201)与第二锥齿轮(405)连接。

3.如权利要求1所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，所述的第一传动轴(201)上设置有传动齿，第一滑块(202)套设在传动齿的一端。

4.如权利要求1所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，所述的第二动力传动系统(5)包括驱动电机(501)、与驱动电机(501)输出端连接的第三齿轮(502)、与第三齿轮(502)啮合的第四齿轮(503)、与第四齿轮(503)同轴连接的第五齿轮(504)、与第五齿轮(504)啮合的第六齿轮(505)，所述的第二滑块(302)通过一连接轴与第六齿轮(505)连接。

5.如权利要求1所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，所述的移动支座(304)上连接有带动移动支座(304)移动的支座驱动机构(305)，所述的支座驱动机构(305)包括第二舵机(306)、第七齿轮(307)、第八齿轮(308)和第二传动轴(309)，所述的第二舵机(306)的输出端与第七齿轮(307)连接，第八齿轮(308)与第七齿轮(307)啮合，第二传动轴(309)的一端与第八齿轮(308)同轴连接，另一端与移动支座(304)连接形成丝杠滑块机构。

6.如权利要求1所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，还包括机架(6)，所述的机翼支撑件(1)通过旋转副(205)与机架(6)连接，使得机翼支撑件(1)具有扑动和扭转两个幅度；所述的第一动力传动系统(4)和第二动力传动系统(5)固定在机架(6)上，所述的移动支座(304)可活动连接在机架(6)上，所述的第一传动轴(201)连接在机架(6)上。

7.如权利要求6所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，所述的旋转副(205)为T型板件，T型板件的翼缘板可活动连接在机架(6)上，能够绕机架转动，T型板件的腹板与机翼支撑件(1)铰接，使得机翼支撑件(1)能够绕铰接点转动。

8.如权利要求6所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，所述的第一滑块(202)上设置有第一导槽(206)，机架(6)上设置有与第一导槽(206)匹配的第一导轨(601)。

9.如权利要求6所述的扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构，其特征在于，所述的移动支座(304)上设置有第二导槽(310)，机架(6)上设置有与第二导槽(310)匹配的第二导轨(602)。

10.一种扑动扭转幅度可变的两自由度飞行器，包括扑翼机构、机翼(7)、机身(8)以及机尾(9)，其特征在于，所述的扑翼机构为权利要求1至9任一项所述的扑翼机构，所述的机翼(7)连接在机翼支撑件上。

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