CN101633409B - 双向同步自动翻转扑翼机 - Google Patents

Abstract

双向同步自动翻转扑翼机，属于航天仿生飞行器设备领域。包括机身(8)、扑翼机构(1)、双向同步输出减速机构(2)、连杆(3)、机翼(4)、尾翼控制机构(5)和尾翼(6)，其特征在于：扑翼机构(1)包括十字形架(10)和两翼根(11)，十字形架(10)通过轴承安装在机身(8)前端，两翼根(11)分别安装在十字形架(10)两侧，机翼(4)通过翼骨与翼根(11)相连接，双向同步输出减速机构(2)通过连杆(3)与翼根(11)连接，尾翼控制机构(5)安装在机身(8)后端，尾翼(6)与尾翼控制机构(5)连接。机翼与机身为“点”连接，机翼可实现双向同步自动翻转，飞行效率高。

Description

双向同步自动翻转扑翼机

技术领域

双向同步自动翻转扑翼机，属于航天仿生飞行器设备领域，具体涉及一种可双向同步自动翻转的扑翼机。

背景技术

在自然界，无论鸟类还是昆虫的飞行，都是靠扑翼进行的。这种通过扑翼上下扑动的飞行方式除了能够提供较大的推力，提高飞行效率外，还可使小型飞行器实现更加灵活的飞行动作。

目前人们所研制扑翼机，主要有以下几方面的缺陷：1、机翼大多只能够完成简单的上下扑翼动作，不能进行自动翻转，这和扑翼动物的实际飞行状态相去甚远，扑翼动物飞行时，翅膀不仅是简单的上下扑动，还伴随着复杂的翻转运动；2、机翼内侧整体连接在机身上，与机身是“线”连接，这与鸟类和昆虫的翅膀也有很大的差别，无论是鸟类还是昆虫，它们的翅膀都是通过翼根与身体连接，是“点”连接，而不是“线”连接，因此翅膀具有很好的自由度(蝙蝠的翅膀与身体是“线”接触，因翅膀是薄膜富有弹性，故有自由度，与鸟类和昆虫不同)；3、机翼大多为一体式设计，机翼上下扑动时，不能根据需要调整机翼的受力面积，减小阻力，鸟类的翅膀在扑动时可以展开和收缩，主、副翼间有一定缝隙，下扑时展开，缝隙关闭，阻力大，上扑时收缩，缝隙打开，阻力小，利于产生升力。中国专利(申请号：200820028169.8)公开了一种用于微型飞机的扑翼，该扑翼由展向梁、支撑筋和蒙皮组成，展向梁分为左右两段，两段之间下表面通过连接片连接，上表面通过弹性材料连接，展向梁和支持筋构成扑翼骨架，外面包有蒙皮。这种设计由于两段展向梁间为弹性连接，因此在一定程度上可以减小机翼向上扑动时的受力面积，从而减小了上扑的阻力，但由于两段机翼之间无缝隙仍然是一个整体，因此在机翼上扑时不能利用机翼间打开缝隙的方式进一步降低阻力，致使该扑翼机飞行效率不够理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种机翼与机身为“点”连接，机翼可实现双向同步自动翻转，飞行效率高的双向同步自动翻转扑翼机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该双向同步自动翻转扑翼机，包括机身、扑翼机构、双向同步输出减速机构、连杆、机翼、尾翼控制机构、尾翼，其特征在于：扑翼机构包括十字形架和两翼根，十字形架通过轴承安装在机身前端，两翼根分别安装在十字形架两侧，机翼通过翼骨与翼根相连接，与机身形成“点”连接，双向同步输出减速机构通过连杆与翼根连接，尾翼控制机构安装在机身后端，尾翼与尾翼控制机构连接。

双向同步输出减速机构包括电机、曲柄、双向输出轴和减速箱，连杆两端分别与翼根和双向同步输出减速机构的曲柄相连，连杆机翼端轴承孔与连杆曲柄端轴承孔中心线异面垂直。

连杆的连杆机翼端装有滚动轴承，连杆曲柄端装有关节轴承。

连杆的连杆机翼端装有关节轴承，关节轴承两侧各装有一个活动关节轴承，通过弹簧与连杆连接。

双向同步输出减速机构的减速箱上设有U形座，十字形架通过轴承安装在U形座上。

机翼包括翼骨、短碳纤片、长碳纤片和尼龙蒙皮，长、短碳纤片的内端对称分别固定在翼骨的上、下表面上，外端固定在一起，形成上凸下凹形翼面，翼骨与长、短碳纤片外蒙有尼龙蒙皮。

机翼分为主翼和副翼两部分，主翼和副翼之间通过翼骨上的弹性金属片连接。当飞行器体积较小时，也可只保留主翼去掉副翼。

主翼和副翼通过主翼翼骨和副翼翼骨之间的弹簧钢片连接。

主翼翼骨向下有一定弧度，呈椭圆形，副翼翼骨为长条形。

尾翼控制机构包括1号舵机和2号舵机，1号舵机通过1号舵机架与机身相连，通过1号舵机摇臂与2号舵机架相连，2号舵机通过2号舵机摇臂与尾翼连接。

与现有技术相比，本发明的双向同步自动翻转扑翼机所具有的有益效果是：机翼仅通过翼骨一端与十字形架连接，十字形架通过关节轴承与机身“点”连接，这种连接结构使扑翼机的扑翼动作和机翼很好的模拟了扑翼类动物，机翼在实现上下扑动的同时还可同时实现同步翻转的动作，增加了空气对机翼的推动力和升力。连杆机翼端采用关节轴承连接，进一步增大机翼的自由度，使机翼的转动角度增大，提高了飞行效率。尾翼控制***结实灵活，具有很好的可操控性；可广泛应用于航空仿生飞行器的制造。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明十字形架结构主视图示意图。

图3是本发明十字形架结构俯视图示意图。

图4是本发明翼根结构主视图示意图。

图5是本发明翼根结构俯视图示意图。

图6是本发明双向同步输出减速机构结构示意图。

图7是本发明实施例1连杆结构示意图。

图8是本发明机翼结构示意图。

图9是本发明主翼翼骨侧面结构示意图。

图10是本发明1号舵机及机架结构主视图示意图。

图11是本发明1号舵机及机架结构左视图示意图。

图12是本发明2号舵机及机架结构主视图示意图。

图13是本发明2号舵机及机架结构左视图示意图。

图14是本发明尾翼结构示意图。

图15是本发明尾翼翼骨结构示意图。

图16是本发明实施例1滚动轴承连接机翼运动原理示意图。

图17是本发明实施例2关节轴承连接机翼运动原理示意图。

图18是本发明实施例2连杆结构示意图。

其中：1、扑翼机构  2、双向同步输出减速机构  3、连杆  4、机翼  5、尾翼控制机构  6、尾翼  7、设备总箱  8、机身  9、电机  10、十字形架  11、翼根  12、机翼固定孔  13、U形座  14、曲柄  15、双向输出轴  16、减速箱  17、连杆机翼端18、连杆曲柄端  19、副翼  20、副翼孔  21、副翼翼骨  22、弹簧钢片  23、短碳纤片  24、长碳纤片  25、主翼  26、主翼翼骨  27、1号舵机  28、1号舵机架  29、1号舵机架连接孔  30、1号舵机摇臂  31、2号舵机架  32、2号舵机架连接孔  33、2号舵机摇臂  34、摇臂连接孔  35、2号舵机  36、尾翼连接孔  37、连接杆  38、尾翼翼骨。

下面结合附图1～18对本发明做进一步说明：

具体实施方式

实施例1

本发明双向同步自动翻转扑翼机，包括扑翼机构1、双向同步输出减速机构2、连杆3、机翼4、尾翼控制机构5、尾翼6、设备总箱7、机身8和电机9。电机9经过双向同步输出减速机构2减速后，通过连杆3驱动扑翼机构1带动机翼4做上下扑动和自动翻转运动。当电机9在控制电路的作用下正转或反转时，机翼4也相应做前向或后向的扑动和翻转。尾翼控制机构5控制尾翼6进行上下扑动或左右转动。设备总箱7内装有电池、电子调速器和信号接收器等设备。机身8用于连接各个部件，机身8与双向同步输出减速机构2之间有3°～5°的夹角，使机翼4安装时具有一定的上攻角。

参照附图2～5：

扑翼机构1包括十字形架10和两翼根11，两翼根11内端孔通过轴和轴承与十字形架10左右两端孔相连，外端孔与连杆3的连杆机翼端17连接，翼根11上设有机翼固定孔12与副翼孔20相连用于固定机翼4。十字形架10的中心孔通过轴承与减速箱16上的U形座13相连，使十字形架10能绕U形座13在一定范围内转动。

参照附图6：

双向同步输出减速机构2包括减速箱16、双向输出轴15和曲柄14。减速箱16上设有U形座13，通过轴承与十字形架10的中心孔相连。减速箱16左右设有双向输出轴15，双向输出轴15为左右对称同步双向输出轴，与曲柄14相连，带动曲柄14做双向同步旋转运动。曲柄14与连杆3的连杆曲柄端18相连。

参照附图7：

连杆机翼端17装有滚动轴承，与翼根11外端孔连接；连杆曲柄端18装有关节轴承，与曲柄14连接。连杆机翼端17轴承孔与连杆曲柄端18轴承孔中心线异面垂直。

参照附图8～9：

机翼4分为主翼25和副翼19两部分，主、副翼25、19均由翼骨、短碳纤片23、长碳纤片24和尼龙蒙皮组成。主翼翼骨26向下有一定弧度，呈椭圆形，副翼翼骨21为长条形，翼骨材料根据机翼4大小可以选择碳纤或具有较高强度的轻质木材。主翼25和副翼19之间仅通过主翼翼骨26和副翼翼骨21上的弹簧钢片22连接，这种分体式连接的方式可使主、副翼25、19之间存有一个连接缝隙，当机翼4在上、下扑动时，主、副翼25、19之间的连接缝隙相应开合，降低空气阻力，提高飞行效率。长、短碳纤片24、23的内端对称固定在翼骨的上、下表面上，外端固定在一起，长碳纤片24在短碳纤片23的作用下产生一个向下的弧度。翼骨与碳纤片外蒙有高强度尼龙蒙皮。

参照附图10～13：

尾翼控制机构5包括1号舵机27和2号舵机35，1号舵机27通过1号舵机架28固定在机身8上，1号舵机架连接孔29通过轴和轴承与2号舵机架连接孔32相连，保证两台舵机间可相对转动，1号舵机摇臂30通过摇臂连杆与2号舵机架31上的摇臂连接孔34相连，1号舵机27通过1号舵机摇臂30控制2号舵机架31转动。2号舵机35安装在2号舵机架31上，2号舵机摇臂33通过连接杆37与尾翼6相连。2号舵机架31上的尾翼连接孔36内装有轴承，通过轴和轴承与尾翼翼骨38的中心孔相连。

参照附图14～15

尾翼6与机翼4结构相仿，由尾翼翼骨38、短碳纤片23、长碳纤片24和尼龙蒙皮组成。尾翼翼骨38上设有两个连接杆37与2号舵机摇臂33相连，2号舵机摇臂33通过连接杆37控制尾翼6转动。尾翼翼骨38前端中心孔中装有轴承，通过轴和轴承与2号舵机架31上的尾翼连接孔36相连。

附图16为机翼运动原理图。参照附图16简要说明飞行原理与飞行过程如下：

本实施例中，连杆3的连杆机翼端17内装滚动轴承，这种滚动轴承结构决定机翼4平面与连杆3始终保持90度夹角。①～⑧为双向同步自动翻转扑翼机飞行时机翼翻转原理图。控制电机9转向，使减速箱16带动双向输出轴15和曲柄14顺时针转动，当曲柄14运动在①②③区间时，机翼4向斜后下方扑动，对空气产生向下和向后的压力，空气反作用于机翼4，产生向上的正升力和向前的推力，使扑翼机向上和向前运动。当曲柄14运动在③④①区间时，机翼4平面由于与连杆3保持垂直，机翼4变为斜向后上方扑动，对空气产生向上和向后的压力，空气反作用于机翼4，产生负升力和前向的推力。此外，由于机翼4在上下扑动时，由机翼翼骨带动整个机翼4运动，机翼4运动始终落后于翼骨，因此空气反作用于机翼，还会产生向前的推力，使扑翼机向前运动。而尾翼6为保持机身8的平衡做上下扑动，使空气对其产生向前的推力，也会起到推动的作用。总的来说，曲柄14顺时针运动一周，机翼4对空气产生向后的推力，因此扑翼机向前运动。需要注意的是，由于本发明机翼4的特殊结构，此时产生的负升力远小于正升力：1、主、副翼25、19之间为分体式连接，当机翼4斜向上扑动时，主、副翼25、19收缩，主、副翼25、19之间缝隙敞开，空气阻力减小，产生的负升力也减小；2、在扑翼机前进时，由于机翼4的上凸下凹的翼型，也产生升力；另外，由于机翼4有3°～5°的上攻角，前向运动时产生升力。因此，曲柄14顺时针运动一周，产生的总的正升力大于负升力，扑翼机可以保持向上和向前的运动。

控制电机9转向，使减速箱16带动双向输出轴15和曲柄14逆时针转动，当曲柄14运动在⑤⑥⑦区间时，机翼4运动方向为斜前下方，对空气产生向下和向前的压力，空气反作用于机翼4，产生向上的正升力和向后的推力；当曲柄14运动在⑦⑧⑤区间时，机翼4运动方向斜向前上方，对空气产生向上和向前的压力，空气反作用于扑翼机产生负升力和向后的推力。基于曲柄14顺时针同样的分析，曲柄14逆时针运动一周，产生的正升力也大于负升力。同时由于机翼4在上下扑动时，由机翼翼骨带动整个机翼4运动，机翼4运动始终落后于翼骨，因此空气反作用于机翼，还会产生向前的推力，使扑翼机向前运动。正由于机翼4在运动时，既产生向前的推力，又有向后的推力，增加了机翼4下空气的扰动，从而增加了空气对机翼4的浮力。当调整尾翼6角度，加大扑翼机仰角时，使扑动方向斜向前，可以使产生的正升力远大于负升力。鸟在降落或垂直起飞时，加大仰角，机翼4的扑动方向斜向前方，所以升力大。但起飞后，仰角变小，机翼4后向扑动，使空气对其产生向前的推力，使其快速前进。根据以上分析，曲柄14逆时针运动时，合理调整飞行姿态和参数，可以使扑翼机完成各种复杂的飞行动作，如悬停，升降等。也可以前向上飞或后向上飞等，但因为机翼4扑动时，既有前向的推力也有向后的推力，及产生的空气扰动，所以速度都较平飞慢的多，但升力却较顺时针时大的多。(顺时针旋转有利于向前推动，逆时针旋转有利于升高)。具体要控制扑翼机是向前飞，还是向后飞，还是悬停，还要看扑翼机飞行的姿态和其他参数，如仰角，扑动频率等。

实施例2

参照附图18：

连杆机翼端17装有关节轴承，通过轴与翼根11外端孔连接，关节轴承两侧分别装有两个活动关节轴承，通过弹簧连接在连杆3上；连杆曲柄端18装有关节轴承，与曲柄14连接。连杆机翼端17轴承孔与连杆曲柄端18轴承孔中心线异面垂直。这种设计使机翼4在飞行过程中能进行更大角度的翻转，左右安装两个活动关节轴承及弹簧是为了保护中间连杆机翼端17的关节轴承不会因为翻转角度过大而损坏。

附图17为实施例2的机翼运动原理图。参照附图17简要说明飞行原理与飞行过程如下：

本实施例中，连杆3的连杆机翼端17内装关节轴承，这种关节轴承结构决定机翼4平面与连杆3可在一定夹角范围内转动。①～⑧为双向同步自动翻转扑翼机飞行时机翼翻转原理图。控制电机9转向，使减速箱16带动双向输出轴15和曲柄14顺时针转动，当曲柄14运动在①②③区间时，机翼4因风阻沿翼骨翻转，机翼4翻转后与连杆3夹角大于90度，机翼4向斜后下方扑动，对空气产生向下和向后的压力，空气反作用于机翼4，产生向上的正升力和向前的推力，使扑翼机向上和向前运动。当曲柄14运动在③④①区间时，机翼4翻转后与连杆3夹角小于90度，机翼4变为斜向后上方扑动，对空气产生向上和向后的压力，空气反作用于机翼4，产生负升力和向前的推力。该实施例中由于采用关节轴承，增大了机翼4的自由度，使机翼4翻转角度增大，增大了对空气向后的压力，从而获得空气对其更强的推力。

控制电机9转向，使减速箱16带动双向输出轴15和曲柄14逆时针转动，当曲柄14运动在⑤⑥⑦区间时，机翼4翻转，与连杆3夹角大于90度，由于连接结构为关节轴承的活动连接，翼面方向是斜向前还是斜向后，决定于运动到的具***置和装在连杆3上弹簧弹性大小。对空气产生向下和向前的压力，空气反作用于机翼4，产生向上的正升力和向后的推力；当曲柄14运动在⑦⑧⑤区间时，机翼4翻转后与连杆3夹角小于90度，机翼4运动方向斜向前上方，对空气产生向上和向前的压力，使扑翼机产生负升力和向后运动。基于与实施例1同样的分析，由于机翼4下空气的急剧扰动，也使升力显著增加，因此曲柄14逆时针运动一周，产生的正升力也大于负升力。同样，由于采用关节轴承设计，增大了机翼4的自由度，使机翼4翻转角度增大，增大了对空气向下的压力，从而获得空气对其更强的升力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.双向同步自动翻转扑翼机，包括机身(8)、扑翼机构(1)、双向同步输出减速机构(2)、连杆(3)、机翼(4)、尾翼控制机构(5)和尾翼(6)，其特征在于：扑翼机构(1)包括十字形架(10)和两翼根(11)，十字形架(10)通过轴承安装在机身(8)前端，两翼根(11)分别安装在十字形架(10)两侧，机翼(4)通过翼骨与翼根(11)相连接，双向同步输出减速机构(2)通过连杆(3)与翼根(11)连接，尾翼控制机构(5)安装在机身(8)后端，尾翼(6)与尾翼控制机构(5)连接，连杆(3)两端分别与翼根(11)和双向同步输出减速机构(2)的曲柄(14)相连，双向同步输出减速机构(2)的减速箱(16)上设有U形座(13)，十字形架(10)通过轴承安装在.U形座(13)上。

2.根据权利要求1所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：连杆机翼端(17)轴承孔与连杆曲柄端(18)轴承孔中心线异面垂直。

3.根据权利要求2所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：连杆(3)的连杆机翼端(17)装有滚动轴承，连杆曲柄端(18)装有关节轴承。

4.根据权利要求2或3所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：连杆(3)的连杆机翼端(17)装有关节轴承，关节轴承两侧各装有一个活动关节轴承，通过弹簧与连杆(3)连接。

5.根据权利要求1所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：机翼(4)包括翼骨、短碳纤片(23)、长碳纤片(24)和尼龙蒙皮，长、短碳纤片(24、23)的内端对称分别固定在翼骨的上、下表面上，外端固定在一起，形成上凸下凹形翼面，翼骨与长、短碳纤片(24、23)外蒙有尼龙蒙皮。

6.根据权利要求1或5所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：机翼(4)分为主翼(25)和副翼(19)两部分，主翼(25)和副翼(19)之间通过翼骨上的弹性金属片(22)连接。

7.根据权利要求6所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：主翼(25)和副翼(19)通过主翼翼骨(26)和副翼翼骨(21)之间的弹簧钢片(22)连接。

8.根据权利要求7所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：主翼翼骨(26)向下有一定弧度，呈椭圆形，副翼翼骨(21)为长条形。

9.根据权利要求1所述的双向同步自动翻转扑翼机，其特征在于：尾翼控制机构 (5)包括1号舵机(27)和2号舵机(35)，1号舵机(27)通过1号舵机架(28)与机身(8)相连，通过1号舵机摇臂(30)与2号舵机架(31)相连，2号舵机(35)通过2号舵机摇臂(33)与尾翼(6)连接。 

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