KR101477687B1 - Flapping-wing system having a pitching moment generator for longitudinal attitude control - Google Patents

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건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 종방향 자세 제어를 위한 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체에 관한 것으로, 날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임(110)과; 상기 프레임(110)에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈(120)과; 상기 구동모듈(120)의 회전 구동력에 의해 상기 프레임(110)에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더(130)와; 상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더(140)와; 상기 날개고정홀더(140) 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더(130)와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재(150)와; 상기 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임(110)에 힌지 조립되어 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재(160)를 포함하여, 복잡한 기구적인 구성이 없이도 날갯짓 비행체의 플랩핑각 범위의 조작만으로도 용이하게 자세 제어가 이루어질 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a flapping flight having a pitching moment generator for longitudinal position control, comprising: a frame (110) constituting a body of a flapping flight; A driving module (120) fixed to the frame (110) to generate a rotational driving force; A slider 130 slidable in a vertical direction on the frame 110 by a rotational driving force of the driving module 120; A pair of blade fixing holders 140 provided symmetrically on both sides of the frame to fix the blades; A pair of link members (150) rotatably connected at one end to each of the blade fixing holders (140) and the other end rotatably connected to the slider (130); And a tilting angle operating member 160 rotatably connected to each of the pair of blade fixing holders 140 and hinged to the frame 110 to adjust a tilting angle range of the blade fixing holder 140 Thus, it is possible to easily perform posture control even if the flapping angle range of the flapping flight body is manipulated without a complicated mechanical structure.

Description

종방향 자세 제어를 위한 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체{FLAPPING-WING SYSTEM HAVING A PITCHING MOMENT GENERATOR FOR LONGITUDINAL ATTITUDE CONTROL}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a flapping-wing system having a pitching moment generating device for longitudinal posture control,

본 발명은 종방향 자세 제어를 위한 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체에 관한 것으로, 특히 꼬리가 없는 곤충 모방형 날갯짓 비행체에서 플랩핑각 범위의 조정으로 발생된 피칭 모멘트에 의해 종방향 자세 제어가 이루어질 수 있는 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체에 관한 것이다.
[0001] The present invention relates to a flapping body having a pitching moment generating device for longitudinal posture control, and more particularly to a longitudinal flapping control by a pitching moment generated by adjustment of a flapping angle range in an insect-mimicking flapping body without a tail The present invention relates to a winging flight vehicle having a pitching moment generator capable of generating a pitching moment.

일반적으로 날갯짓 비행체(ORNITHOPTER)는 날개를 퍼덕거리면서 나는 비행체를 말하며, 이처럼 플래핑 운동(FLAPPING MOTION)을 하는 날갯짓 비행체에 관한 연구는 1490년 레오나르도 다빈치의 설계 이후 그 기술이 고도로 발달하여 현재는 다양한 종류의 비행체가 개발되고 있는데, 이는 간단한 완구용으로뿐만 아니라 각종 산업용 및 기타 군사용으로까지 응용범위가 방대하고, 또한, 그것을 이용함으로써 뛰어난 효과를 얻을 수 있기 때문이다.In general, the ORNITHOPTER is a flapping flapping flapping motion, and the study of the flapping motion flapping motion is based on the highly developed technology since the design of Leonardo da Vinci in 1490, A variety of applications are being developed not only for simple toys but also for various industrial and other military applications, and it is also possible to obtain excellent effects by using it.

종래의 날갯짓 비행체는 엔진, 고무줄 또는 압축가스를 동력원으로 사용하고 있는데, 상기 엔진 동력 날갯짓 비행체는 출력이 큰 반면에 소음이 크고 초보자가 엔진과 연료를 취급하는 것이 어려운 문제가 있다. 또한, 고무동력 또는 압축가스 동력을 이용한 날갯짓 비행체는 다루기가 쉽지만 비행시간이 매우 짧고 사용자가 방향이나 고도 등을 마음대로 조종할 수 없는 문제점이 있었다.Conventional flapping vehicles use an engine, a rubber band, or a compressed gas as a power source. The engine-powered flapping vehicle has a large output, but has a large noise and is difficult for a beginner to handle the engine and fuel. In addition, the wing flap body using rubber power or compressed gas power is easy to handle, but the flight time is very short and the user can not control the direction or altitude at will.

한편, 곤충은 조류와는 달리 꼬리에서의 조종면(control surface)이 없으면서도 날개만을 이용하여 양력이나 추력 발생 이외에도 양 날개만으로 자세 제어가 이루어지므로, 곤충 모방형 날갯짓 비행체를 구현하는 것은 매우 어렵다.On the other hand, it is very difficult to realize an insect mimic wing flap flight body because the insect has control surface with only two wings in addition to lift or thrust generation by using only the wings without the control surface in the tail unlike the algae.

본 발명자는 양 날개 만을 이용하여 비행이 이루어지는 곤충 모방형 날갯짓 비행체를 다년간 연구 개발하였으며, 예를 들어 등록특허 제10-1031869호(등록일자: 2011.04.21)(이하, "선행기술문헌"이라 함)에서 큰 날갯짓 각도를 발생하는 날갯짓 장치를 제안하였다.The present inventor has conducted research and development on insect-mimicking flapping bodies that have been made using only two wings for many years. For example, the present invention is described in Korean Patent No. 10-1031869 (registered date: 2011.04.21) (hereinafter referred to as "prior art document" ) Proposed a flapping device that produces a large flap angle.

상기 선행기술문헌에서는 초소형의 날갯짓 비행체에서 큰 각도로 날갯짓이 이루어져 충분한 양력을 발생시킬 수 있도록 큰 날갯짓 각도를 얻을 수 있는 날갯짓 장치를 제시하고 있다.The prior art document discloses a flapping device capable of obtaining a large flapping angle so that a flapping flap is formed at a large angle in an ultra small flapping flight body to generate sufficient lift.

도 1은 종래기술에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면으로, 상기 선행기술문헌의 날갯짓 장치에서 사용된 작동 메커니즘을 보여주고 있으며, 동체를 중심으로 좌우가 대칭되게 구동이 이루어지며 도면에서는 한 쪽 날개만을 도시하고 있다. FIG. 1 is a schematic view showing a wing mechanism of a wing flap according to the prior art. FIG. 1 shows an operation mechanism used in the prior art wing flap apparatus, and is driven symmetrically about a fuselage. Only one wing is shown.

도 1을 참고하면, 동체에 마련된 구동모터의 구동력은 감속기어를 통해 크랭크(R)로 전달되며, 크랭크(R)의 회전운동은 스코치 요크(scotch yoke) 기구에 의해 슬라이더(S)의 상하(y축 방향) 운동이 이루어지며, 이때 슬라이더(S) 일단에 힌지(O1) 체결된 제1링크(L1)가 마련되고 제1링크(L1)와 힌지(O2) 체결된 제2링크(L2)는 동체에 고정된 힌지(O3)를 중심으로 하여 슬라이더(S)의 상하 운동에 따라서 제1링크(L1)를 매개로 일정 각도(β) 범위 내에서 회전이 이루어진다. 한편 제2링크(L2)는 비행체의 날개가 고정되어 제2링크(L2)의 회전각은 날갯짓 각도에 해당한다. 1, the driving force of the driving motor provided in the moving body is transmitted to the crank R through the reduction gear, and the rotational motion of the crank R is transmitted to the upper and lower portions of the slider S by the scotch yoke mechanism y-axis direction) movement is made, wherein the sliders (S) one end hinged (O 1) of fastening a first link (L1) is provided being hinged to the first link (L1) (O 2) entered into the second link ( L2) is made to rotate within a predetermined angle (β) range of the medium to the first link (L1) in accordance with the vertical movement of the hinge as the center (O 3) fixed to the slider body (S). On the other hand, the second link (L2) is fixed on the wing of the airplane, and the rotation angle of the second link (L2) corresponds to the wing angle.

이러한 날갯짓 작동 메커니즘을 갖는 날갯짓 비행체는 다음의 [수학식 1]과 같이 벡터식이 성립한다.The wing flap body having such a flapping operation mechanism has a vector expression as shown in the following Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013028878674-pat00001
Figure 112013028878674-pat00001

한편, [수학식 1]의 벡터식은 x, y성분에 대해 다음과 같이 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, the vector expression of [Equation 1] can be expressed as Equation 2 with respect to the x and y components as follows.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112013028878674-pat00002
Figure 112013028878674-pat00002

위 식에서, A는 링크(R)의 길이이며, Φ는 구동모터의 회전에 의한 회전각도이다. 이와 같은 [수학식 2]로부터 날갯짓 각도(β)는 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.In the above equation, A is the length of the link (R), and? Is the rotation angle due to the rotation of the drive motor. From Equation (2), the flapping angle (?) Can be expressed by the following Equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112013028878674-pat00003
Figure 112013028878674-pat00003

이와 같은 날갯짓 장치는 적절한 링크의 조합에 의해 매우 큰 날갯짓 각도를 얻을 수가 있다.Such a flapping device can obtain a very large flapping angle by a combination of appropriate links.

한편, 앞서도 언급한 것과 같이 곤충은 날갯짓 동작에 의해 비행에 필요한 추력이나 양력을 발생시킴과 함께 날갯짓을 이용하여 자세 제어가 이루어지며, 구체적으로 곤충들의 자세 제어를 위한 조종력(control force)은 날갯짓 스트로크의 크기(플랩핑각), 날갯짓 주파수(또는 플랩핑 주파수), 자세의 변화에 영향을 받는다.In addition, as mentioned above, the insect generates the thrust or lift required for the flight by the flapping action, and the posture control is performed by using the flapping. Specifically, the control force for controlling the posture of the insect is the flapping The size of the stroke (flapping angle), the flapping frequency (or flapping frequency), and the change in posture.

날갯짓 스트로크의 진폭은 초파리의 공력(aerodynamic force) 발생에서 중요한 조정 파라미터로 고려되며, 스트로크 진폭을 변화하여 평균 공력중심(aerodynamic force center; AC)을 변화시킬 수 있다.The amplitude of the flapping stroke is considered as an important adjustment parameter in the generation of aerodynamic forces in the flies, and the aerodynamic force center (AC) can be varied by varying the stroke amplitude.

날갯짓 주파수는 비행력과 조종력 발생에서 또 다른 중요한 파라미터로 고려되며, 힘의 발생과 비행 속도에 많은 영향을 미친다. The frequency of the flapping wing is considered as another important parameter in the generation of flight force and maneuvering force, and has a great influence on the generation and flight speed of the force.

곤충의 자세 변화는 실질적으로 비행체의 무게중심(CG)의 위치를 변경하게 되며, 따라서 평균 공력중심(AC)과 무게중심(CG) 사이의 거리를 조정하게 되어 조종 모멘트를 발생시키게 된다.The change of the posture of the insect actually changes the position of the center of gravity (CG) of the flying object, and thus adjusts the distance between the average aerodynamic center (AC) and the center of gravity (CG), thereby generating the steering moment.

이 밖에도 어떤 곤충들에서는 몸통축에 대해 스트로크 면각(stroke plane angle)을 변화시켜서 공력을 조정하여 조종력을 얻기도 하는 것이 알려져 있다.In addition, it is known that in some insects, the stroke plane angle is changed with respect to the body axis to adjust the aerodynamic force to obtain the steering force.

이와 같이 곤충의 자세 조정 메커니즘에 대한 이해는 곤충 모방형 날갯짓 비행체의 개발과 연구에 유용하게 활용될 수 있으며, 본 발명자는 날갯짓 비행체에서 날갯짓 스트로크 진폭의 범위(range)를 조정하여 피칭 모멘트(pitching moment) 발생을 방지하여 비행체의 자세 제어가 이루어질 수 있음을 확인한 바 있다.
In this way, the understanding of the posture adjustment mechanism of insects can be used for development and research of insect mimetic wing flap vehicles. The present inventors adjusted the range of the amplitude of the wing stroke amplitude of the flapping wing aircraft to calculate the pitching moment ) Of the vehicle can be prevented from occurring.

본 발명은 양 날개 만을 이용하여 비행이 이루어지는 곤충 등과 같은 초소형 날갯짓 비행체의 종방향 자세를 제어함에 있어서 복잡한 기구적인 구성을 배제하고 간단히 플랩핑각 범위의 조작만으로 비행체의 종방향 자세 제어가 이루어질 수 있는 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체를 제공하고자 한다.
In the present invention, it is possible to control the longitudinal posture of an ultra-small flapping flight body such as an insect flying by using only two wings, and to control the longitudinal posture of the flight body by simply manipulating the flapping angle range, To provide a wing flap body having a pitching moment generator.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 날갯짓 비행체는, 날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임과; 상기 프레임에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈과; 상기 구동모듈의 회전 구동력에 의해 상기 프레임에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더와; 상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더와; 상기 날개고정홀더 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재와; 상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임에 힌지 조립되어 날개고정홀더의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재에 의해 달성된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wing flap body including: a frame constituting a body of a flap body; A driving module fixed to the frame to generate a rotational driving force; A slider vertically slidable on the frame by a rotational driving force of the driving module; A pair of blade fixing holders provided symmetrically on both sides of the frame to fix the blades; A pair of link members each having one end rotatably connected to each of the blade fixing holders and the other end rotatably connected to the slider; And a tilting angle operating member rotatably connected to each of the pair of blade fixing holders and hinged to the frame to adjust a tilting angle range of the blade fixing holder.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 틸팅각 조작부재는, 상기 프레임에 회동 가능하게 힌지 조립되는 고정 힌지축과, 상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 힌지 조립되어 상기 고정 힌지축을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축을 포함하는 한 쌍의 피동부와; 상기 고정 힌지축을 회전축으로 하는 상기 피동부의 회동 각도를 규제하게 되는 구동부를 포함한다.Preferably, in the present invention, the tilting angle operating member includes: a fixed hinge shaft rotatably hinged to the frame; a tilt angle adjusting member that is hinged to each of the pair of the blade fixing holders, A pair of driven portions including movable hinge shafts as possible; And a driving unit for regulating an angle of rotation of the driven unit with the fixed hinge axis as a rotation axis.

보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 구동부는 동체에 직선 이동이 가능한 랙기어를 포함하며, 상기 피동부는 상기 랙기어와 치합되는 피니언기어를 포함한다.More preferably, in the present invention, the drive unit includes a rack gear that can linearly move on a body, and the driven unit includes a pinion gear engaged with the rack gear.

더욱 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 구동부는 상기 동체의 중심축 상에 상하 이동 가능하게 마련되어 한 쌍의 피동부 각각에 대응되도록 상기 랙기어가 양측에 대칭되게 형성된 것을 특징으로 한다.More preferably, in the present invention, the driving unit is provided so as to be movable up and down on a central axis of the moving body, and the rack gear is symmetrically formed on both sides so as to correspond to each of the pair of driven parts.

다음으로, 본 발명의 날갯짓 비행체는, 양 날개의 날갯짓에 의해 비행이 이루어지는 날갯짓 비행체으로서, 동체에 마련된 구동원의 회전 구동력을 상하 왕복 운동으로 변환하여 양 날개의 상하 날갯짓 운동을 발생시키되, 양 날개는 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생됨으로써 달성될 수 있다.
Next, the flapping flight body of the present invention is a flapping flight body in which a flight is performed by the flap of two wings, and the rotational driving force of the drive source provided on the body is converted into a vertical reciprocating motion to generate a vertical flapping motion of the two flaps, A movable hinge shaft capable of being manipulated with respect to a moving body, and manipulation of the range of the flapping angles of the two wings according to the position of the movable hinge shaft is performed, thereby generating a pitching moment of the flying body.

본 발명에 따른 날갯짓 비행체는, 양 날개는 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치 조작에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생됨으로써, 날갯짓 비행체의 종방향 제어를 위하여 복잡한 기구적인 구성이 없이도 날갯짓 비행체의 플랩핑각 범위의 조작만으로도 용이하게 자세 제어가 이루어질 수 있는 효과가 있다.
The wing flap body according to the present invention includes a movable hinge shaft capable of being moved with respect to a moving body, and a manipulation of the flapping angle range of both wings is performed according to the manipulation of the position of the movable hinge shaft, , The posture control can be easily performed even if the flapping angle range of the flapping flight body is manipulated without complicated mechanical configuration for the longitudinal control of the flapping flight body.

도 1은 종래기술에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 전체 구성을 보여주는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 분해 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체에서 정의된 각도를 설명하기 위한 도면,
도 6의 (a)(b)는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 요부 구성 및 작동예를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 실물 사진,
도 8의 (a)(b)는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 플랩핑 운동과 날개 회전 운동을 측정하여 얻은 그래프,
도 9는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체를 테스트하기 위한 테스트 셋업 상태를 보여주는 사진,
도 10은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 노말 케이스에 대한 테스트 세업 상태를 보여주는 사진,
도 11은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 피칭업 케이스에 대한 테스트 세업 상태를 보여주는 사진,
도 12는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 피칭다운 케이스에 대한 테스트 세업 상태를 보여주는 사진,
도 13은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 종방향 자세제어를 시연하기 위한 실험장치를 보여주는 사진,
도 14의 (a)(b)(c)는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체에 있어서 각각 다른 플랩핑각 범위에 의한 비행체의 동작을 연속적으로 보여주는 사진.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagrammatic view showing a wing mechanism of a wing flap according to the prior art,
2 is a perspective view showing the overall configuration of a flapping wing flight according to the present invention,
FIG. 3 is an exploded perspective view of a winged flying vehicle according to the present invention,
FIG. 4 is a diagram schematically showing a flapping mechanism of a flapping wing according to the present invention,
5 is a view for explaining angles defined in the flapping flight according to the present invention,
6 (a) and 6 (b) are views showing a configuration and an operation example of a main part of a flapping wing flight according to the present invention,
FIG. 7 is a photograph showing a real photograph of a winged flying body manufactured according to the present invention,
8 (a) and 8 (b) are graphs obtained by measuring the flapping motion and the wing rotation motion of the flapping air vehicle manufactured according to the present invention,
FIG. 9 is a photograph showing a test setup state for testing a winged flight vehicle manufactured according to the present invention,
FIG. 10 is a photograph showing the state of the test for the normal case of the flapping air vehicle manufactured according to the present invention,
FIG. 11 is a photograph showing a test resting state of a pitching-up case of a winged flying vehicle manufactured according to the present invention,
FIG. 12 is a photograph showing a test resting state of a pitching-down case of a winged flying vehicle manufactured according to the present invention,
FIG. 13 is a photograph showing an experimental apparatus for demonstrating longitudinal posture control of a winged flying object manufactured according to the present invention,
FIGS. 14 (a), 14 (b) and 14 (c) are photographs continuously showing the operation of the airplane according to different flapping angle ranges in the flapping airplane manufactured according to the present invention.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structure or functional description presented in the embodiment of the present invention is merely illustrative for the purpose of illustrating an embodiment according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention can be implemented in various forms. And should not be construed as limited to the embodiments described herein, but should be understood to include all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.Meanwhile, in the present invention, the terms first and / or second etc. may be used to describe various components, but the components are not limited to the terms. The terms may be referred to as a second element only for the purpose of distinguishing one element from another, for example, to the extent that it does not depart from the scope of the invention in accordance with the concept of the present invention, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.Whenever an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but it should be understood that other elements may be present in between something to do. On the other hand, when it is mentioned that an element is "directly connected" or "directly contacted" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions for describing the relationship between components, such as "between" and "between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should also be interpreted.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It will be further understood that the terms " comprises ", or "having ", and the like in the specification are intended to specify the presence of stated features, integers, But do not preclude the presence or addition of steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

본 발명에 따른 날갯짓 비행체는 동체에 마련된 구동원의 회전 구동력을 상하 왕복 운동으로 변환하여 양 날개의 상하 날갯짓 운동을 발생시키게 되며, 이때 양 날개는 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생되는 것을 특징으로 한다.The wing flap body according to the present invention includes a movable hinge shaft capable of operating a position with respect to a moving body, wherein the wing flap body converts the rotational driving force of a driving source provided in the body into a reciprocating motion to generate upper and lower flap motions of the two wings. The operation of the flapping angle range of both wings is performed according to the position of the movable hinge shaft, thereby generating a pitching moment of the flying body.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 전체 구성을 보여주는 사시도로써, 비행체(100)에 대해 횡방향(좌우 방향)을 X축, X축과 직교하는 비행체(100)의 종방향을 Z축, X-Z평면과 직교하는 방향을 Z축으로 하며, Z축 둘레의 회전을 롤링(R), X축 둘레의 회전을 피칭(P), Y축 둘레의 회전을 요잉(Y)으로 설명한다.FIG. 2 is a perspective view showing the overall configuration of a flapping body according to the present invention. The longitudinal direction of the flying body 100 orthogonal to the X-axis is defined as a Z-axis, the X- The direction perpendicular to the plane is defined as the Z axis. The rotation around the Z axis is referred to as rolling (R), the rotation around the X axis is referred to as pitching (P), and the rotation around the Y axis is referred to as yawing (Y).

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 날갯짓 비행체(100)는, 날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임(110)과; 상기 프레임(110)에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈(120)과; 상기 구동모듈(120)의 회전 구동력에 의해 상기 프레임(110)에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더(130)와; 상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더(140)와; 상기 날개고정홀더(140) 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더(130)와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재(150)와; 상기 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임(110)에 힌지 조립되어 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재(160)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the flapping body 100 according to the present invention includes a frame 110 constituting a body of a flapping body; A driving module (120) fixed to the frame (110) to generate a rotational driving force; A slider 130 slidable in a vertical direction on the frame 110 by a rotational driving force of the driving module 120; A pair of blade fixing holders 140 provided symmetrically on both sides of the frame to fix the blades; A pair of link members (150) rotatably connected at one end to each of the blade fixing holders (140) and the other end rotatably connected to the slider (130); And a tilting angle operating member 160 rotatably connected to each of the pair of blade fixing holders 140 and hinged to the frame 110 to adjust a tilting angle range of the blade fixing holder 140 do.

도 3은 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 분해 사시도이다. 3 is an exploded perspective view of a winged flying vehicle according to the present invention.

도 3에 예시된 것과 같이, 프레임(110)은 전면 플레이트(111)와 후면 플레이트(112)를 포함하며, 전면 플레이트(111)와 후면 플레이트(112)는 상하단에 각각 수평 플레이트(113)에 의해 고정되어 상호 이격되어 평행하게 마련된다. 3, the frame 110 includes a front plate 111 and a rear plate 112, and the front plate 111 and the rear plate 112 are supported by upper and lower horizontal plates 113, respectively, And are arranged parallel and spaced apart from each other.

상하단의 수평 플레이트(113)에는 한 쌍의 수직봉(114)이 조립되며, 이 수직봉(114)에는 슬라이더(130)가 조립되어 슬라이더(130)의 수직 이동을 안내한다.A pair of vertical rods 114 are assembled to the horizontal plate 113 at the upper and lower ends and a slider 130 is assembled to the vertical rods 114 to guide the vertical movement of the slider 130.

구동모듈(120)은 구동모터(121)와, 이 구동모터(121)에 의해 회전 구동하는 기어군(122)과, 이 기어군(122)에 마련된 크랭크축(123)을 포함하며, 크랭크축(123)은 슬라이더(130)와 조립되어 크랭크축(123)의 회전 구동에 의해 슬라이더(130)는 수직방향으로 왕복운동이 이루어진다.The drive module 120 includes a drive motor 121, a gear group 122 driven by the drive motor 121 and a crankshaft 123 provided in the gear group 122, (123) is assembled with the slider (130), and the slider (130) is reciprocated in the vertical direction by rotational drive of the crank shaft (123).

슬라이더(130)는 수평방향으로 장공의 가이드홈(131)이 형성되어 크랭크축(123)과 조립되어 구동모듈(120)에 의해 프레임(110)의 수직방향으로 왕복운동이 이루어진다. 또한, 슬라이더(130)는 좌우 대칭된 형상을 가지며 양단은 각각 힌지핀에 의해 링크부재(150) 하단과 힌지 조립된다.The slider 130 has a long guide groove 131 formed in the horizontal direction and is assembled with the crank shaft 123 and is reciprocated in the vertical direction of the frame 110 by the drive module 120. Further, the slider 130 has a left-right symmetrical shape, and both ends thereof are hinged to the lower end of the link member 150 by hinge pins.

슬라이더(130)는 수직봉(114)과 조립되는 조립공(132)이 마련된다.The slider 130 is provided with an assembly hole 132 to be assembled with the vertical bar 114.

날개고정홀더(140)는 프레임(110)의 좌우 양측에 대칭되게 한 쌍으로 마련되어 날개(미도시)가 고정된다. 날개고정홀더(140)의 일단에는 개구된 끼움홈(141)이 마련되어 날개의 고정이 이루어지며, 타단에는 제1힌지공(142)이 형성되어 링크부재(150) 상단과 힌지핀에 의해 조립이 이루어지며, 대략 날개고정홀더(140)의 중앙 위치에 제2힌지공(143)이 형성되어 틸팅각 조작부재(160)와 힌지핀에 의해 조립이 이루어진다.The wing fixing holders 140 are provided symmetrically on both sides of the frame 110, and wings (not shown) are fixed. The wing fixture holder 140 is provided at one end thereof with a fitting groove 141 to fix the wing and a first hinge hole 142 at the other end thereof to be assembled by the upper end of the link member 150 and the hinge pin. And a second hinge hole 143 is formed at the center of the wing fixing holder 140 so that the hinge pin is assembled by the tilting angle manipulation member 160 and the hinge pin.

링크부재(150)는 양단이 각각 슬라이더(130)와 날개고정홀더(140)와 힌지핀에 의해 회동 가능하게 조립되어, 슬라이더(130)의 수직 운동에 의해 날개고정홀더(140)의 날갯짓 운동이 이루어진다.The link member 150 is assembled such that both ends of the link member 150 are rotatable by the slider 130 and the wing fixing holder 140 and the hinge pin and the wing movement of the wing fixing holder 140 is performed by the vertical movement of the slider 130 .

틸팅각 조작부재(160)는 프레임(110)에 힌지 조립된 상태에서 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 회동 가능하게 조립되며, 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 이루어질 수 있다.The tilting angle operating member 160 is rotatably assembled to each of the pair of blade fixing holders 140 while being hinged to the frame 110 so that the tilting angle range of the blade fixing holder 140 can be adjusted have.

본 실시예에서 틸팅각 조작부재(160)는 프레임(110)에 회동 가능하게 힌지 조립되는 고정 힌지축(O4)과, 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 힌지 조립되어 고정 힌지축(O4)을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축(O3)을 포함하는 한 쌍의 피동부(161)와; 고정 힌지축(O4)을 회전축으로 하는 피동부(161)의 회동 각도를 규제하게 되는 구동부(162)로 구성됨을 보여주고 있다.The tilting angle manipulating member 160 includes a fixed hinge axis O 4 that is rotatably hinged to the frame 110 and a fixed hinge axis O 4 that is hinged to each of the pair of the blade fixing holders 140, A pair of driven portions 161 including a movable hinge axis O 3 rotatable about an axis O 4 as a rotational axis; And a driving unit 162 that regulates a rotation angle of the driven unit 161 having the fixed hinge axis O 4 as a rotation axis.

도 3에 예시된 것과 같이, 피동부(161)는 대략 중앙에 제1힌지공(161a)이 형성되어 전면 플레이트(111)와 힌지핀에 의해 조립되며, 이때 제1힌지공(161a)은 피동부(161)의 고정 힌지축으로 기능하며, 일단에 마련된 제2힌지공(161b)은 날개고정홀더(140)의 제2힌지공(143)과 힌지핀에 의해 회동 가능하게 조립되어 고정 힌지축을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축으로 기능한다. 3, a first hinge hole 161a is formed at a substantially central portion of the driven portion 161 and is assembled by a front plate 111 and a hinge pin, The second hinge hole 161b provided at one end is rotatably assembled by the second hinge hole 143 of the wing fixture holder 140 and the hinge pin so that the fixed hinge shaft And serves as a movable hinge shaft which can rotate with the rotation shaft.

한편, 피동부(161) 일단은 제1힌지공(161a)을 중심으로 하는 원호 형상에 다수의 피니언기어(161c)가 마련된다.On the other hand, a plurality of pinion gears 161c are provided at one end of the driven portion 161 in the shape of an arc centering on the first hinge hole 161a.

바람직하게는, 본 실시예에서 구동부(162)는 동체에 수직방향으로 직선 이동이 가능한 랙기어(162a)가 양측에 대칭되게 형성되며, 이 랙기어(162a)는 피동부(161)의 피니언기어(161c)와 치합되어, 구동부(162)의 상하 위치에 따라서 피동부(161)의 회동 각도의 규제가 이루어질 수 있으며, 피동부(161)의 위치(각도)에 의해 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 이루어진다.Preferably, in this embodiment, the driving portion 162 is formed symmetrically on both sides of a rack gear 162a which is linearly movable in a direction perpendicular to the body, and the rack gear 162a is fixed to the pinion gear The angle of rotation of the driven portion 161 can be regulated according to the vertical position of the driving portion 162 and the position of the driven portion 161 can be restricted by the position Adjustment of the tilting angle range is made.

도면부호 163은 구동부(162)를 프레임에 조립하기 위한 고정브라켓이며, 하나 또는 두 개의 고정브라켓이 구동부(162)를 감싸도록 전면 플레이트(111)와 조립되어 구동부(162)는 프레임에 대해 수직방향으로 이동이 가능하다.Reference numeral 163 denotes a fixing bracket for assembling the driving unit 162 to the frame and one or two fixing brackets are assembled with the front plate 111 so as to enclose the driving unit 162 so that the driving unit 162 can move vertically Can be moved to.

도시되지는 않았으나, 본 발명에서 구동부는 별도의 선형모터와 같은 액츄에이터에 의해 상하 조작이 이루어질 수 있다.
Although not shown, the driving unit in the present invention can be vertically operated by an actuator such as a separate linear motor.

도 4는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면으로, 본 발명에서 좌우 날개는 동체 중심으로 좌우 대칭되게 구동이 이루어지며 도 4에서는 좌측 날개의 구동 메커니즘만을 도시하였다.FIG. 4 is a schematic view showing a wing mechanism of a winged flying vehicle according to the present invention. In the present invention, the right and left wings are driven symmetrically with respect to a fuselage, and only the driving mechanism of the left wing is shown in FIG.

도 4를 참고하면, 슬라이더(130)는 링크부재(150) 하단과 회동 가능하게 조인트(O1) 연결되며, 링크부재(150) 상단은 날개고정홀더(140) 일단과 회동 가능하게 조인트(O2) 연결되고 날개고정홀더(140)는 타단은 피동부(161) 일단과 회동 가능하게 조인트(O3) 연결된다. 피동부(161) 일단은 동체에 회동 가능하게 힌지 체결되며, 이 힌지축은 고정 힌지축(O4)으로서 피동부(161)는 고정 힌지축(O4)을 회전축으로 하여 날개고정홀더(140)와 연결되는 조인트(O3)는 링크부재(150)의 구동에 의해 회전이 이루어지는 날개고정홀더(140)의 가동 힌지축(O3)으로 기능하게 된다.4, the slider 130 is rotatably connected to the lower end of the link member 150 and the upper end of the link member 150 is rotatably connected to one end of the blade fixing holder 140, 2 ) and the other end of the blade fixing holder 140 is connected to the joint (O 3 ) so as to be rotatable with one end of the driven part 161. Driven members 161, one end is fastened hinge rotatably in the body, the hinge axis is a fixed hinge axis (O 4) as the driven members 161 is a wing fixed holder 140 and the rotation axis to a fixed hinge axis (O 4) The joint O 3 connected to the link member 150 functions as the movable hinge axis O 3 of the blade fixing holder 140 rotated by the driving of the link member 150.

따라서 스코치 요크(scotch yoke) 메커니즘에 의해 구동모듈의 회전운동은 슬라이더(130)의 상하 왕복운동으로 전환되며, 슬라이더(130)의 상하 운동에 의해 날개고정홀더(140)는 가동 힌지축(O3)을 회전축으로 하여 링크부재(150)에 의해 일정 틸팅각(β) 범위 내에서 날갯짓 운동이 이루어진다. Therefore, the rotational motion of the driving module is switched to the vertical reciprocating motion of the slider 130 by the scotch yoke mechanism, and the wing fixing holder 140 is moved up and down by the vertical movement of the slider 130 to the movable hinge axis O 3 And the wing movement is performed by the link member 150 within a range of a predetermined tilting angle beta.

한편, 가동 힌지축(O3)의 틸팅각(χ)은 구동부(162)(도 3 참고)의 상하 위치에 따라서 결정되며, 따라서 힌지축(O3)의 위치에 따라서 날개의 플랩핑각(flapping angle)을 임의 각도 범위로 조작이 가능하다.On the other hand, the movable hinge axis (O 3) of the tilting angle (χ) is a blade according to the position of being determined in accordance with the vertical position of the drive unit 162 (see FIG. 3), and thus the hinge axis (O 3) flapping angle ( flapping angle can be manipulated in arbitrary angle range.

도 4에서

Figure 112013028878674-pat00004
는 크랭크축(123)의 회전운동에 의한 회전 각도를 나타내며, γ는 슬라이더(130)와 링크부재(150)의 조인트(O1)를 지나는 수직축과 가동 힌지축(O3) 사이의 사잇각을 나타낸다.4,
Figure 112013028878674-pat00004
Represents the angle of rotation by the rotational motion of the crankshaft (123), γ denotes an included angle between the slider 130 and the link member 150, the joint (O 1) for passing through the vertical axis and movable hinge axis (O 3) .

이러한 본 발명의 날갯짓 비행체는 크랭크축의 회전운동에 의한 날개고정홀더(140)의 출력각(output angle)(β)은 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.The output angle (?) Of the blade fixing holder 140 due to the rotational motion of the crankshaft can be expressed by the following Equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112013028878674-pat00005
Figure 112013028878674-pat00005

한편, [수학식 4]에서 γ는 다음의 [수학식 5]와 같이 표현된다.On the other hand, in Equation (4),? Is expressed by the following Equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112013028878674-pat00006
Figure 112013028878674-pat00006

한편, 도 5는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체에서 정의된 각도를 설명하기 위한 도면으로, 이를 참고하면 플랩핑각(ψ)은 다음의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.FIG. 5 is a view for explaining angles defined in the flapping flight according to the present invention. Referring to FIG. 5, the flapping angle can be expressed by the following equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112013028878674-pat00007
Figure 112013028878674-pat00007

예를 들어, 가동 힌지축(O3)의 틸팅각(χ)이 0(영)인 경우(이하, "노말 케이스(normal case)"라 함)에,

Figure 112013028878674-pat00008
가 -π/2에서 π/2 만큼 회전하게 되면 날개 축(feather axis)은 ψmax에서 ψmin 각도 범위를 갖게 되며, 이때 ψmax와 ψmin은 각각 업스트로크와 다운스트로크에서의 최대 각도에 해당한다. For example, when the tilting angle? Of the movable hinge axis O 3 is 0 (zero) (hereinafter referred to as a "normal case"),
Figure 112013028878674-pat00008
The feather axis has a range of angles ψ min at ψ max, where ψ max and ψ min correspond to the maximum angles in upstrokes and downstrokes, respectively. do.

크랭크축의 회전축과 고정 힌지축(O4) 사이의 수직거리(h)와, 조인트(O2)와 조인트(O3) 사이의 길이가 결정되면, [수학식 4]와 [수학식 6]으로부터 ψmax와 ψmin을 계산할 수 있으며, 이때 링크부재(150)의 두 조인트(O1)(O2) 사이의 길이와 크랭크축(123)의 반경(R)은 다음의 [수학식 7]로부터 계산할 수 있다. When the vertical distance h between the rotational axis of the crankshaft and the fixed hinge axis O 4 and the length between the joint O 2 and the joint O 3 are determined, the radius (R) of the ψ max and can calculate the ψ min, wherein the link member 150, the two joints (O 1) (O 2), the length and the crankshaft 123 between the can from the following formula 7] Can be calculated.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112013028878674-pat00009
Figure 112013028878674-pat00009

본 실시예에서 수직거리(h)는 8.0㎜이며, 조인트(O2)와 조인트(O3) 사이의 길이는 4㎜로 설정하였으며, 노말 케이스에서 출력 플랩핑각(output flapping angle)은 100°이며, 이때 날갯짓은 x축에 대해 대칭이므로 ψmax, ψmin은 각각 50°와 -50°가 된다. 이러한 값을 [수학식 7]에 대입하여 크랭크축의 반경(R)과 두 조인트(O1)(O2) 사이의 길이를 계산할 수 있으며, 이와 같이 계산된 반경(R)은 3.1㎜이며 두 조인트(O1)(O2) 사이의 길이는 8.4㎜이다.In this embodiment, the vertical distance h is 8.0 mm, the length between the joint O 2 and the joint O 3 is set to 4 mm, and the output flapping angle in the normal case is 100 ° , Where the wings are symmetrical about the x axis, so ψ max and ψ min are 50 ° and -50 °, respectively. The radius R of the crankshaft and the length between the two joints O 1 and O 2 can be calculated by substituting these values into Equation 7. The calculated radius R is 3.1 mm, (O 1 ) (O 2 ) is 8.4 mm.

도 6을 참고하면, 앞서도 설명한 것과 같이, 플랩핑각 범위의 변경은 가동 힌지축(O3)의 위치 조작에 의해 이루어지며, 가동 힌지축(O3)의 위치 조작은 고정 힌지축(O4)을 회전축으로 하여 회동 가능한 피동부(161)와, 이 피동부(161)의 회동을 규제하는 구동부(162)에 의해 이루어지며, 본 실시예에서 피동부와 구동부는 랙-피니어 기어에 의해 제공됨을 보여주고 있다.
As also referring to Figure 6, described apseodo, flapping change in the angle range is made by the location operation of the movable hinge axis (O 3), where the operation of the movable hinge axis (O 3) is a fixed hinge axis (O 4 And a drive unit 162 for restricting the rotation of the driven unit 161. In this embodiment, the driven unit and the drive unit are driven by a rack-and-pinion gear .

실시예Example

다음의 [표 1]은 본 실시예에 따른 날갯짓 비행체에 사용된 주요 구성의 제원을 보여주고 있다.Table 1 below shows specifications of the main components used in the wing flap body according to the present embodiment.

[표 1][Table 1]

Figure 112013028878674-pat00010
Figure 112013028878674-pat00010

다음의 [표 2]는 세 가지 틸팅각(χ)에 대한 플랩핑각을 보여주고 있으며, 틸팅각(χ)을 조작하여 플랩핑각과 그 중간 스트로크 각을 조작할 수 있고 이를 통하여 비행체의 무게중심(CG)에 대해 피칭 모멘트 조정에 이용될 수가 있다. The following table 2 shows the flapping angles for the three tilting angles (χ), and the flapping angle and the intermediate stroke angle can be manipulated by manipulating the tilting angle (χ) Can be used to adjust the pitching moment with respect to the CG.

[표 2][Table 2]

Figure 112013028878674-pat00011
Figure 112013028878674-pat00011

참고로, 도 7은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 실물 사진을 보여주고 있으며, CNC 머신(MM-300S, 정밀도 10㎛, MAXIX, Korea)을 사용하여 제작되었다.7 is a photograph showing a real photograph of a flapping vehicle manufactured according to the present invention, and is manufactured using a CNC machine (MM-300S, precision 10 μm, MAXIX, Korea).

- 날개 운동 궤적의 측정 -- Measurement of wing motion locus -

비행체의 날개 운동 궤적은 두 대의 동기화한 고속 카메라에 의해 2000fps의 속도로 캡쳐된 날개의 연속 이미지로부터 날개 표면에 표시된 점(marked point)들의 3차원 좌표를 트랙킹하여 결정하였다. 플랩핑 주파수는 대략 38㎐ 였다. The wing motion trajectory of the aircraft was determined by tracking the three-dimensional coordinates of the marked points on the wing surface from the continuous images of the wings captured at 2000 fps by two synchronized high-speed cameras. The flapping frequency was approximately 38 Hz.

도 8의 (a)는 본 실시예에서 플랩핑각의 시간에 따른 변화를 보여주고 있으며, 플랩핑각은 하나의 날갯짓 사이클에서 업스트로크 끝과 다운스트로크 끝 사이의 각도에 해당되며, 세 가지의 경우-노말(normal), 피칭다운(pitching-down), 피칭업(pitching-up)-에서 플랩핑각은 각각 대략 104°, 99° 및 116°를 보여주었다. 이러한 플랩핑각은 당초 디자인된 도 6(b)의 플랩핑각보다는 다소 크게 나타났으며, 이는 플랩핑 동작 시에 날개의 선단 시맥(leading edge vein)의 굽힘변형과, 제작과정에서 발생된 공차에 의한 것이다. Figure 8 (a) shows the variation over time of the flapping angle in this embodiment, where the flapping angle corresponds to the angle between the upstroke end and the downstroke end in one wing cycle, and the three , The flapping angles in the normal, pitching-down, and pitching-up cases were approximately 104 °, 99 °, and 116 °, respectively. This flapping angle is somewhat larger than the flapping angle of the originally designed flapping angle of Fig. 6 (b), which indicates the bending deformation of the leading edge vein of the wing during the flapping operation, .

도 8의 (b)는 본 실시예에서 날개의 회전각(rotation angle)을 보여주고 있으며, 회전각은 세 가지 케이스의 세 가지 다른 날개 위치에서 날개 시위(wing chord)와 스트로크 평면(stroke plane) 사이의 각도로 정의된다. 최종 날개 운동 궤적은 측정된 세 주기의 날개 운동 궤적을 평균하여 결정하였다.FIG. 8 (b) shows the rotation angle of the wing in the present embodiment, and the rotation angle shows the wing chord and the stroke plane at three different wing positions of the three cases. As shown in FIG. The final wing motion trajectory was determined by averaging the measured wing motion trajectories.

도 8의 (b)로부터, 다운스트로크 동안에 날개가 음성 비틀림(negative twist)을 가짐을 보여주며 업스트로크에서는 그 반대 현상이 나타남을 알 수 있다. From FIG. 8 (b), it can be seen that the wing has a negative twist during downstroke, and the opposite phenomenon appears in upstroke.

- 실험 장치 -- Experimental apparatus -

본 실시예에 대한 테스트에는 다축 로드셀(Nano 17, ATI Industrial Automation, USA, 해상도 0.3 gf)이 사용되어 날갯짓 비행체에 의해 발생된 힘과 피칭 모멘트를 측정하였다. 도 9에 예시된 것과 같이, 로드셀은 지름이 7 ㎜이고 길이가 20㎜인 카본 로드를 통해 날갯짓 비행체와 수직하게 설치되었다. 로드셀의 z축(ZL)은 날갯짓 비행체의 무게중심(CG)을 지나며 스트로크 평면과는 수직하다. 무게중심(CG)은 날개 시위의 선단으로부터 약 36%에 위치한다. 날갯짓 비행체는 외부 전원공급부(E3646A, Agilent, Malaysia)에 의해 약 38.3ㅁ 0.3 ㎐의 플랩핑 주파수로 동작이 이루어졌다.For the test in this example, a multi-axis load cell (Nano 17, ATI Industrial Automation, USA, resolution 0.3 gf) was used to measure the force and pitching moment generated by the flapping vehicle. As illustrated in FIG. 9, the load cell was installed perpendicular to the flap body via a carbon rod 7 mm in diameter and 20 mm in length. The z-axis (Z L ) of the load cell is perpendicular to the stroke plane through the center of gravity (CG) of the flapping wing. The center of gravity (CG) is located at about 36% from the tip of the wing protrusion. The wing flap was operated by the external power supply (E3646A, Agilent, Malaysia) at a flapping frequency of about 38.3 ㅁ 0.3 ㎐.

평균 힘과 모멘트는 플랩핑 운동이 이루어지는 동안에 약 100 회의 플랩핑 사이클에 대하여 평균값을 취하여 계산하였으며, 틸팅각(χ)(이하, "피치 조정각"으로도 지칭함)의 변화에 대해 세 가지 케이스로서 노말(normal), 피칭업(pitching up), 및 피칭다운(pitching down)에 대한 힘과 모멘트를 측정하였다.The average force and moment were calculated by taking an average value for about 100 times of the flapping cycle during the flapping motion, and three cases for the change of the tilting angle (χ) (hereinafter also referred to as "pitch adjustment angle") The forces and moments for normal, pitching up, and pitching down were measured.

1. 노말 케이스(Normal Case)1. Normal Case

노말 케이스에서는 피치 조정각(χ)은 0°로 고정되었으며, 힘과 모멘트를 10번씩 측정하여 평균값을 구하였다. In the case of the normal case, the pitch adjustment angle (χ) was fixed at 0 ° and the force and moment were measured 10 times to obtain the average value.

도 10은 노말 케이스에 대한 실험 셋업 상태를 보여주고 있으며, 다음의 [표 3]은 그 결과를 보여주고 있다.Figure 10 shows the experimental set-up for the normal case, and the following [Table 3] shows the results.

[표 3][Table 3]

Figure 112013028878674-pat00012
Figure 112013028878674-pat00012

[표 3]을 참고하면, 평균 수직력(Fz)은 5.12g이며, 수평력(Fy)은 수직력의 약 2.8%임을 알 수 있으며, 이는 날갯짓 비행체가 x축에 대해 대칭적인 플랩핑 운동이 이루어지므로 타당한 결과할 수 있으며, 업/다운 스트로크 과정에서 수평력은 상쇄된다. It can be seen from Table 3 that the average vertical force Fz is 5.12 g and the horizontal force Fy is about 2.8% of the normal force because flapping motion is symmetrical about the x axis of the flapping body, And the horizontal force is canceled in the up / down stroke process.

로드셀은 전체 피칭 모멘트(

Figure 112013028878674-pat00013
)를 측정할 수 있으며, 전체 피칭 모멘트는 로드셀 축(xL)에 대한 Fz에 의한 피칭 모멘트(
Figure 112013028878674-pat00014
)와 Fy에 의한 피칭 모멘트(
Figure 112013028878674-pat00015
)의 합이다. 무게중심(CG)과 로드셀의 축(xL) 사이의 거리를 알기 때문에 무게중심(CG)에서의 피칭 모멘트를 계산할 수 있다. 우선 Fy의 힘중심과 로드셀 사이의 거리를 Fy와 곱하여
Figure 112013028878674-pat00016
를 구하고 전체 모멘트(
Figure 112013028878674-pat00017
)에서
Figure 112013028878674-pat00018
를 빼서 로드셀 축에 대한 피칭 모멘트(
Figure 112013028878674-pat00019
)를 결정할 수 있다. The load cell calculates the total pitching moment (
Figure 112013028878674-pat00013
), And the total pitching moment is the pitching moment due to Fz for the load cell axis (x L )
Figure 112013028878674-pat00014
) And the pitching moment due to Fy (
Figure 112013028878674-pat00015
). Since the distance between the center of gravity CG and the axis x L of the load cell is known, the pitching moment at the center of gravity CG can be calculated. First, the distance between the force center of the Fy and the load cell is multiplied by Fy
Figure 112013028878674-pat00016
And the total moment (
Figure 112013028878674-pat00017
)in
Figure 112013028878674-pat00018
To calculate the pitching moment for the load cell axis (
Figure 112013028878674-pat00019
Can be determined.

노말 케이스에서 무게중심(CG)에 대한 피칭 모멘트는 약 0.05 mN-m(5 g-㎜)이지만 로드셀에서 모멘트에 대한 정밀도는 약 1.6 g-㎜이므로 이러한 평균 피칭 모멘트는 거의 0(영)이라 할 수 있다.
The pitching moment for the center of gravity (CG) in the normal case is about 0.05 mN-m (5 g-mm), but the accuracy for the moment in the load cell is about 1.6 g-mm. .

2. 피칭업 케이스(Pitching up Case)2. Pitching up case

피칭업 케이스에서의 힘과 모멘트에 대한 측정은 노말 케이스와 동일하고 피치 조정각(χ) 만을 달리하여 측정하였다. 피칭업에 대한 각도는 -10°로 하였다. The force and moment of the pitching case were the same as those of the normal case and were measured with different pitch adjustment angles (χ). The angle to the pitching was -10 °.

테스트는 10번을 실시하여 평균값을 취하였으며, 다음의 [표 4]에서 결과를 보여주고 있다.
The test was carried out 10 times and the average value was taken, and the results are shown in the following [Table 4].

[표 4][Table 4]

Figure 112013028878674-pat00020
Figure 112013028878674-pat00020

본 케이스에서 플랩핑각은 노말 케이스 보다 크기 때문에 평균 수직력(Fz)은 약 6.2g 정도로써 노말 케이스의 수직력보다 크다. 다운스트로크와 업스트로크 동안에 도 8의 날개 회전각에서 알 수 있듯이 날개 형상의 비대칭(asymmetry)으로 인하여 y 방향으로 상대적으로 큰 수평력(Fy)이 발생되었다. 업스트로크 동안의 날갯짓에 의해 발생된 y 방향의 힘은 다운스트로크 동안에 발생된 힘보다는 크다. 결국은 약 0.5g의 평균 수평력이 비행체의 날갯짓에 의해 발생하였으며 도 11에서 좌측 방향에 해당한다. [표 4]로부터 알 수 있듯이, 플랩핑각 범위의 조작으로 인하여 본 케이스에서는 무게중심(CG)에 대하여 음의 피칭 모멘트가 발생되었다. 플랩핑각 범위의 조작이 있더라도 수평력(Fy)의 중심은 무게중심(CG)을 지나게 되며, 따라서 수평력(Fy)은 무게중심(CG)에 대한 어떤 피칭 모멘트도 발생시키지 않는다. 무게중심(CG)은 z 방향의 로드셀 좌표와 정렬되며, 따라서 피치 조정각(χ)이 -10°인 경우에 무게중심(CG)에 대한 발생된 비행체의 피칭 모멘트는 로드셀의 전체 모멘트(

Figure 112013028878674-pat00021
)로부터 로드셀의 수평력(
Figure 112013028878674-pat00022
)에 의한 모멘트를 빼주어 계산할 수 있다. 이는 시계방향으로 대략 46.4g-㎜로써 피칭업 모멘트를 발생시킨다.
In this case, since the flapping angle is larger than the normal case, the average normal force Fz is about 6.2 g, which is larger than the normal force of the normal case. During the down stroke and up stroke, as shown in the blade rotation angle of FIG. 8, a relatively large horizontal force Fy is generated in the y direction due to the asymmetry of the wing shape. The force in the y direction caused by the flapping during upstroke is greater than the force generated during downstroke. In the end, the average horizontal force of about 0.5g was caused by the flap of the airplane and corresponds to the left direction in Fig. As can be seen from [Table 4], due to manipulation of the flapping angular range, a negative pitching moment was generated with respect to the center of gravity (CG) in this case. The center of the horizontal force Fy passes through the center of gravity CG even if there is manipulation of the flapping angular range so that the horizontal force Fy does not cause any pitching moment for the center of gravity CG. The center of gravity CG is aligned with the z-direction load cell coordinate and therefore the pitching moment of the generated body for the center of gravity CG when the pitch adjustment angle χ is -10 ° is the total moment of the load cell
Figure 112013028878674-pat00021
The horizontal force of the load cell
Figure 112013028878674-pat00022
) Can be calculated. This results in a pitching moment of approximately 46.4 g-mm in the clockwise direction.

3. 피칭다운 케이스(Pitching down Case)3. Pitching down case

피칭다운 케이스에 대하여 다른 실험 셋업 상태에 대한 변화 없이 피치 조정각(χ)을 20°로 하여 노말 케이스 및 피칭업 케이스와 동일한 방법에 의해 힘과 모멘트를 측정하였다. For the pitching down case, the force and moment were measured in the same manner as the normal case and the pitching case with the pitch adjustment angle (χ) of 20 ° without any change to the other experimental set-up conditions.

본 케이스에서 Fz와 Fy의 평균 중심들은 도 12에서 도시된 것과 같이 무게중심(CG)의 우측에 위치하도록 해야 한다. [표 5]에서는 날갯짓으로 발생된 평균 수직력, 수평력 및 무게중심(CG)에 대한 양의 피칭 모멘트를 보여주고 있다. 본 케이스에서 플랩핑각의 크기는 노말 케이스와 피칭업 케이스와 비교하여 다소 작기 때문에 세 가지의 케이스 중에서 수직력(Fz)은 약 4.5g으로써 가장 작게 발생되었다. 평균 수평력(Fy)은 약 +0.086g으로써 도 12에서 도시하고 있듯이 힘의 방향은 우측이다. 무게중심(CG)에 대한 모멘트는 반시계방향으로 약 36.8g-㎜로써 피칭다운 모멘트를 발생시킨다.In this case, the average centers of Fz and Fy should be located on the right side of the center of gravity CG as shown in Fig. [Table 5] shows the average vertical force, horizontal force and positive pitching moment for the center of gravity (CG) generated by the wings. Since the size of the flapping angle in this case is somewhat smaller than that of the normal case and the pitching case, the vertical force (Fz) of the three cases is the smallest at about 4.5 g. The average horizontal force Fy is about +0.086 g, and the direction of the force is right as shown in FIG. The moment about the center of gravity (CG) produces a pitching-down moment of about 36.8 g-mm counterclockwise.

[표 5][Table 5]

Figure 112013028878674-pat00023

Figure 112013028878674-pat00023

4. 피칭 모멘트 발생의 시연4. Demonstration of pitching moment generation

본 발명의 비행체는 피치 조정각(χ)의 조작에 의하여 날갯짓 동안에 피칭 모멘트가 발생될 수 있음을 보여주고 위하여 도 13에서와 같은 실험장치를 제작하였다. 비행체는 yz 평면 상에서 무게중심(CG)에 대해 자유 회전이 가능하도록 테스트 지그(test jig)에 설치하였다. 전력 시동은 무선 적외선 송신기(ITX2H-V2, 38 ㎑) 및 수신기(IRX262, 38 ㎑)를 이용하여 이루어졌으며, 전원은 직렬 연결된 한 쌍의 리튬 배터리(3.7 V, 20 mAh, Fullriver, 중국)를 사용하였다. In order to show that the pitching moment can be generated during the flapping operation of the aircraft according to the manipulation of the pitch adjustment angle (?), The experimental apparatus as shown in FIG. 13 was manufactured. The aircraft was mounted on a test jig to allow free rotation about the center of gravity (CG) on the yz plane. The power was started by using a wireless infrared transmitter (ITX2H-V2, 38 kHz) and a receiver (IRX262, 38 kHz). The power source was a pair of lithium batteries (3.7 V, 20 mAh, Fullriver, China) Respectively.

도 14의 (a)(b)(c)는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체에 있어서 각각 다른 플랩핑각 범위에 의한 비행체의 동작을 연속적으로 보여주는 사진으로, 고속카메라(2,000fps)로 촬영하여 캡쳐하였다.14 (a), 14 (b) and 14 (c) are photographs continuously showing the operation of a flying object according to different flapping angle ranges in the flapping flight vehicle manufactured according to the present invention. Captured.

플랩핑 주파수는 38 ㎐ ~ 40 ㎐이며, 배터리의 충전 상태에 따라서 다소 차이가 발생된다. The flapping frequency is 38 Hz to 40 Hz, and a slight difference occurs depending on the charged state of the battery.

도 14의 (a)는 노말 케이스(χ=0°)로써 3 초 동안의 수직비행 상태를 시현한 것이며, 비행체는 테스트 지그와의 힌지부에서 약간의 진동이 발생하고는 있으나 날갯짓 동안에 수직 방향을 유지하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 14 (a) shows a vertical flight state for 3 seconds with a normal case (x = 0), and the flying body has a vertical direction during the flapping although a slight vibration occurs at the hinge portion with the test jig .

도 14의 (b)는 피칭업 케이스(χ=-10°)로써 비행체는 날갯짓에 의해 피칭업 모멘트가 발생되어 테스트 지그와의 힌지부에서 회전하여 좌측으로 틸팅(tilting)되는 것을 확인할 수 있다.14 (b) shows that the flight vehicle has a pitching-up moment due to the flapping of the flight vehicle with the pitching-up case (x = -10), and is rotated at the hinge portion with the test jig and tilted to the left.

도 14의 (c)는 피칭다운 케이스(χ=20°)로써 비행체는 날갯짓에 의해 피칭다운 모멘트가 발생되어 테스트 지그와의 힌지부에서 우측 방향으로 회전하는 것을 확인할 수 있다.14C shows that the pitching-down case (x = 20 DEG) causes the flying body to generate a pitching-down moment due to the wing flap and rotate in the right direction at the hinge portion with the test jig.

이와 같이 본 발명의 비행체는 플랩핑각 범위의 조작에 의하여 피칭 모멘트가 발생됨을 알 수 있다.
As described above, it can be seen that a pitching moment is generated by manipulation of the flapping angle range of the flying object of the present invention.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

100 : 날갯짓 비행체 110 : 프레임
120 : 구동모듈 130: 슬라이더
140 : 날개고정홀더 150 : 링크부재
160 : 틸팅각 조작부재
100: Flapping body 110: Frame
120: driving module 130: slider
140: wing fixing holder 150: link member
160: tilting angle operating member

Claims (5)

날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임과;
상기 프레임에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈과;
상기 구동모듈의 회전 구동력에 의해 상기 프레임에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더와;
상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더와;
상기 날개고정홀더 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재와;
상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임에 힌지 조립되어 단일 구동부만으로 상기 한 쌍의 날개고정홀더의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재를 포함하는 날갯짓 비행체.
A frame constituting a body of a flapping wing;
A driving module fixed to the frame to generate a rotational driving force;
A slider vertically slidable on the frame by a rotational driving force of the driving module;
A pair of blade fixing holders provided symmetrically on both sides of the frame to fix the blades;
A pair of link members each having one end rotatably connected to each of the blade fixing holders and the other end rotatably connected to the slider;
And a tilting angle manipulation member rotatably connected to each of the pair of blade fixing holders and hinged to the frame so that the tilting angle range of the pair of blade fixing holders can be adjusted only by a single driving unit.
제1항에 있어서, 상기 틸팅각 조작부재는,
상기 프레임에 회동 가능하게 힌지 조립되는 고정 힌지축과, 상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 힌지 조립되어 상기 고정 힌지축을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축을 포함하는 한 쌍의 피동부;를 포함하며,
상기 구동부는, 상기 고정 힌지축을 회전축으로 하는 상기 피동부의 회동 각도를 규제하게 되는 날갯짓 비행체.
The tilting angle control device according to claim 1,
A fixed hinge shaft rotatably hinged to the frame, and a pair of movable hinge shafts mounted on the pair of fixed wing holders, the movable hinge shafts being rotatable about the fixed hinge shafts as rotation shafts, ,
Wherein the driving portion restricts the rotation angle of the driven portion with the fixed hinge axis as a rotation axis.
제2항에 있어서, 상기 구동부는 동체에 직선 이동이 가능한 랙기어를 포함하며, 상기 피동부는 상기 랙기어와 치합되는 피니언기어를 포함하는 날갯짓 비행체.3. The winging flight according to claim 2, wherein the driving unit includes a rack gear capable of linearly moving on a body, and the driven unit includes a pinion gear engaged with the rack gear. 제3항에 있어서, 상기 구동부는 상기 동체의 중심축 상에 상하 이동 가능하게 마련되어 한 쌍의 피동부 각각에 대응되도록 상기 랙기어가 양측에 대칭되게 형성된 것을 특징으로 하는 날갯짓 비행체.4. The winged flying object according to claim 3, wherein the driving unit is vertically movable on a center axis of the moving body so that the rack gear is symmetrical on both sides so as to correspond to each of the pair of driven parts. 양 날개의 날갯짓에 의해 비행이 이루어지는 날갯짓 비행체으로서,
동체에 마련된 구동원의 회전 구동력을 상하 왕복 운동으로 변환하여 양 날개의 상하 날갯짓 운동을 발생시키되, 양 날개는 단일 구동부만으로 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생되는 것을 특징으로 하는 날갯짓 비행체.
As a winged flying body in which a flight is made by the wings of two wings,
A movable hinge shaft capable of being moved with respect to a moving body by a single drive unit, wherein the two wings are provided with a movable hinge shaft, Wherein a flapping angle range of both wings is operated to generate a pitching moment of the flying body.
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