CN220430534U - 一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器。该基于仿生学的扑翼式可折展飞行器包括机架，机架的左右两侧分别对称设有机翼连杆机构、锥形摇臂机构、变形耦合联动机构，机架的中心位置设有驱动机构；机翼连杆机构包括若干个骨翼以及实现若干个骨翼传动的连杆机构，机翼连杆机构安装在锥形摇臂机构上，驱动机构用于驱动锥形摇臂机构运动，以使机翼连杆机构上下摆动，变形耦合联动机构用于驱动连杆机构运动，以使机翼连杆机构中的若干个骨翼展开和折叠。本实用新型在飞行形态上极大程度上还原鸟类的运动，设计了翅膀的扑翼拍打模式和折展机构，提供而一种新的致动策略，并且提供了一个仿生飞行平台，可以运用到勘察、拍摄等诸多应用场景。

Description

一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器

技术领域

本实用新型属于飞行器技术领域，具体涉及一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器。

背景技术

现有技术中常用的飞行器主要有固定翼无人机、多旋翼无人机、微型振翅机器人。其中固定翼无人机的优点是航速快，航程长，但其缺点也很明显，起降场地受限需要跑道或者手抛，需要弹射起飞并且降落只能采用滑降或者伞降，安全性和灵活性都比较差。多旋翼无人机的的任务载荷小，如果要提升负重指标，其飞行器的尺寸就要足够大，例如大疆植保无人机，其负重的代价就是体型庞大，成本较高。微型振翅机器人多为仿生蜻蜓等昆虫类，体积较小很难担任救援侦查等任务需求，且遇到风阻环境极难实现正常飞行。

基于仿生学原理的扑翼式可折展飞行器，其最大特点在于飞行时飞行器的两侧机翼可以不断地折叠和伸展，并且在紊流气层中能够正常飞行进行作业，是在仿生飞行机器领域技术的一大进展。因此，有必要研发一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器。

实用新型内容

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器。

本实用新型的一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器的技术方案是：

一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器，包括机架，所述机架的左右两侧分别对称设有机翼连杆机构、锥形摇臂机构、变形耦合联动机构，所述机架的中心位置设有驱动机构；所述机翼连杆机构包括若干个骨翼以及实现若干个骨翼传动的连杆机构，所述机翼连杆机构安装在所述锥形摇臂机构上，所述驱动机构用于驱动所述锥形摇臂机构运动，以使所述机翼连杆机构上下摆动，所述变形耦合联动机构用于驱动所述连杆机构运动，以使所述机翼连杆机构中的若干个骨翼展开和折叠。

进一步的，所述锥形摇臂机构包括沿所述机架前后方向延伸的转轴，所述转轴的两端转动安装在所述机架上，所述转轴上设有固定块，所述固定块的上下两侧分别设有铰接轴，所述铰接轴上铰接有摇臂，所述摇臂远离所述铰接轴的一端铰接有连接轴，所述锥形摇臂机构包括转动安装在所述机架上额传动齿轮，所述连接轴远离所述摇臂的一端偏心球铰在所述齿轮上。

进一步的，所述机翼连杆机构包括端部铰接的第一骨翼和第二骨翼，所述第一骨翼远离第二骨翼的一端铰接在所述铰接轴上，所述第二骨翼的远离第一骨翼的一端铰接有第三骨翼、第四骨翼以及第五骨翼，所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆以及第四连杆，所述第一连杆的一端铰接在所述第一骨翼上，所述第二连杆的一端铰接在所述第一骨翼与第二骨翼的枢轴上，所述第三连杆的一端铰接在所述第一连杆中部，所述第二连杆的端部铰接在所述第三连杆中部，所述第四连杆的一端铰接在所述第三骨翼上，且所述第四连杆穿过所述第四骨翼以及第五骨翼，所述第四连杆的另一端与所述第三连杆远离第一连杆的一端铰接。

进一步的，所述第一骨翼以及第二骨翼分别包括翼梁以及固定连接在所述翼梁一侧的翼板。

进一步的，所述变形耦合联动机构包括滑动装配在所述转轴的第一滑块、第二滑块以及位于所述第一滑块和第二滑块之间的第三滑块，所述第二滑块上设有沿前后方向延伸的滑槽，所述滑槽内设有滑杆，所述滑杆与所述第一滑块铰接，所述滑杆上铰接有连接板，所述连接板远离所述滑杆的一端与所述第三滑块铰接，所述第一连杆与所述第三滑块铰接，所述第二滑块上铰接有中间板，所述中间板远离所述第二滑块的一端与所述摇臂铰接，所述变形耦合联动机构包括舵机，所述舵机的输出轴上固定连接有第一传动杆，所述第一传动杆远离所述舵机的一端铰接有第二传动杆，所述第二传动杆远离所述第一传动杆的一端铰接有第三传动杆，所述第三传动杆与所述第一滑块固定连接。

进一步的，所述机架内设有安装板，所述安装板的左右两侧分别设有固定架，所述驱动机构包括驱动电机，所述驱动电机的端部设有第一齿轮，所述安装板上设有安装孔，所述安装孔内设有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，所述第二齿轮的中心轴左右两端分别通过轴承转动安装在两个所述固定架上，所述第二齿轮两侧的中心轴上分别设有第三齿轮，两个所述第三齿轮分别与两个所述传动齿轮啮合。

本实用新型提供了一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器，相比于现有技术，其有益效果在于：

本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器在飞行形态上极大程度上还原鸟类的运动，设计了翅膀的扑翼拍打模式和折展机构，提供而一种新的致动策略，并且提供了一个仿生飞行平台，可以运用到勘察、拍摄等诸多应用场景。本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器能够在飞行期间用一对膜状的可折叠翅膀实现鸟类的翅膀拍打运动。具体而言，仿生飞行器在下冲阶段伸展机翼以产生升力和推力，并在上冲阶段将机翼塞入折叠，该机制将机翼拍打运动与机翼折叠变形运动相结合。

附图说明

图1是本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器的结构示意图；

图2是本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器中的机翼连杆机构的结构示意图；

图3是本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器中的锥形摇臂机构的结构示意图；

图4是本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器中的变形耦合联动机构的结构示意图；

图5是本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器中的驱动机构的结构示意图；

图中：1、机架；2、机翼连杆机构；3、锥形摇臂机构；4、变形耦合联动机构；5、驱动机构；6、第一骨翼；7、第二骨翼；8、第三骨翼；9、第四骨翼；10、第五骨翼；11、第一连杆；12、第二连杆；13、第三连杆；14、第四连杆；15、转轴；16、固定块；17、摇臂；18、连接轴；19、传动齿轮；20、中间板；21、第一滑块；22、第二滑块；23、第三滑块；24、滑槽；25、滑杆；27、舵机；28、第一传动杆；29、第二传动杆；30、第三传动杆；31、舵机；32、固定架；33、第一齿轮；34、第二齿轮；35、第三齿轮。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

本实用新型的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器的具体实施例，如图1至图5所示，包括机架1，机架1的左右两侧分别对称设有机翼连杆机构2、锥形摇臂机构3、变形耦合联动机构4，机架1的中心位置设有驱动机构5；机翼连杆机构2包括若干个骨翼以及实现若干个骨翼传动的连杆机构，机翼连杆机构2安装在锥形摇臂机构3上，驱动机构5用于驱动锥形摇臂机构3运动，以使机翼连杆机构2上下摆动，变形耦合联动机构4用于驱动连杆机构运动，以使机翼连杆机构2中的若干个骨翼展开和折叠。

本实施例中，锥形摇臂机构3包括沿机架1前后方向延伸的转轴15，转轴15的两端转动安装在机架1上，转轴15上设有固定块16，固定块16的上下两侧分别设有铰接轴，铰接轴上铰接有摇臂17，摇臂17远离铰接轴的一端铰接有连接轴18，锥形摇臂机构3包括转动安装在机架1上额传动齿轮19，连接轴18远离摇臂17的一端偏心球铰在齿轮上。

本实施例中，机翼连杆机构2包括端部铰接的第一骨翼6和第二骨翼7，第一骨翼6远离第二骨翼7的一端铰接在铰接轴上，第二骨翼7的远离第一骨翼6的一端铰接有第三骨翼8、第四骨翼9以及第五骨翼，连杆机构包括第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13以及第四连杆14，第一连杆11的一端铰接在第一骨翼6上，第二连杆12的一端铰接在第一骨翼6与第二骨翼7的枢轴上，第三连杆13的一端铰接在第一连杆11中部，第二连杆12的端部铰接在第三连杆13中部，第四连杆14的一端铰接在第三骨翼8上，且第四连杆14穿过第四骨翼9以及第五骨翼，第四连杆14的另一端与第三连杆13远离第一连杆11的一端铰接。

本实施例中，第一骨翼6以及第二骨翼7分别包括翼梁以及固定连接在翼梁一侧的翼板。

本实施例中，变形耦合联动机构4包括滑动装配在转轴15的第一滑块21、第二滑块22以及位于第一滑块21和第二滑块22之间的第三滑块23，第二滑块22上设有沿前后方向延伸的滑槽24，滑槽24内设有滑杆25，滑杆25与第一滑块21铰接，滑杆25上铰接有连接板，连接板远离滑杆25的一端与第三滑块23铰接，第一连杆11与第三滑块23铰接，第二滑块22上铰接有中间板20，中间板20远离第二滑块22的一端与摇臂17铰接，变形耦合联动机构4包括舵机31，舵机31的输出轴上固定连接有第一传动杆，第一传动杆远离舵机31的一端铰接有第二传动杆，第二传动杆远离第一传动杆的一端铰接有第三传动杆，第三传动杆与第一滑块21固定连接。

本实施例中，机架1内设有安装板，安装板的左右两侧分别设有固定架32，驱动机构5包括驱动电机，驱动电机的端部设有第一齿轮33，安装板上设有安装孔，安装孔内设有与第一齿轮33啮合的第二齿轮34，第二齿轮34的中心轴左右两端分别通过轴承转动安装在两个固定架32上，第二齿轮34两侧的中心轴上分别设有第三齿轮35，两个第三齿轮35分别与两个传动齿轮19啮合。

具体的，骨翼由转轴15和连杆机构实现伸展和屈曲，第三骨翼8硬度韧性最高，形成前缘，第四骨翼9和第五骨翼支撑机翼表面，骨翼设计为向下弯曲，从而产生正曲率翼型并利用科恩达效应产生尽可能多的升力。第三骨翼8通过一个腕关节与第二骨翼7、第四骨翼9、第五骨翼铰接，构建具有俯仰安装角度的腕关节。这种向下倾斜的第三骨翼8、第四骨翼9以及第五骨翼可以更好的利用科恩达效应产生更多的升力，同时由于翅膀骨架在上冲时被缩回，并且向下倾斜的腕关节使骨翼向下弯曲得更多，从而实现与鸟类更加相似的展开与回缩折翼运动。

锥形摇臂机构3使用摇臂17来转换传动齿轮19的旋转运动进入第一骨翼6的拍打运动；连接轴18偏心地铰接到传动齿轮19上，充当斜曲柄；连接轴18被限制在摇臂17的轴孔中，只允许相对于摇臂17做旋转运动；当传动齿轮19旋转时，连接轴18驱动摇臂17在锥形轨迹上摇摆。当由摇臂17驱动时，转轴15周围振荡，带动主翼梁上下旋转，使机翼拍打。为了将摇臂17的圆锥形摆动推导出为线性往复运动，用中间板20铰接在摇臂17和第二滑块22之间。通过第二滑块22的往复运动，可以使第一连杆11轻松启动机翼骨架以定期伸展和收紧。其中翅膀折翼变形运动将与具有90度相位滞后的机翼拍打运动耦合。

第一滑块21、第二滑块22和第三滑块23的运动关系分为两种情况。第一种，当第二滑块22在相对靠前的位置滑动时滑杆25同时位于第二滑块22的滑槽24。因此，滑杆25可以相对于第二滑块22滑动，同时受到第一滑块21的限制。第二种，当第二滑块22向后滑动时，滑杆25位于第二滑块22的滑槽24中，滑杆25与第二滑块22一起移动，并且相对于第一滑块21滑动。通过这种方式，向机翼输出功率的操作系统将由伺服器锁定的电机控制，并随着销钉的运动而适时锁定。齿轮在转动时，在下冲过程中，机翼完全伸展，此时滑杆25位于第二滑块22的滑槽24内，滑杆25被第一滑块21锁死，在第二滑块22的滑槽24中运动。在上冲过程中，机翼折叠回缩，此时滑杆25位于第二滑块22的滑槽24中。此外，由于在下冲过程中第一滑块21将机翼锁定在扩展状态，所以机翼的变形运动可以通过舵机31控制。左翼和右翼可以独立驱动，如果在下冲阶段机翼完全展开时，引起翼展面积的双边不对称变化，则两侧的翅膀将会产生升力差，从而实现飞行器的转向。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于仿生学的扑翼式可折展飞行器，其特征在于，包括机架，所述机架的左右两侧分别对称设有机翼连杆机构、锥形摇臂机构、变形耦合联动机构，所述机架的中心位置设有驱动机构；所述机翼连杆机构包括若干个骨翼以及实现若干个骨翼传动的连杆机构，所述机翼连杆机构安装在所述锥形摇臂机构上，所述驱动机构用于驱动所述锥形摇臂机构运动，以使所述机翼连杆机构上下摆动，所述变形耦合联动机构用于驱动所述连杆机构运动，以使所述机翼连杆机构中的若干个骨翼展开和折叠；所述锥形摇臂机构包括沿所述机架前后方向延伸的转轴，所述转轴的两端转动安装在所述机架上，所述转轴上设有固定块，所述固定块的上下两侧分别设有铰接轴，所述铰接轴上铰接有摇臂，所述摇臂远离所述铰接轴的一端铰接有连接轴，所述锥形摇臂机构包括转动安装在所述机架上的传动齿轮，所述连接轴远离所述摇臂的一端偏心球铰在所述齿轮上；所述机翼连杆机构包括端部铰接的第一骨翼和第二骨翼，所述第一骨翼远离第二骨翼的一端铰接在所述铰接轴上，所述第二骨翼的远离第一骨翼的一端铰接有第三骨翼、第四骨翼以及第五骨翼，所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆以及第四连杆，所述第一连杆的一端铰接在所述第一骨翼上，所述第二连杆的一端铰接在所述第一骨翼与第二骨翼的枢轴上，所述第三连杆的一端铰接在所述第一连杆中部，所述第二连杆的端部铰接在所述第三连杆中部，所述第四连杆的一端铰接在所述第三骨翼上，且所述第四连杆穿过所述第四骨翼以及第五骨翼，所述第四连杆的另一端与所述第三连杆远离第一连杆的一端铰接。

2.根据权利要求1所述的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器，其特征在于，所述第一骨翼以及第二骨翼分别包括翼梁以及固定连接在所述翼梁一侧的翼板。

3.根据权利要求2所述的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器，其特征在于，所述变形耦合联动机构包括滑动装配在所述转轴的第一滑块、第二滑块以及位于所述第一滑块和第二滑块之间的第三滑块，所述第二滑块上设有沿前后方向延伸的滑槽，所述滑槽内设有滑杆，所述滑杆与所述第一滑块铰接，所述滑杆上铰接有连接板，所述连接板远离所述滑杆的一端与所述第三滑块铰接，所述第一连杆与所述第三滑块铰接，所述第二滑块上铰接有中间板，所述中间板远离所述第二滑块的一端与所述摇臂铰接，所述变形耦合联动机构包括舵机，所述舵机的输出轴上固定连接有第一传动杆，所述第一传动杆远离所述舵机的一端铰接有第二传动杆，所述第二传动杆远离所述第一传动杆的一端铰接有第三传动杆，所述第三传动杆与所述第一滑块固定连接。

4.根据权利要求3所述的基于仿生学的扑翼式可折展飞行器，其特征在于，所述机架内设有安装板，所述安装板的左右两侧分别设有固定架，所述驱动机构包括驱动电机，所述驱动电机的端部设有第一齿轮，所述安装板上设有安装孔，所述安装孔内设有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，所述第二齿轮的中心轴左右两端分别通过轴承转动安装在两个所述固定架上，所述第二齿轮两侧的中心轴上分别设有第三齿轮，两个所述第三齿轮分别与两个所述传动齿轮啮合。