TWI739354B

TWI739354B - 拍翼微飛行器之轉翼結構

Info

Publication number: TWI739354B
Application number: TW109109658A
Authority: TW
Inventors: 楊龍杰; 得力沙
Original assignee: 淡江大學
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-09-11
Also published as: TW202136118A; US20210291977A1

Abstract

一種拍翼微飛行器之轉翼結構，包括：一致動器座、一左致動器、一右致動器、一左連接器、一右連接器、一左拍翼臂、一右拍翼臂、一中央基座、一左旋轉斜齒輪、一右旋轉斜齒輪、一左固定輔助斜齒輪、以及一右固定輔助斜齒輪。其中，左致動器與該右致動器各分別牢固於致動器座之左側與右側。左連接器連接左致動器與左拍翼臂，右連接器連接右致動器與右拍翼臂。左旋轉斜齒輪設置於左拍翼臂之卡槽內，右旋轉斜齒輪設置於右拍翼臂之卡槽內。中央基座牢固於致動器座，左固定輔助斜齒輪與右固定輔助斜齒輪分別牢固於中央基座朝外之左、右側上。

Description

拍翼微飛行器之轉翼結構

本發明有關一種拍翼微飛行器結構，更特別有關一種拍翼微飛行器之轉翼結構，其設有一對伺服馬達與一對斜齒輪，以使得該拍翼微飛行器之轉翼結構具有拍翼與轉翼功能，以產生更高升力，且可以達成更大負載。

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、以及昆蟲的拍翅飛行，由是拍翼微型飛行器(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，以精密機器製作成無人駕駛的遙控微型飛行器(micro air vehicle，MAV)，廣泛應用於商業、科研、軍事...等，具有救援、偵察、監視、傳訊、遊戲等功能。

本國發明專利第I572526號揭示一種「微型飛行器拍翼傳動結構」(習知技術1)，其將伊凡斯直線結構整合於五連桿拍翼結構中，主要包括：一基座、一減速齒輪組、一對五連桿拍翼結構、以及一直線結構所組成。藉由，將直線結構與五連桿拍翼結構的有效整合，使組成之拍翼傳動結構可滿足大拍翼角、小相位差、尺寸微小之要求，以提供微型飛行器應用並具有垂直起飛的能力。惟，此種微型飛行器僅具拍翼功能，並不具轉翼能力，以致於並未充分運用發揮空氣動力學(aerodyanamics)對飛行器所提供之重要性能與功效，故其飛行升力不足，實有改進必要。

有關於此，根據科學家觀察鳥類或昆蟲之飛行過程得知，其空氣動力學應用涉及三個有關因素交互作用：延遲失速(delayed stall)、轉翼(wing rotation)、以及尾跡捕捉(wake capture)。其中，飛行翼之轉翼可提供並增加鳥類或昆蟲之升力。又，依據實驗中觀察鳥類或昆蟲之飛行過程可知，其在翼之上下拍擊之間會進行轉翼。亦即，該翼在向上拍擊至頂點而轉為向下拍擊前會先進行轉翼，同理該翼在向下拍擊至底點而轉為向上拍擊前會先進行轉翼，此兩個轉翼為對稱。此種轉翼可額外產生渦流(votex)，以提升鳥類或昆蟲飛行之升力，增進飛行能力。

為改善現有技術拍翼式微飛行器只著重在上下拍翼運動，以致於忽略一些重要空氣動力效應(即轉翼)之缺失，本案申請人於前設計出一種「具有伺服器之拍翼與轉翼微飛行器」(習知技術2)，其具有兩對伺服馬達，一對用於執行並控制拍翼，另一對用於執行並控制轉翼，以提升飛行時之升力。參考第1圖，該飛行器30具有：一機身31、一機翼32、一機尾33、一伺服馬達1 34、一伺服馬達2 35、一伺服馬達3 36、一伺服馬達4 37。其中、第一對為伺服馬達36、37用於產生並控制拍翼，第二對為伺服馬達34、35用於產生並控制轉翼。藉由進行拍翼與轉翼可大幅提升該飛行器飛行時之升力。惟此種設計之缺失為，由於伺服馬達有相當重量，故使用兩對伺服馬達(1-4共4個)會產生重量過重的問題，反而不利飛行，仍確有改善之必要。

為達成微飛行器之拍翼與轉翼功能，並減輕其重量以提升其上升力，本發明提供一對伺服馬達與一對斜齒輪。其中，斜齒輪的轉翼運動，連動於伺服馬達，並以所囓合之齒輪數目進行調整轉角。

本發明提供一種拍翼微飛行器之轉翼結構，其轉翼運動連動於拍翼運動，該轉翼結構包括：一致動器座、一左致動器、一右致動器、一左連接器、一右連接器、一左拍翼臂、一右拍翼臂、一中央基座、一左旋轉斜齒輪、一右旋轉斜齒輪、一左固定輔助斜齒輪、以及一右固定輔助斜齒輪。其中，該左致動器與該右致動器各分別牢固於該致動器座之左側與右側，用於致動拍翼動作。該左連接器連接該左致動器與該左拍翼臂，該右連接器連接右致動器與右拍翼臂。該中央基座牢固於致動器座，該左固定輔助斜齒輪與該右固定輔助斜齒輪分別牢固於該中央基座朝外之左、右側上。該左旋轉斜齒輪設置於該左拍翼臂之卡槽內，該右旋轉斜齒輪設置於右拍翼臂之卡槽內。

該左旋轉斜齒輪與該右旋轉斜齒輪各分別與該左固定輔助斜齒輪以及該右固定輔助斜齒輪囓合。

該左旋轉斜齒輪與該右旋轉斜齒輪上可設置一拍翼組，該左固定輔助斜齒輪與該右固定輔助斜齒輪各分別配置成與該左致動器以及該右致動器同軸。

於操作時在提供電力後，該左致動器與該右致動器被啟動，該左連接器與該右連接器各分別連接至該左致動器與該右致動器，以進行轉翼，以帶動該左拍翼臂與該右拍翼臂同步擺動，該左旋轉斜齒輪與該右旋轉斜齒輪亦隨著左拍翼臂與右拍翼臂擺動。由於該左固定輔助斜齒輪與該右固定輔助斜齒輪分別與該左旋轉斜齒輪與該右旋轉斜齒輪囓合，因此，該左旋轉斜齒輪與該右旋轉斜齒輪可以在兩度空間中移動，以進行拍翼與轉翼之動作。

可以藉由控制左致動器與右致動器之旋轉，以控制該拍翼組進行拍翼或轉翼；以及可以藉由改變左旋轉斜齒輪與一右旋轉斜齒輪分別囓合左固定輔助斜齒輪與右固定輔助斜齒輪之個別總齒數，以控制拍翼組之轉翼。

10:左拍翼臂

11:左旋轉斜齒輪

12:左固定輔助斜齒輪

13:右拍翼臂

14:右旋轉斜齒輪

15:右固定輔助斜齒輪

16:中央基座

17:致動器座

18:左致動器

19:右致動器

20:左連接器

21:右連接器

22:拍翼組

23:機身

30:具有伺服器之拍翼與轉翼微飛行器

31:機身

32:機翼

33:機尾

34:伺服馬達1

35:伺服馬達2

36:伺服馬達3

37:伺服馬達4

100:拍翼微飛行器之轉翼結構

本發明將由以下詳細說明與所附圖式而充分瞭解，但其僅作為說明，且並不因此構成對本發明之限制。

第1圖為根據習知技術2使用伺服器之拍翼與轉翼微飛行器之概要圖；第2圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構之展開圖；第3圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構之組裝圖；第4圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構之俯視圖；第5圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構之前視圖；第6圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構之後視圖；第7圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構之左視圖；第8圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構之右視圖；以及第9圖為根據本發明拍翼微飛行器之轉翼結構與拍翼組所組合成拍翼與轉翼微飛行器之概要圖。

以下詳細描述針對本發明的某些特定實施例。然而，本發明可以申請專利範圍及其等同物所定義和覆蓋的多種不同方式來體現。在該描述中，參考附圖，其中相同的部分始終用相同的數字表示。

首先，參考第2至9圖，本發明提供一種拍翼微飛行器之轉翼結構100，其轉翼運動連動於拍翼運動，該轉翼結構100包括：一致動器座17、一左致動器18、一右致動器19、一左連接器20、一右連接器21、一左拍翼臂10、一右拍翼臂13、一中央基座16、一左旋轉斜齒輪11、一右旋轉斜齒輪14、一左固定輔助斜齒輪12、以及一右固定輔助斜齒輪15。其中，該左致動器18與該右致動器19之耳狀凸板各分別牢固於該致動器座17後方之左側與右側，各用於致動拍翼動作。該左連接器20連接該左致動器18之旋轉軸心並鑲入該左拍翼臂10，該右連接器21連接右致動器19之旋轉軸心並鑲入右拍翼臂13。該中央基座16連同固定斜齒輪12與15牢固於已經裝配致動器18與19之致動器座17，該左固定輔助斜齒輪12與該右固定輔助斜齒輪15分別牢固於該中央基座16朝外之左、右側上。最後，該左旋轉斜齒輪11設置於該左拍翼臂10之卡槽內，該右旋轉斜齒輪14設置於右拍翼臂13之卡槽內。

該左旋轉斜齒輪11與該右旋轉斜齒輪14各分別與該左固定輔助斜齒輪12以及該右固定輔助斜齒輪15囓合。

該左旋轉斜齒輪11與該右旋轉斜齒輪14之軸孔內可安插一拍翼組22，該左固定輔助斜齒輪12與該右固定輔助斜齒輪15各分別配置成與該左致動器18以及該右致動器19同軸。

於操作時在提供電力後，該左致動器18與該右致動器19被啟動，該左連接器20與該右連接器21各分別連接至該左致動器18與該右致動器19，以進行旋轉，以帶動該左拍翼臂10與該右拍翼臂13同步拍動，該左旋轉斜齒輪11與該右旋轉斜齒輪14亦隨著左拍翼臂10與右拍翼臂13拍動。由於該左固定輔助斜齒輪12與該右固定輔助斜齒輪15分別與該左旋轉斜齒輪11與該右旋轉斜齒輪14囓合，因此，該左旋轉斜齒輪11與該右旋轉斜齒輪14可以在兩度空間中移動，以進行拍翼與轉翼之動作。

可以藉由控制左致動器18與右致動器19之旋轉，以控制進行拍翼或轉翼；以及可以藉由改變左旋轉斜齒輪11與一右旋轉斜齒輪14對於左固定輔助斜齒輪12與右固定輔助斜齒輪15之囓合齒數，以控制拍翼組22之轉翼。

可以藉由改變該左旋轉斜齒輪11與該右旋轉斜齒輪14分別對該左固定輔助斜齒輪12與該右固定輔助斜齒輪15之囓合齒數、以及藉由控制由該等致動器所產生之拍翼角度，以控制轉翼角度。

本發明之拍翼微飛行器之轉翼結構100實施例是以CAD軟體設計，以3D堆疊技術列印，並以Zortax ASA(Acrylonitrile styrene acrylate：丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸酯共聚物)-pro材料製成。在使用本發明組裝成微飛行器時，使用橫截面積為6mm×6mm之碳纖維桿作為該飛行器之機身23，並使用橫截面積為3mm×3mm之碳纖維桿作為該飛行器之翼樑。在本發明中，致動器即為伺服馬達。

本發明之各項性能與參數之測試驗証均於風洞中進行。在此風洞中設有高速攝影機，以取得本發明之拍翼頻率、拍翼角度、以及轉翼角度。

該拍翼微飛行器之轉翼結構實施例可以製成為尺寸：長度85mm、寬度63mm、以及高度39.3mm，其拍翼頻率為3.1Hz，其重量為47克，最大升力達91克力。

於本發明之轉翼結構後側可設置一鋰聚合物(LiPo)電池(未圖示)，其連接至左、右致動器18、19，以提供所須電力。以本發明轉翼結構所形成之微飛行器具有一機身23，其為由碳纖維所製成之桿，以減輕重量；以及該拍翼組22是由聚對苯二甲酸乙二酯(PET：polyethylend terephthalate)薄膜製成。

以下參考以下表1與表2，說明本發明之性能實優於習知技術1、2，可以達成該等習知技術所無法預期之功效，符合進步性要件：本發明之性能優於習知技術1，其理由如以上所述：該習知技術僅具拍翼功能並無轉翼功能，故其飛行升力不足。相對而言，本發明充分運用空氣動力學原理，不僅具有拍翼功能且具有轉翼功能，大幅增加其飛行升力以致於性能較優異。

又，本發明之性能優於習知技術2，可以達成該習知技術無法預期之功效，符合進步性要件，詳以下說明：

1.習知技術2設有兩對伺服馬達(共4個)，其各用於拍翼與轉翼，故該兩對之重量為13.4×4=53.6克。本發明使用一組致動器(即伺服馬達)(共2個)與一組旋轉斜齒輪(共2個)之重量為13.4×2+1.02×2=26.8+2.04=28.84克，幾乎只有習知技術2重之一半。故，本發明之重量(47克)僅為習知技術2重量(83克)之56%，其重量大幅減輕幾乎只有其一半，因此消耗較少功率。在使用相同電池電源之情況下，本發明可具有較大續航力，以達成較長時間與較長距離之飛行。

2.由於本發明可以製得較習知技術2重量輕許多，且本發明之體積(長度×寬度×高度)製得小許多，可減少使用材料、降低製造成本、且佔用較小空間。

3.本發明之最大平均升力/重量為：91gf/47gm=1.94gf/gm，習知技術2之最大平均升力/重量為：133gf/83gm=1.6gf/gm，故本發明單位重量之升力可增加(1.94-1.6)/1.6=21.25%。若將本發明之升力/重量比應用於該習知技術，則可增加其升力：83gm×(1.94-1.6)=28.22gf。故，本發明具較大升力，於飛行時可以承載較重負載。

4.由於本發明使用一組共兩個伺服馬達，習知技術2使用兩對共四個伺服馬達，故，該習知技術2在使用時，會產生較大之振動與噪音，以致容易被敵方發現。

5.在將本發明之轉翼結構與習知技術2結構分別裝上飛行翼後之翼展比為650mm vs.960mm；兩者之拍翼面積比為108,480mm² vs.254,100mm²。這是由於該習知技術2之重量重許多，須參考飛行生物尺度律(scaling law)，使用較大翼展與較大拍翼面積始得進行飛行。故，以本發明之轉翼結構所製之微飛行器重量較輕，具有較大續航力；因此，其除了可減少使用材料並降低成本外，在執行偵察任務時，由於其體積小而具有較不易為敵方發現之優點。

綜上所述，本發明之性能實優於習知技術1、2，可以達成該等習知技術所無法預期之功效，符合進步性要件。

以上說明內容僅為本發明一較佳實施例，其並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、結構、材質、特徵及精神所為之等同變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。