TWI572526B - Miniature aircraft wings drive structure - Google Patents

Description

微型飛行器拍翼傳動結構

本發明係有關一種微型飛行器拍翼傳動結構，尤指將伊凡斯直線機構整合於五連桿拍翼機構中，而可有效達到大拍翼行程、零相位差、小體積、重量輕、大推力之拍翼傳動結構者。

按，從十五世紀達文西最早提出拍翅機設計，歷經後續不斷改良及創新，拍翼飛行器之研究領域漸漸多元化。隨著近代微小化科技進步，各界積極尋求模仿鳥類，蝙蝠和昆蟲的拍翅飛行，由是微型拍翼飛行器(ornithopter)的研發乃因應而生。其外觀形式雖然可能會有所不同，但尺寸大小設計多在數十厘米的範圍內，精密產品可製作成無人駕駛的遙控微型飛行器(micro air vehicle，MAV)，被廣泛應用於商業、科研、軍事…等，如：救援、偵察、監視、傳訊或玩具上。

我國發明專利第I339634號拍翼軌跡呈8字型之仿生微型飛行器，係利用可撓式的碳纖維棒與高分子翼膜，分別作為掌狀大小微型飛行器之機翼骨架與機翼蒙皮。拍翼(齒輪連桿)傳動機構則是採用單自由度的四連桿(機構)設計，使製成微型之飛行器(翼展可低至20公分以下，機重可輕至5.9克)能產生拍動與振動疊加出三維空間之8字型拍翼軌跡，不僅產 生升力，復充沛其推力，而賦予優異之飛行特性，整體構造簡單，製作成本低廉，而富經濟實用價值，是我國相關微型拍翼飛行器研發專利之先驅。

雖然，該專利已成功用最精簡的四連桿拍翼傳動機構產生有效拍翼動作，但事實上，如第7圖所示，習知先前專利中所應用的四連桿拍翼傳動機構有效拍翼角約53度，拍翼頻率約15Hz，兩翼間存有相位差3-5度，拍翼機構重量1.24克，安裝應用於微型飛行器只能以徒手射飛尚無法垂直起飛，最長滯空雖可達480秒，但結構設計若想增加拍翼角度，則兩翼相位差也會跟著增加，更不利直線飛行，尤其容易產生螺旋導致下墜。

為此，相關團隊乃積極投入研發改良，經不斷實驗試作而有第二代的五連桿傳動機構產生，如第8圖所示，這款習知先進設計已融入瓦特直線機構於五連桿機構中，雖保證兩翼可達到零相位差，拍翼角可達70度以上，拍翼頻率約14Hz，拍翼機構重量2.2克，安裝應用於微型飛行器滯空時間約57秒，唯同樣尚無法垂直起飛。

而且實務上其拍翼傳動機構的上面必須由原先一層疊加變成兩層，其中一層以配置五連桿，而另一層用來配置瓦特機構，如此則會造成組裝困難，體積無法縮小只能跟著加大，尺寸過長(高4.2cm)，會誘導出太劇烈的振動，而且磨耗也較大，最高頻率不過14Hz。尤其最為不利的是其馬達必須移位改設於下面，使安裝應用於微型飛行器時，重心不好調整會衍生許多問題，極待進一步再予改進克服。

有鑑於此，本發明之主要目的，在提供一種微型飛行器拍翼 傳動結構，包括：一基座、一減速齒輪組、一對五連桿拍翼機構、以及一直線機構所組成；其中該基座，其上配置一馬達，該馬達軸上接設有驅轉齒輪；該減速齒輪組，至少包含有內、外齒輪，嚙合於該馬達軸接的驅轉齒輪以提供減速；該五連桿拍翼機構，包含一驅動連桿樞接於減速齒輪組的外齒輪上；二偏動桿以分別樞接在該基座之兩極端；二連桿一端分別樞連於該二偏動桿的內端，另一端共接樞連在該驅動連桿之上，以及；該直線機構，為一伊凡斯機構(Evans mechanism)，包含相互樞連之複數桿件所組成，直線機構的一端樞連於前述之驅動連桿上，而另端連設在基座側方；藉由，將伊凡斯直線機構與五連桿拍翼機構的有效整合，使組成之拍翼傳動結構可滿足大拍翼角(80度以上)、小相位差(接近0)、尺寸微小(2.0cm寬3.5cm高3.0cm厚)、拍翼頻率接近20Hz，且機構質量不超過1.5克；最大升力可達13克重，以提供微型飛行器應用並具有垂直起飛的能力。

本發明之次要目的，在將該拍翼傳動結構進一步整合設於一微型飛行器的機身上，令其二偏動桿的外端分別接連設有兩側拍翼，藉馬達驅動使該兩側拍翼產生8字型之拍翼軌跡，而賦予微型飛行器強勁充沛之升力及推力者。

1‧‧‧基座

11‧‧‧馬達

12‧‧‧驅轉齒輪

2‧‧‧減速齒輪組

21‧‧‧齒輪

22‧‧‧齒輪

3‧‧‧五連桿拍翼機構

31‧‧‧驅動連桿

32‧‧‧偏動桿

33‧‧‧連桿

4‧‧‧直線機構

41‧‧‧中長桿

42‧‧‧短桿

43‧‧‧長擺動桿

44‧‧‧推拉短桿

5‧‧‧機身

50‧‧‧拍翼微型飛行器

51‧‧‧拍翼

511‧‧‧懸臂

512‧‧‧翼膜

52‧‧‧尾翼

第1圖 係為本發明拍翼傳動結構之立體分解圖。

第2圖 係為本發明拍翼傳動結構之立體組合圖。

第3-1圖 係為本發明拍翼傳動結構分解動作一圖。

第3-2圖 係為本發明拍翼傳動結構分解動作二圖。

第3-3圖 係為本發明拍翼傳動結構分解動作三圖。

第3-4圖 係為本發明拍翼傳動結構分解動作四圖。

第4圖 係為本發明配置在微型飛行器之應用例圖。

第5圖 係為本發明組成微型飛行器可垂直起飛之應用例圖。

第6-1圖 係為本發明於攻角20度之升力比較圖。

第6-2圖 係為本發明於攻角60度之升力比較圖。

第7圖 係為習知四連桿拍翼傳動結構。

第8圖 係為習知第二代拍翼傳動改良結構。

以下藉由具體實例詳細揭露本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明的優點與功效。請參第1~2圖所示，本發明所設一種微型飛行器拍翼傳動結構，主要包括有：一基座1、一減速齒輪組2、一對五連桿拍翼機構3、以及一直線機構4所組成，其中該基座1，其上配置一馬達11，以連接電池(圖未示)提供驅轉動力，該馬達11軸上接設有驅轉齒輪12； 該減速齒輪組2，嚙合於該驅轉齒輪12以提供減速，減速齒輪組2至少包含有內、外齒輪21、22；該五連桿拍翼機構3，包含一驅動連桿31樞接於減速齒輪組2的外齒輪22上；二偏動桿32以分別樞接在該基座1之兩極端，及二連桿33其一端分別樞連於該二偏動桿32的內端，而另一端共接樞連於該驅動連桿31上，以及；該直線機構4，包含相互樞連之複數桿件所組成，其一端樞連於前述之驅動連桿31上，另端連設在基座1的側方，實施時，該直線機構4可係一伊凡斯機構，而前述之複數桿件係偏單邊而設包含：在基座1側方固定連設有一中長桿41，該中長桿41的另端樞連一短桿42，該短桿42的另端樞連一長擺動桿43(或曲桿)，於該長擺動桿43的中段，與該中長桿41的固定端之間樞連一推拉短桿44；組合時，該長擺動桿43的另端樞連至該驅動連桿31共接端；藉此，請參第1、2、3-1~3-4圖所示，當馬達11作動時，可經由減速齒輪組2降低轉速，達到最佳拍翼速度的匹配效果；同時，使樞接於外齒輪22的驅動連桿31跟著一起作動，其中間再配合複數桿件所組成之伊凡斯直線機構4相互連動發揮功效，一邊以基座1側上之中長桿41所樞連之短桿42，活動支撐住長擺動桿43的尾端，一邊則以相同樞連在中長桿41固定端之推拉短桿44，來回施力作用於長擺動桿43的中段，使產生類似搖槳的動作，致該長擺動桿43與驅動連桿31共接端受到適當的牽動，將馬達11經減速齒輪組2的圓心運動有效轉換成直線運動，使驅動連桿31能以定向的直線運動同時去推動該二連桿33，致二連桿33與另端分別樞連之二偏動 桿32所構成之五連桿拍翼機構3，可以跟著無相位差同步上下往復一起拍動。

本發明將直線機構4與五連桿拍翼機構3有效整合，使組成之拍翼傳動結構可滿足大拍翼角(至少80度以上)、小相位差(接近0)、尺寸微小(2.0cm寬、3.5cm高、3.0cm厚)、拍翼頻率接近20Hz，且機構質量接近但不超過1.5克；最大升力可達13克重，以提供微型飛行器應用而具有垂直起飛的能力。

本發明案藉由首次整合伊凡斯直線機構於五連桿拍翼機構中，即使為不對稱之機構，但還是能在較小的適當尺寸中，規劃產生出有效的直線運動，且整體機構布局能更緊湊將尺寸縮小在(2.0cm寬、3.5cm高、3.0cm厚)接近第7圖習知專利的四連桿機構尺寸。且伊凡斯直線機構與瓦特直線機構功能近似一樣，同樣可使拍翼機構兩邊相位差大幅減小接近0°。但本發明因有效整合的伊凡斯直線機構所占空間較小(高3.5cm以內)，除了同時兼具有大拍翼行程、零相位差、小體積、重量輕、大推力等多項優點之外，尤其難得的是如第1、2圖所示，其中馬達11安裝位置可更接近拍翼中心，使未來整合在各式微型飛行器應用上，各部組裝與重心調整均較方便容易達成，並可得到較小的振動與較佳的懸停控制。

請參第2、4、5圖所示，係本發明組裝設在微型飛行器之應用實例，其中該拍翼傳動結構進一步設置於一機身5的前端，於該二偏動桿32的外端分別接連設有兩側拍翼51，且機身5的後端設有一尾翼52，而構成一拍翼微型飛行器50。其中該拍翼51為一複合式可撓性機翼結構，其翼前緣(leading edge)為一對可撓性懸臂511(或懸樑)，向著翼後緣(trailing edge) 之方向連接一可呈現波浪狀之翼膜512。

實施時，該翼前緣懸臂511可以碳纖維或塑膠等質輕、富可撓性之材質加以製作者。當然樞轉用之關節可以鋁合金、鈦合金或其他輕質塑膠製作之。而該翼膜512可以聚對二甲苯(parylene或poly-para-xylene)等輕質、可撓性薄膜加以製作。唯本發明之製作材料並未限定在所述之材料，而可加以適當修飾、變化應用之。

藉本發明拍翼傳動結構驅動兩側拍翼51在拍動平面上作無相位差同步上下往復拍撲時，可令該拍翼51因拍動加上振動疊加出三維空間之8字型拍翼軌跡(如第5圖)，確實模擬出類似蜂鳥翅膀的運動軌跡，尤其難得的是本發明拍翼傳動結構其整體組合體積小，不但穩定度高且製造成本低廉，同時又能賦予該飛行器更豐沛足夠的升力與推力者。

以下，為本發明案與習知二代改良前案實際比較之優點：最高拍翼頻率：在3.7V驅動電壓下，本發明案18.86Hz，高於前案14Hz。

機構尺寸比較：本發明案3.5cm，小於前案機構尺寸高4.2cm。

機構自身重量比較：本發明案重量1.48g，輕於前案機構2.2g。

拍翼行程角度設定：本發明案可達80度以上，大於前案機構約70度。

實際飛行攻角：本發明高達77.94度，優於前案僅66度。

請參第6-1、6-2圖所示，為本發明拍翼機構與二代改良前案 經風洞測試的升力性能比較結果。如第6-1圖，在平飛模式攻角20度升力比較，二代改良前案拍翼機構之最大升力值為9.18(gf)，而本發明案機構則提高到9.93(gf)；如第6-2圖，在接近懸停之攻角60度升力比較，二代改良前案拍翼機構之最大升力值為8.6(gf)，而本發明案機構則提高到13.02(gf)，由實驗結果比較顯示：本發明案伊凡斯拍翼機構搭配Φ7mm(直徑)*16mm(長度)馬達11與減速齒輪組2齒輪比26.67，在3.7V驅動電壓下，可提供高於二代改良前案拍翼機構的負載能力。

本發明目標為支援拍翼機進行懸停(飛行攻角為90度)，從風洞力規量測結果知道，在高攻角70度拍翼頻率18.86Hz下產生最大升力13.67(gf)，已遠超過整體拍翼微飛行器之總重9.68克(優於二代改良前案機構的升力：攻角60度風速1.5m/s只有8.6gf)經實際飛行驗證，不只可直接離地起飛同參第5圖，更可在22秒內爬升至20公尺高(實際爬升高飛照片未附)。

綜上所述，本發明案拍翼傳動結構新穎實用，應用於20公分翼展、全機約10克重等級的拍翼微型飛行器，已滿足大拍翼角行程、小體積、重量輕、大推力等多項優點，同時具有垂直起飛的能力，與習知前案及其改良機構相較已經明顯進步，符合發明專利申請要件。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧基座

11‧‧‧馬達

12‧‧‧驅轉齒輪

2‧‧‧減速齒輪組

21‧‧‧齒輪

22‧‧‧齒輪

3‧‧‧五連桿拍翼機構

31‧‧‧驅動連桿

32‧‧‧偏動桿

33‧‧‧連桿

4‧‧‧直線機構

41‧‧‧中長桿

42‧‧‧短桿

43‧‧‧長擺動桿

44‧‧‧推拉短桿

Claims (6)

1. 一種微型飛行器拍翼傳動結構，主要包括：一基座、一減速齒輪組、一對五連桿拍翼機構、以及一直線機構所組成；其中該基座，其上配置一馬達，該馬達軸上接設有驅轉齒輪；該減速齒輪組，至少包含有內、外齒輪，嚙合於該馬達軸接的驅轉齒輪以提供減速；該五連桿拍翼機構，包含一驅動連桿樞接於減速齒輪組的外齒輪上；二偏動桿以分別樞接在該基座之兩極端，及二連桿其一端分別樞連於該二偏動桿的內端，而另一端共接樞連於該驅動連桿上，以及；該直線機構，為一伊凡斯機構，包含相互樞連之複數桿件所組成，直線機構的一端樞連於前述之驅動連桿上，而另端連設在基座側方；藉此，可達到大拍翼角行程、零相位差、小體積、重量輕、大推力，以提供微型飛行器應用並具有垂直起飛的能力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型飛行器拍翼傳動結構，其中該直線機構的複數桿件係包括：在基座側方固定連設有一中長桿，該中長桿的另端樞連一短桿，該短桿的另端樞連一長擺動桿，於該長擺動桿的中段與該中長桿的固定端之間樞連一推拉短桿。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微型飛行器拍翼傳動結構，其中該大拍翼角至少80度、小體積尺寸2.0cm寬、3.5cm高、3.0cm厚、拍翼頻率接近20Hz，且機構質量接近1.5克重量輕，最大升力達13克重。
4. 如申請專利範圍第2項所述之微型飛行器拍翼傳動結構，其中該拍翼傳動結構進一步設於一機身前端，於二偏動桿的外端分別接連設有兩側拍翼，機身的後端設有一尾翼，藉馬達驅動使該兩側拍翼使產生8字型之拍 翼軌跡，而賦予該飛行器之升力及推力者。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微型飛行器拍翼傳動結構，其中該拍翼為一複合式可撓性機翼結構，其翼前緣為一對可撓性懸臂，向著翼後緣之方向連接一可呈現波浪狀之翼膜。
6. 如申請專利範圍第5項所述之微型飛行器拍翼傳動結構，其中該翼前緣懸臂為可撓性輕質材料製成，以碳纖維或塑膠為最佳；該翼膜為可撓性薄膜製成，以聚對二甲苯薄膜為最佳。