CN105314109B - 一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构，包括：依次连接的驱动装置、万向节以及位置控制装置，其中，所述万向节具有一驱动轴和一从动轴，所述从动轴上连接有翅膀，所述驱动轴一端连接所述驱动装置并在所述驱动装置的作用下转动，所述从动轴一端连接所述位置控制装置并在所述位置控制装置的作用下运动，所述驱动装置上安装有实时感知驱动轴运动位置的第一位置传感器，所述位置控制装置上安装有实时感知所述从动轴运动位置的第二位置传感器，所述从动轴的运动位置根据所述驱动轴的运动位置的变化也实时作调整。本发明解决了原有的扑翼飞行器无法实现“8”字飞行、不能灵活改变迎角大小的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种扑翼飞行器，具体涉及一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构。
背景技术
扑翼飞行器，是指像鸟一样通过机翼主动运动产生升力和前行力的飞行器，扑翼飞行器在飞行过程中靠双翼扇动进行飞行。扑翼飞行与固定翼和旋翼飞行相比，具有如原地或小场地起飞，良好的飞行机动性和一定的空中悬停性能，长距离飞行能耗较少等特点。在军事上可用于敌情侦察、目标追踪、电子干扰、中继通信、主动进攻及防御等；在民用上可用于如环境及灾情监测、交通道路监控、农业勘测、航空摄影等。
自然界的扑翼飞行时翅膀多采用“8”字扇动方式，而目前所制造的扑翼飞行器由于种种因素限制均无法实现真正意义上的“8”字飞行。此外，自然界的扑翼飞行时，翅膀在任意时刻均可改变迎角大小，从而使得飞行更平稳、翅膀效率更高、机动性更强，但是，目前现有技术中所制造出的扑翼飞行器也因种种原因的限制，在实际飞行中，不能灵活改变扑翼飞行器飞行时的迎角大小，造成机动性不高。
因此，如何设计一种能够实现“8”字飞行、并能灵活改变飞行时的迎角大小的扑翼飞行器便成为了目前亟待解决的技术问题。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明现提出一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构，以解决原有的扑翼飞行器无法实现“8”字飞行、不能灵活改变迎角大小的问题。
本发明所公开的一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构，其包括：依次连接的驱动装置、万向节以及位置控制装置，其中，所述万向节具有一驱动轴和一从动轴，所述从动轴上连接有翅膀，所述驱动轴连接所述驱动装置并在所述驱动装置的作用下转动，所述从动轴连接所述位置控制装置并在所述位置控制装置的作用下运动，所述驱动装置上安装有实时感知驱动轴的运动位置的第一位置传感器，所述位置控制装置上安装有实时感知所述从动轴运动位置的第二位置传感器，所述从动轴的运动位置根据所述驱动轴的运动位置的变化也实时作调整。
进一步地，所述驱动装置通过同步带、或曲柄摇杆、或齿轮、或齿轮齿条间接连接到所述万向节的驱动轴上。
进一步地，所述位置控制装置包括相互交叉设置的第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽和第二限位槽在空间中相交形成一特定位置，所述万向节的从动轴被约束在此特定位置上。优选地，所述第一限位槽和第二限位槽独立运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
优选地，所述第二限位槽随着第一限位槽运动而运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
优选地，所述第二限位槽为一固定的限位槽，通过调整第一限位槽运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
优选地，所述第二限位槽为一个由弹性体和刚性体综合构成的限位槽，通过调整第一限位槽运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
优选地，所述第二位置传感器通过直接测量或间接计算的方式获得该特定位置的位置信息。
基于本发明的另一构思，还提供一种扑翼飞行器，该扑翼飞行器包含上述任一技术方案所公开的翅膀驱动机构。
与现有技术相比，本发明所提供的一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构，解决了现有的扑翼飞行器翅膀往复扇动时无法真正意义上实现“8”字飞行轨迹的问题，同时，也能实现急停，急转，保持悬停状态等；本发明中的翅膀在任意位置均可灵活改变迎角大小，从而能够更有效的控制飞行，使得飞行更平稳、翅膀驱动效率更高、机动性更强。
附图说明
图1是本发明实施例所述的扑翼飞行器的翅膀驱动机构的结构示意图
图2是本发明实施例所述的扑翼飞行器的翅膀驱动机构的具体结构示意图。
图3(a)是本发明实施例所述的扑翼飞行器的驱动端处于同一位置时，通过调整从动端使翅膀处在某一迎角时的状态示意图；
图3(b)是本发明实施例所述的扑翼飞行器的驱动端处于同一位置时，通过调整从动端使翅膀处在另一迎角时的状态示意图；
图4(a)是本发明实施例所述的扑翼飞行器的驱动端处于同一位置时，通过调整从动端使翅膀处在某一高度时的状态示意图；
图4(b)是本发明实施例所述的扑翼飞行器的驱动端处于同一位置时，通过调整从动端使翅膀处在另一高度时的状态示意图；
图5(a)是本发明实施例所述的扑翼飞行器的驱动端处于同一位置时，通过调整从动端使翅膀展现的不同状态下的对比示意图；
图5(b)本发明一个实施例中所述的扑翼飞行器的翅膀的扇动轨迹示意图；
图6是本发明另一实施例所述的扑翼飞行器的翅膀驱动机构的具体结构示意图。
图中，附图标记如下：1-驱动装置；2-万向节；21-驱动轴；22-从动轴；3-位置控制装置；31-第一限位槽；32-第二限位槽；4-翅膀。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明实施例所公开的一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构的结构示意图。
如图1所示，所述翅膀驱动机构包括：从上往下依次连接的驱动装置1、万向节2以及位置控制装置3，所述驱动装置1可以为齿轮或其他驱动方式，其中，万向节2是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，本发明巧妙的将万向节2用于扑翼飞行器结构中，实现力的传导和方向的调整。所述万向节2具有一驱动轴21和一从动轴22，所述从动轴22上连接有翅膀4，所述驱动轴21的一端连接所述驱动装置1并在所述驱动装置1的作用下沿水平方向旋转，所述从动轴22连接所述位置控制装置3并在所述位置控制装置3的作用下运动，其运动过程包括向上、向下、向前、向后或者改变翅膀4的迎角大小等等，所述驱动装置1上安装有实时感知驱动轴21的运动位置的第一位置传感器(图中未示出)，所述位置控制装置3上安装有实时感知所述从动轴22运动位置的第二位置传感器(图中未示出)，所述第二位置传感器可位于所述位置控制装置3里头或底部，所述从动轴22的运动位置根据所述驱动轴21的运动位置的变化也实时作调整，使所述翅膀4实现不同的飞行姿势，也就是说，一方面，驱动装置1驱动万向节2的驱动轴21做往复圆周运动，通过万向节2的特殊结构带动翅膀4运动，同时位置控制装置3也驱动万向节2的从动端运动，以上二者综合作用使得翅膀4在运动中实现“8”字动作的同时，也可在任意位置通过驱动装置1和位置控制装置3的联动实现不同迎风角度的调整。而为了实现二者位置的协调性，本发明在驱动轴21和从动轴22上均按安装有位置传感器，以实时感知二者的运动位置，通过协调二者的位置实现扑翼飞行器在飞行过程中的各种动作，该动作包括改变翅膀4的扇动方向、扇动高度及迎角大小。其中，翅膀4可直接或间接的连接在所述万向节2上，本发明实施例中，为了更好的控制翅膀4，所述翅膀4同时连接在万向节2及从动轴22上。所述位置控制装置，可接收并处理来自其它方面的传感器或者控制器的信息，比如惯性传感器或遥控器的信息。
当然，本发明中的万向节2也采用其它可弯曲的柔性连接器来代替，比如橡胶棒或其他弹性材料，其在可弯曲的同时也能传递扭矩。
其中，所述驱动装置1可以通过同步带、或曲柄摇杆、或齿轮、或齿轮齿条间接的连接到所述万向节的驱动轴上。
具体来说，所述位置控制装置包括相互交叉设置的第一限位槽和第二限位槽，两个限位槽在空间中相交形成一特定位置，所述万向节的从动轴被约束在此特定位置上。由于每个限位槽具有一定的空间，所述第一限位槽和第二限位槽可以紧挨也可以不紧挨。.
在上述装置中，可实现限位的方式具有多种，下面列举两种予以说明
方式一：所述第一限位槽和第二限位槽独立运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
方式二，所述第二限位槽随着第一限位槽运动而运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
更进一步地，在上述方式二中，使该特定位置发生变化的方式由两种控制模式：
模式一，所述第二限位槽为一固定的限位槽，通过调整第一限位槽运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
模式二，所述第二限位槽为一个由弹性体和刚性体综合构成的限位槽，通过调整第一限位槽运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。关于综合限位，可以用弹簧将从动轴推向限位槽的一端，当限位槽移动到某几处特定位置时，刚性限位迫使弹簧压缩，这些因素综合在一起形成了新的限位槽(轨迹)，这样的设计使结构变得更简单。
当然，本领域技术人员应当理解，实现限位及特定位置变化的方式不限于上述所列举出的方式。
优选地，在上述位置控制装置中，所述第二位置传感器通过直接测量或间接计算的方式获得该特定位置的位置信息，所述传感器的数量和类型根据限位槽的结构而定，比如在上述方式一中，可设置两个位置传感器，分别检测两个限位槽的位置信息，在上述模式一中，仅设置一个位置传感器检测第一限位槽的位置信息。
作为本发明的一个优选的实施方式，参照图2所示，具体来说，所述位置控制装置3具有相互交叉且为垂直设置的第一限位槽31和第二限位槽32，限位槽为空心状，两个限位槽相交形成一中空的结合部，所述万向节2的从动轴22的一端位于所述结合部中，所述第一限位槽31和第二限位槽32均由所述位置控制装置3控制其进行不同方式的运动。
所述第一限位槽31由所述位置控制装置3控制其沿水平方向作往复运动，比如箭头中的沿X轴方向，所述第二限位槽32由所述位置控制装置3控制其沿竖直方向作往复运动，比如箭头中的沿Y轴方向。对应地，所述第二位置传感器设有两个，分别采集所述两个限位槽中的所述从动轴22的运动位置坐标，所述第二传感器实时感知从动轴22的运动位置，通过协调与第一传感器感知的驱动轴21的位置，通过联动以使得翅膀4在任意位置实现不同的飞行动作。
作为本发明另一个可选的实施方式，参照图6所示，所述第一限位槽31由所述位置控制装置3控制其沿驱动轴21作往复摆动，如图中箭头方向所指，所述第二限位槽32由所述位置控制装置3控制其沿第一限位槽31摆动所在的半径方向作往复运动，此种控制方式也能够实现从动端位置的限位及调整。
当然，本领域技术人员应当理解，实现从动端位置控制的方式不限于本实施例中提到的上述两种。
所述限位槽的形状可设置多种，比如一端呈开口的U型槽，但要保证从动轴22不会从该相交的U型槽中滑出，或两端均为闭合的弧形槽，类似椭圆状，所述限位槽的内部滑槽轨迹可以设置为直线型或弯曲状，或者采用其他合适的滑槽轨迹，在此不作任何限定。
作为本发明另一个可选的实施方式，所述第一限位槽31由所述位置控制装置控制其沿驱动轴作往复摆动，所述第二限位槽32采用固定的运动轨迹，如直线或曲线运动，并随所述第一限位槽31的运动而变化。此时，所述第二位置传感器仅设有一个，其实时采集所述第一限位槽的运动位置坐标即可。具体来说，所述第二限位槽32可以由某弹性装置(诸如弹簧等)控制其始终指向某一方向往复的直线或曲线运动。
参照图3(a)和图3(b)，当驱动轴21处于同一位置时，通过调整从动端使翅膀处在某一迎角，根据本发明的公开的驱动机构，通过万向节2和位置控制装置3的作用，翅膀的迎角可任意调整，图3(a)和图3(b)分别示出了翅膀的迎角变化状态图，从图中对比明显可看出，图3(b)相比图3(a)中翅膀的迎角变小。
参见图4(a)和图4(b)所示，当驱动轴21处于同一位置时，通过调整从动端使翅膀处在某一高度，通过万向节2和位置控制装置3的作用，翅膀的高度均可任意调整，图4(a)和图4(b)分别示出了翅膀的高度变化状态图，从图中对比明显可看出，图4(b)相比图4(a)中翅膀的所处的高度变高。
参见图5(a)所示，图5(a)示出了在驱动装置1的驱动端处于某同一位置时，通过调整调节装置时翅膀呈现不同状态：其中，
状态R1相对于状态RO改变了翅膀迎角大小；
状态R2相对于状态RO改变了翅膀高度，从而改变了受力方向；
状态R3相对于状态RO改变了翅膀迎角大小，同时改变了翅膀高度。
通过翅膀的迎角大小以及翅膀所处的高度的调整，二者综合在一起可实现多种扇动效果，其中，包括图5(b)所示的典型的“8”字扇动方式，如图5(b)所示，在8字扇动所示出的轨迹中，既能改变翅膀的运动方向、运动高度也能改变翅膀的迎角大小。当然，本领域技术人员应当理解，“8”字扇动只是一个本发明所示出的一个典型的示例，还有比如纯水平扇动，“0”字扇动等多种方式。
与现有技术相比，本发明实施例所公开的一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构，其结构简单，成本低，却真正实现了扑翼飞行器的“8”字扇动轨迹，翅膀任意位置迎角可变。翅膀在每次扇动过程中，任意位置的扇动力量及发力角度都可以不同，带来无限种可能的机动效果，或者用来维持现有姿态，使飞行更稳定，或者迅速改变飞行路线。该结构也保证了扑翼飞行器在飞行过程中，扇动更平稳，扇动效率更高，机动性更强。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种扑翼飞行器的翅膀驱动机构，其特征在于包括：依次连接的驱动装置、万向节以及位置控制装置，其中，所述万向节具有一驱动轴和一从动轴，所述从动轴上连接有翅膀，所述驱动轴一端连接所述驱动装置并在所述驱动装置的作用下转动，所述从动轴一端连接所述位置控制装置并在所述位置控制装置的作用下运动，所述驱动装置上安装有实时感知驱动轴的运动位置的第一位置传感器，所述位置控制装置上安装有实时感知所述从动轴运动位置的第二位置传感器，所述从动轴的运动位置根据所述驱动轴的运动位置的变化也实时作调整。
2.如权利要求1所述的翅膀驱动机构，其特征在于，所述驱动装置通过同步带、或曲柄摇杆、或齿轮、或齿轮齿条间接连接到所述万向节的驱动轴上。
3.如权利要求1所述的翅膀驱动机构，其特征在于，所述位置控制装置包括相互交叉设置的第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽和第二限位槽在空间中相交形成一特定位置，所述万向节的从动轴被约束在此特定位置上。
4.如权利要求3所述的翅膀驱动机构，其特征在于，所述第一限位槽和第二限位槽分别独立运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
5.如权利要求3所述的翅膀驱动机构，其特征在于，所述第二限位槽随着第一限位槽运动而运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
6.如权利要求5所述的翅膀驱动机构，其特征在于，所述第二限位槽为一固定的限位槽，通过调整第一限位槽运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
7.如权利要求5所述的翅膀驱动机构，其特征在于，所述第二限位槽为一个由弹性体和刚性体综合构成的限位槽，通过调整所述第一限位槽运动，使两个限位槽相交形成的特定位置发生变化。
8.如权利要求4或5所述的翅膀驱动机构，其特征在于，所述第二位置传感器通过直接测量或间接计算的方式获得该特定位置的位置信息。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |