CN102211667A - 一种两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构，该机构由机架、电机、两级平行齿轮减速器和四连杆机构组成，在机架上固定微型电机，驱动两级平行齿轮减速器，带动四连杆机构的两个摇臂，将微型电机的高速转动变为四连杆机构摇臂合适频率的上下扑动。本发明具有结构简单，重量轻，占用空间小，可靠性高，使用寿命长等优势，适合用于微型扑翼飞行器。

Description

一种两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，它具有体积小、重量轻、使用灵活、效率高等优势。由于扑翼飞行器的升力、推力均由上下扑动的扑翼提供，因此，驱动扑翼使扑翼飞行器获得良好的气动效率，同时具备较高的可靠性和良好的载荷特性就成为了影响微型扑翼飞行器整体性能好坏的重要环节。这就使得扑翼驱动机构设计成为了微型扑翼飞行器研制过程中的关键环节。

目前的扑翼驱动机构主要有以下几种技术途径：

中国专利授权公告号CN201354146Y，名称为机械鸟的扑动机构的实用新型专利公开了一种模拟飞鸟展翅飞行的具有三自由度的扑动装置。该装置采用三个电机分别驱动曲柄摇杆机构、齿轮齿环机构和齿轮组实现了模仿飞鸟展翅飞行的拍打、扭转和摆动的三自由度运动。其不足之处是机构的组成比较复杂，难以轻量化、小型化，在微型扑翼飞行器上应用受限；整个机构由三个电机及其对应的传动机构分别独立，需要复杂的控制***控制三个电机使整个机构的扑动协调，增加了飞控***的设计难度，降低了可靠性。

中国专利授权公告号CN101508343A，名称为扑翼轨迹呈8字形的仿生微型飞行器的发明专利给出了一种单自由度四连杆拍翼驱动机构，通过两级齿轮减速器驱动曲柄连杆机构带动拍翼上下拍动，并借由拍翼的弹性变形能力和特定的扑动频率产生的气动特性实现拍翼轨迹呈8字形的拍动。其不足之处是由于机架的设计，两级齿轮减速器的安装难以保证同轴性，两个齿轮轴前伸距离较长，在扑动频率较高的情况下，易造成机构运行不稳定，抖动幅度大的现象，影响机构的可靠性和使用寿命。

综合看来，现有扑翼驱动机构主要问题在于结构复杂、重量大，难以应用与微小型扑翼飞行器，可靠性差、使用寿命短等。

发明内容

为了克服现有技术结构复杂、重量大，难以应用与微小型扑翼飞行器，可靠性差、使用寿命短等不足，本发明提供一种两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构，能够简单可靠的实现扑翼对称扑动，并且具有较高结构效率和较大输出功率，可靠性高，使用寿命长，适合微型扑翼飞行器应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包含机架、电机、两级平行齿轮减速器和四连杆机构。

所述机架为左右对称的整体结构，以面向机头方向为前面，在机架底面和前面上部分别有固定孔，固定孔的轴线垂直于其所在表面，机架通过所述固定孔与扑翼飞行器机身进行螺纹连接或销接。机架上有前后方向贯通的电机安装孔、传动轴孔和曲柄轴孔，三者轴线互相平行且依次位于前者下方，均位于机架对称平面内。曲柄轴孔上方有左右对称的两个摇臂轴孔，其轴线与前述三孔的轴线平行。

所述电机为机长不超过60mm的直流无刷电机，在机架后侧固定于电机安装孔，电机枢轴穿过机架与两级平行齿轮减速器的一级主动齿轮固接，传动轴穿过传动轴孔，两端分别与一级从动齿轮和二级主动齿轮固接，曲柄轴穿过曲柄轴孔，一端与二级从动齿轮固接，另一端与曲柄固接。传动轴孔和曲柄轴孔中分别依次安装轴承、限位套筒和轴承与相应轴配合，轴孔的长度至少是轴径的3倍。所述齿轮在传动轴和曲柄轴上的安装位置使得一级主动齿轮与一级从动齿轮啮合，二级主动齿轮与二级从动齿轮啮合，形成所述两级平行齿轮减速器，减速比为45-65。

所述四连杆机构有两个摇臂左右对称分布，每个摇臂中部分别与固接于机架摇臂轴孔的摇臂轴铰接，摇臂以其与摇臂轴铰接位置为界，内侧横截面小于外侧横截面，使两个摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离。摇臂外侧有盲孔，与扑翼翼梁插接。摇臂内侧分别与两个连杆一端铰接，连杆另一端与曲柄端头的短轴铰接，连杆和摇臂的连接点位于左右摇臂轴连线之间的位置。连杆靠近摇臂的一端有两处垂直轴线方向的弯折，使连杆在所述弯折以上和以下的部分位于两个平行但不重合的平面内；弯折的方向使两个连杆在靠近摇臂的一端互相远离。摇臂横截面变化和连杆弯折的作用是，在四连杆进行转动时振动较大的位置额外留出一定空间，使四连杆机构组装时可以在前后方向尽量紧凑，而不必考虑因零件制造和安装误差造成的运动干涉。

所述四连杆机构的尺寸关系是，若以曲柄长度为基准长度1.0，连杆长度为5.0-5.5，摇臂轴线间距为2.7-2.9，摇臂轴连线与曲柄轴轴线间距为5.2-5.3。

所述四连杆机构在机架前后方向与两级平行齿轮减速器在不发生运动干涉的前提下尽量靠近。

所述机架的尺寸由所述四连杆机构确定，高度为四连杆机构确定的摇臂轴连线与曲柄轴轴线的距离，最大宽度为两个摇臂轴孔的距离。

本发明的有益效果是：

本发明通过简单的两级平行齿轮减速器和四连杆机构实现了将电机输出的高速旋转运动变为摇臂合适频率的上下扑动，通过优选的减速比和四连杆机构尺寸关系满足扑翼飞行器对扑翼扑动频率和摇臂上下扑动角度的要求，左右摇臂扑动的不对称度也控制在满足实际需要的范围内。整个机构具有较大的输出功率。

本发明结构紧凑，重量轻，尺寸合理，适合在微型扑翼飞行器上应用。四连杆机构连杆的弯折和摇臂横截面形状的变化使得两个连杆在曲柄一端能够靠近而不必担心运动过程中与摇臂发生运动干涉，这就减小了四连杆机构前后方向的尺寸。机架的高度由摇臂轴线与曲柄轴线确定，这个高度所提供的空间可以布置电机和两级平行齿轮减速器，获得高度方向上良好的空间利用率。机架的最大宽度为摇臂轴线间距，在高度确定的前提下获得了整个机构的最小迎风面积，方便在微型扑翼飞行器上安装。四连杆机构在前后方向尽量与两级平行齿轮减速器靠近，获得前后方向的最小尺寸。

本发明具有较高的可靠性和较长的使用寿命。机架为数控加工一体化结构，具有很高的定位精度，很大程度上减少了安装误差，也就减少了使用磨损。传动轴和曲柄轴有较长的轴孔并与轴承和限位套筒配合安装，高速转动的过程中能有效合理的承载，保证传动效率和使用寿命。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明与机身和扑翼连接方式示意图；

图3为本发明传动轴和曲柄轴安装方式示意图；

图4为本发明机架后方示意图；

图中：1-机架，1A-电机安装孔，1B-传动轴孔，1C-曲柄轴孔，1D、1D’-摇臂轴孔，2-电机，3A-一级主动齿轮，3C-一级从动齿轮，3D-二级主动齿轮，3E-曲柄轴，3F-二级从动齿轮，4、4’-摇臂，4A、4A’-摇臂轴，5、5’-连杆，6-曲柄，7-机身隔框，8、8’-扑翼，8A、8A’-扑翼翼梁，9-轴承，10-限位套筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构，包含机架、电机、两级平行齿轮减速器和四连杆机构。

机架1为左右对称的整体结构，底面和前面上部分别有轴线垂直于表面的固定孔，通过所述固定孔与扑翼飞行器机身隔框7连接，连接方式为销接或螺纹连接。机架1有前后方向的电机2安装孔1A、传动轴孔1B和曲柄轴孔1C，三者轴线互相平行且依次位于前者下方，均位于机架1对称平面内。曲柄轴孔1C上方有左右对称的两个摇臂轴孔1D 1D’，其轴线与前述三孔的轴线平行。此外，机架1还在两摇臂轴孔1D 1D’之间、传动轴孔1B和曲柄轴孔1C之间开有减轻孔。

所述电机2为机长不超过60mm的直流无刷电机，在机架1后侧固定于电机安装孔，其枢轴穿过机架1与两级平行齿轮减速器的1级主动齿轮3A固接，传动轴穿过传动轴孔1B，两端分别与1级从动齿轮3C和2级主动齿轮3D固接，曲柄轴3E穿过曲柄轴孔1C，一端与2级从动齿轮3F固接，另一端与曲柄6固接。传动轴孔1B和曲柄轴孔1C中分别依次安装轴承9、限位套筒10和轴承9与相应轴配合，轴孔的长度至少是轴径的3～3.5倍，限位套筒由位于机架1侧面的紧固螺钉固定。所述齿轮在两个轴上的安装位置是，1级主动齿轮3A与1级从动齿轮3C啮合，2级主动齿轮3D与2级从动齿轮3F啮合，即1级主动齿轮和1级从动齿轮位于机架1前方，2级主动齿轮和2级从动齿轮位于机架1后方，形成所述两级平行齿轮减速器。其减速比为45-65，减速比根据所用电机2负载工作状态转速和扑翼飞行器飞行所需扑翼扑动频率确定，优选使用的减速比为51。减速器两级使用相同的主动齿轮和从动齿轮，减少制造成本。

所述四连杆机构左右对称的有两个摇臂4、4’，摇臂4 4’中部与固接于机架摇臂轴孔1D、1D’的摇臂轴4A、4A’铰接，摇臂4、4’以其与摇臂轴4A、4A’铰接位置为界，内侧横截面小于外侧横截面，使两个摇臂44’内侧轴线距离大于外侧轴线距离。摇臂4、4’外侧部分有盲孔，与扑翼翼梁8A、8A’插接。摇臂4、4’内侧分别与两个连杆5、5’一端铰接，两个连杆另一端与曲柄6端头的短轴铰接，连杆和摇臂的连接点位于左右摇臂轴连线之间的位置。连杆靠近摇臂的一端有两处垂直轴线方向的弯折，使连杆在所述弯折以上和以下的部分位于两个平行但不重合的平面内；弯折的方向是，使两个连杆5、5’在靠近摇臂4、4’的一端互相远离。

所述四连杆机构若以曲柄6长度为基准长度1.0，连杆长度为5.0-5.5，摇臂轴线间距为2.7-2.9，摇臂轴连线与曲柄轴轴线间距为5.2-5.3。不同的尺寸比例关系会获得不同的扑动角度和不对称度，应当根据扑翼飞行器对扑翼扑动角度的要求选择不对称度在允许范围内的尺寸比例关系。优选尺寸关系为，连杆5 5’长度为5.29，摇臂4 4’长度为1.71，摇臂轴线间距为2.86，摇臂轴连线与曲柄轴轴线间距为5.29。此时，四连杆机构摇臂的扑动幅度为72°，不对称度较小，满足扑翼飞行器飞行要求。

所述机架1的尺寸由四连杆机构确定，高度为四连杆机构确定的摇臂轴4A、4A’连线与曲柄轴3E轴线的距离，最大宽度为两个摇臂轴孔1D、1D’的距离。

曲柄轴3E穿过曲柄轴孔1C之后向前延伸一段距离再与曲柄6连接，避开减速器的1级从动齿轮3C，使四连杆机构在机架1前后方向与两级平行齿轮减速器在不发生运动干涉的前提下尽量靠近。

机构工作时，电机2的高速转动经过两级平行齿轮减速器进行减速使曲柄6绕曲柄轴3E转动，通过连杆5、5’带动四连杆机构摇臂4、4’上下扑动。

Claims (4)

1.一种两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构，包含机架、电机、两级平行齿轮减速器和四连杆机构，其特征在于：

所述机架为左右对称的整体结构，以面向机头方向为前面，在机架底面和前面上部分别有固定孔，固定孔的轴线垂直于其所在表面，机架通过所述固定孔与扑翼飞行器机身进行螺纹连接或销接；机架上有前后方向贯通的电机安装孔、传动轴孔和曲柄轴孔，三者轴线互相平行且依次位于前者下方，均位于机架对称平面内；曲柄轴孔上方有左右对称的两个摇臂轴孔，其轴线与前述三孔的轴线平行；

所述电机为机长不超过60mm的直流无刷电机，在机架后侧固定于电机安装孔，电机枢轴穿过机架与两级平行齿轮减速器的一级主动齿轮固接，传动轴穿过传动轴孔，两端分别与一级从动齿轮和二级主动齿轮固接，曲柄轴穿过曲柄轴孔，一端与二级从动齿轮固接，另一端与曲柄固接；传动轴孔和曲柄轴孔中分别依次安装轴承、限位套筒和轴承与相应轴配合，轴孔的长度至少是轴径的3倍；所述齿轮在传动轴和曲柄轴上的安装位置使得一级主动齿轮与一级从动齿轮啮合，二级主动齿轮与二级从动齿轮啮合，形成所述两级平行齿轮减速器，减速比为45-65；

所述四连杆机构有两个摇臂左右对称分布，每个摇臂中部分别与固接于机架摇臂轴孔的摇臂轴铰接，摇臂以其与摇臂轴铰接位置为界，内侧横截面小于外侧横截面，使两个摇臂内侧轴线距离大于外侧轴线距离；摇臂外侧有盲孔，与扑翼翼梁插接，摇臂内侧分别与两个连杆一端铰接，连杆另一端与曲柄端头的短轴铰接，连杆和摇臂的连接点位于左右摇臂轴连线之间的位置；连杆靠近摇臂的一端有两处垂直轴线方向的弯折，使连杆在所述弯折以上和以下的部分位于两个平行但不重合的平面内；弯折的方向使两个连杆在靠近摇臂的一端互相远离。

2.根据权利要求1所述的两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构，其特征在于：所述的四连杆机构的尺寸关系是，若以曲柄长度为基准长度1.0，连杆长度为5.0-5.5，摇臂轴线间距为2.7-2.9，摇臂轴连线与曲柄轴轴线间距为5.2-5.3。

3.根据权利要求1所述的两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构，其特征在于：所述的四连杆机构在机架前后方向与两级平行齿轮减速器在不发生运动干涉的前提下尽量靠近。

4.根据权利要求1所述的两级平行齿轮减速的扑翼驱动机构，其特征在于：所述的机架的尺寸由所述四连杆机构确定，高度为四连杆机构确定的摇臂轴连线与曲柄轴轴线的距离，最大宽度为两个摇臂轴孔的距离。

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