CN106379532B - 一种扑翼变扑动角度机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扑翼变扑动角度机构，涉及飞行器设计领域。扑翼变扑动角度机构由扑翼***和角度改变***组成。扑翼***用于产生扑翼的上下扑动运动，角度改变***用于改变左右扑翼扑动角度。本发明通过同时改变左右扑翼扑动平衡位置与水平面的夹角的方式，改变左右翼面的升力大小和方向，产生升力差，进而使得机体产生滚转运动。既可以适用于柔性扑翼也可适用于刚性扑翼，同时可靠性高，且不存在滑动摩擦连接，效率高，寿命长。合理设计减轻孔，使得结构紧凑简洁，结构重量轻，易于加工。

Description

一种扑翼变扑动角度机构

技术领域

本发明涉及飞行器设计领域，具体涉及一种扑翼飞行器变扑动角度机构。

背景技术

当前，无人机***在民用以及军用领域正起着越来越大的作用。常见的无人机按照飞行原理分类可分为：固定翼无人机、旋翼无人机以及扑翼无人机。随着低雷诺数空气动力学研究的发展，扑翼飞行方式在微小型尺度下气动效率和抗风能力方面的优势受到了研究人员的关注，微型扑翼飞行器逐步发展起来。但是，扑翼的控制方式一直是一个难点，由于机翼很轻很薄，不易布置副翼等操纵面，因此多数扑翼无滚转控制。当扑翼飞行速度慢的时候，升降舵效率会降低，俯仰控制困难，限制其进一步的广泛应用。

因此，发展扑翼飞行器的控制方法是非常必要的。目前存在的扑翼横滚控制方式，如在专利“一种微型扑翼飞机的滚转操纵机构”(专利公告号CN100413757C)中提出了采用改变扑翼根部安装角的方式使得左右扑翼升力不同，产生滚转运动。但其只适用于柔性机翼，并且不适用于大翼展的扑翼飞行器。如专利“差动变幅扑翼驱动机构”(专利公告号CN205098477U)，通过改变两侧扑翼扑动幅度，产生左右升力差，进而产生滚转运动。但其结构中采用了数个滑动摩擦传动连接，结构重量大，传动效率低，产品寿命短。因此，需要设计其他的扑翼滚转控制的方法。

发明内容

针对现有技术中提到的扑翼飞行器对横滚控制的需要，本发明提出了一种通过同时改变左右扑翼扑动平衡位置与水平面的夹角的方式，可以改变左右翼面的升力大小和方向，产生升力差，进而使得机体产生滚转运动，所述的平衡位置是指上扑最高点和下扑最低点的中间位置。

本发明提出的扑翼变扑动角度机构由扑翼***和角度改变***组成。扑翼***用于产生机翼扑动运动，通过将电机的转动转化为扑翼机翼的上下扑动，产生升力和推力；角度改变***用于控制左右扑翼机翼的扑动角度，使左右扑翼机翼扑动角度产生变化，产生升力差。

所述扑翼***由前基板、后基板、机身连接杆、电机、电机齿轮、中间齿轮、驱动齿轮、扑翼拉杆、扑翼摆臂、扑翼翼梁和旋转基座组成。其中前基板和后基板为板状结构，通过机身连接杆平行固定连接在一起，前基板和后基板上均有零件安装孔；电机安装在后基板对应安装位置，电机齿轮安装于电机输出轴上；中间齿轮是一个双层齿轮，由两个齿轮半径大小不同的齿轮平行组合在一起并且同轴旋转，其安装在后基板对应安装位置，并且齿轮半径相对大的大齿轮与电机齿轮相啮合；驱动齿轮共有两个安装在后基板的相应安装位置上，其上设置有驱动杆，两个驱动齿轮之间相啮合，并且左侧驱动齿轮与中间齿轮中齿轮半径相对小的小齿轮相啮合；扑翼拉杆为杆状结构一侧连接于驱动齿轮的驱动杆上，另一侧连接于扑翼摆臂的外侧连接位，共有两个扑翼拉杆；扑翼摆臂一侧安装于角度改变***中的旋转基座上部，中部与扑翼拉杆相连，另一侧安装有扑翼翼梁，共有两个扑翼摆臂；扑翼翼梁为杆状结构，代表常见扑翼的主翼梁，共有两个扑翼翼梁；旋转基座安装于前基板的对应安装位置，下部与前基板相铰接，中部定位杆穿过前基板上的预留弧形开口与舵机拉杆套筒连接，上部与扑翼***中的扑翼摆臂相内侧铰接，共有两个旋转基座。

所述角度改变***由舵机、舵机摇臂、舵机拉杆、辅助固定垫圈和固定销组成。其中舵机安装于前基板的相应安装位置，可以将控制信号转化为机械运动，驱动舵机摇臂；舵机摇臂一侧安装于舵机输出轴上，另一侧与舵机拉杆相连；舵机拉杆为杆状结构，一侧与旋转基座的中部定位杆相连，另一侧与舵机摇臂相连，共有两个舵机拉杆；辅助固定垫圈为环状结构，安装在旋转基座中部定位杆上，辅助定位垫圈与旋转基座将前基板夹在中间，两侧旋转基座均需安装，共有两个辅助定位垫圈。

本发明的扑翼变扑动角度机构的工作过程如下：工作时，由电机驱动电机齿轮，电机齿轮带动中间齿轮，中间齿轮带动驱动齿轮，驱动齿轮带动扑翼拉杆，扑翼拉杆带动扑翼摆臂以及扑翼翼梁，最终将电机的转动转化为机翼的上下扑动运动，机翼的扑动提供升力与推力。当需要改变扑动角度时，给出控制信号，舵机转动带动舵机摇臂的摆动，舵机摇臂带动舵机拉杆，舵机拉杆带动旋转基座的转动，使得左右机翼的扑动角度发生差动，产生升力差，进而产生滚转运动。

本发明的优点在于：

(1)实现了扑翼的滚转控制功能；

(2)既适用于柔性机翼又适用于刚性机翼，适用性好；

(3)无滑动摩擦传动连接，效率高寿命长；

(4)整体结构紧凑、简洁，有利于减轻重量，提高可靠性，易于加工。

附图说明

图1是本发明扑翼变扑动角度机构组成图；

图2是本发明扑翼变扑动角度机构组成图(后视图)；

图3是本发明扑翼变扑动角度机构组成图(底视图)；

图4是本发明扑翼***中齿轮传动示意图；

图5A和图5B分别为本发明中后基板与前基板的正视图；

图6是本发明中间齿轮示意图；

图7是本发明辅助定位垫圈安装位置示意图；

图8是本发明旋转基座结构图。

图中：

1-前基板； 2-后基板； 3-机身连接杆；

4-电机； 5-电机齿轮； 6-中间齿轮；

7-驱动齿轮； 8-扑翼拉杆； 9-扑翼摆臂；

10-扑翼翼梁； 11-旋转基座； 12-舵机；

13-舵机摇臂； 14-舵机拉杆 15-辅助固定垫圈；

16-固定销。

图中数字编号的尾号A表示位于机身的右侧，尾号B表示位于机身的左侧。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的扑翼变扑动角度机构包括扑翼***和角度改变***，所述的扑翼***主要功能是产生扑翼机翼的扑动运动，扑翼***的设计可以将电机4的转动转化为扑翼翼梁10的上下扑动，进而产生升力和推力。角度改变***用于控制左右扑翼机翼的扑动角度，结构的设计使得舵机12的转动转化扑翼翼梁10的差动摆动，使得左右扑翼机翼扑动角度产生变化，产生升力差，进而产生滚转力矩。所述的扑翼翼梁10上连接扑翼。

本发明扑翼变扑动角度机构的扑翼***如图1所示，所述扑翼***由前基板1、后基板2、机身连接杆3、电机4、电机齿轮5、中间齿轮6、驱动齿轮7、扑翼拉杆8、扑翼摆臂9、扑翼翼梁10和旋转基座11组成。其中前基板1与后基板2均为板状结构，如图5A和图5B所示，图5A所示为后基板2，图5B所示为前基板1，所述的前基板1与后基板2的主要功能是维持扑翼飞行器外形并为其他零部件提供安装位置，前基板1与后基板2上面分布有四个对应的机身连接杆3的安装孔，通过粘接由四根机身连接杆3将前基板1与后基板2固连在一起，保持一定的距离并保持前基板1与后基板2平行，并且前基板1与后基板2上均设计有大量减轻孔或者采用骨架结构，用于减轻结构重量。电机4安装在后基板2的后侧，如图2所示，通过四个螺丝与后基板2固定在一起，输出轴穿过后基板2伸出于前基板1与后基板2之间，其主要功能是为扑翼***提供动力。电机齿轮5安装在电机4的输出轴上，如图3和图4所示，电机齿轮5的齿廓与中间齿轮6的齿轮半径大的大齿轮相啮合。中间齿轮6是一个双层的齿轮，如图6所示，其由一个齿轮半径相对大的大齿轮和齿轮半径相对小的小齿轮拼合在一起，大齿轮的旋转平面和小齿轮的旋转平面平行，并且同轴旋转。中间齿轮6安装在后基板2的前侧，其安装位置如图2所示，小齿轮位于贴近后基板2一侧，大齿轮位于远离后基板2一侧，中间齿轮主要作用是传递动力，大齿轮与电机齿轮5相啮合，小齿轮与驱动齿轮7B相啮合，各齿轮之间的啮合关系如图4所示。驱动齿轮7是一个带有驱动杆的大齿轮，安装在后基板2的前侧，共安装有两个，相对于扑翼变扑动角度机构纵向对称面左右对称安装，其安装位置如图2所示，其中左侧驱动齿轮7B与中间齿轮6的小齿轮相啮合，并且左侧驱动齿轮7B与右侧驱动齿轮7A相啮合，左侧驱动齿轮7B与左侧扑翼拉杆8B相连接，右侧驱动齿轮7A与右侧扑翼拉杆8A相连接。扑翼拉杆8(包括右侧扑翼拉杆8A和左侧扑翼拉杆8B)为杆状结构，用于连接驱动齿轮7与扑翼摆臂9(包括右侧扑翼摆臂9A和左侧扑翼摆臂9B)，所述扑翼拉杆8的一端与驱动齿轮7上的驱动杆相连，另一端与扑翼摆臂9外侧安装孔相连，共有两根，相对于机构纵向对称面左右对称安装，左侧扑翼拉杆8B与左侧驱动齿轮7B和左侧扑翼摆臂9B相连，右侧扑翼拉杆8A与右侧驱动齿轮7A和右侧扑翼摆臂9A相连。扑翼摆臂9的主要功能是产生扑动并连接扑翼翼梁10，扑翼摆臂9的内侧安装孔与角度改变***中旋转基座11的上部安装位相连接，外侧安装孔与扑翼拉杆8的一侧相连接，扑翼翼梁10通过侧面安装孔***扑翼摆臂9内，共有两个扑翼摆臂9，左右对称安装。扑翼翼梁10为长杆状结构，表示的是扑翼机翼中的主翼梁，其一端通过扑翼摆臂9的侧面安装孔***扑翼摆臂9内，并通过粘接将扑翼翼梁10与扑翼摆臂9固连在一起，共有两根扑翼翼梁10，左右对称安装。旋转基座11如图8所示，其安装位置在前基板1的后侧，如图1所示，旋转基座11下部与前基板1对应安装孔相铰接，中部定位杆穿过前基板1上的弧形定位槽，中部定位杆垂直于旋转基座11并在前基板1前侧与角度改变***中的舵机拉杆14套筒连接，其上部与扑翼摆臂9内侧相铰接，共安装有两个，相对于机构纵向对称面左右对称布置，其主要功能是在舵机12的带动下，绕其下部铰接的安装位产生旋转运动，改变扑动平衡位置与水平面的夹角。至此，由驱动齿轮7、扑翼拉杆8、扑翼摆臂9、旋转基座11共同组成的曲柄摇杆机构可以将电机4的转动转化为扑翼机翼的上下扑动。

扑翼变扑动角度机构纵向对称面是指静置状态下电机的输出轴所在的竖直平面。本文中所述的左右对称均是指相对于所述的纵向对称面对称。

本发明扑翼变扑动角度机构的角度改变***如图1所示，所述角度改变***由舵机12、舵机摇臂13、舵机拉杆14、辅助固定垫圈15和固定销16组成。其中舵机12的主要功能为将飞控***或遥控***的控制信号转变为机械运动，并带动舵机摇臂13和舵机拉杆14，最终使得旋转基座11产生绕其下部铰接的安装位产生旋转运动，其安装位置在前基板1的对应安装孔上。舵机拉杆14为一侧带有套筒的长板状结构，其主要功能是连接旋转基座11与舵机摇臂13，套筒垂直于舵机拉杆14。舵机拉杆14中带有套筒的一侧与旋转基座11的中部定位杆套筒连接，另一侧与舵机摇臂13相连，共安装两个，左右对称安装。舵机摇臂13为一侧带有套筒的长板结构，套筒垂直于长板结构，其中带有套筒的一侧与舵机12的输出轴套筒连接，另一侧与左侧舵机拉杆14B和右侧舵机拉杆14A铰接于一点。辅助固定垫圈15为环形结构，其安装方式如图7所示，将其安装在旋转基座11的中部定位杆上，前基板1的外侧，然后在辅助固定垫圈15的外侧，安装一枚固定销16，固定销16为常用开口销，旋转基座11的中部定位杆上开有用于安装固定销16的孔，左右安装方法一致，对称安装。辅助固定垫圈15的主要作用是配合旋转基座11中部定位杆下的平台，将前基板1夹在中间，以保证旋转基座11在转动过程中的稳定性。

本发明扑翼变扑动角度机构的工作过程如下：正常状态时，舵机12处于中间位置，此时扑翼飞行器是左右对称的，电机4转动，带动电机齿轮5转动，电机齿轮5带动中间齿轮6转动，中间齿轮6带动左侧驱动齿轮7B转动，左侧驱动齿轮7B带动右侧驱动齿轮7A转动，左侧驱动齿轮7B与右侧驱动齿轮7A上的驱动杆分别带动左扑翼拉杆8B与右扑翼拉杆8A运动，左扑翼拉杆8B与右扑翼拉杆8A分别带动左扑翼摆臂9B与右扑翼摆臂9A运动，左扑翼摆臂9B与右扑翼摆臂9A分别带动左扑翼翼梁10B与右扑翼翼梁10A运动。至此，通过扑翼***可以将电机4的转动转化为扑翼的上下扑动，并且左右是对称扑动的，不产生滚转力矩。当需要滚转运动时，舵机12收到信号，转动一个相应的角度，将会带动舵机摇臂13转动一个角度，舵机摇臂13同时带动左舵机拉杆14B与右舵机拉杆14A运动，左舵机拉杆14B与右舵机拉杆14A分别带动左旋转基座11B与右旋转基座11A运动，使得左右两侧的扑动运动产生差动变化，产生升力差，进而产生滚转运动。

实施例

本例给出一种扑翼变扑动角度机构，前后基板高125mm，宽100mm，机身连接杆直径5mm，电机为朗宇2204无刷电机，所有齿轮模数为1，其中电机齿轮齿数为10，中间齿轮上大小齿轮的齿数分别为42和15，驱动齿轮齿数为55，扑翼拉杆长55mm，扑翼摆臂长65mm，扑翼翼梁长300mm，旋转基座长55mm，中间定位杆位于旋转基座上距底部安装位40mm的位置，舵机拉杆长30mm，舵机摇臂长25mm，舵机型号为EMAX-ES08MA，辅助定位垫圈内径为4mm，外径为9mm，固定销直径为1mm。

经模拟验证，本装置扑翼***可以实现正常的扑动运动，角度改变***可以实现旋转基座11在竖直位置左右各有25°的旋转运动。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所做的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种扑翼变扑动角度机构，其特征在于：所述的扑翼变扑动角度机构包括扑翼***和角度改变***,所述扑翼***用于产生扑翼扑动运动，通过将电机的转动转化为机翼的上下扑动，产生升力和推力；角度改变***用于控制左右机翼的扑动角度，使左右机翼扑动角度产生变化，产生升力差，进而起到滚转控制的作用；

所述扑翼***由前基板、后基板、机身连接杆、电机、电机齿轮、中间齿轮、驱动齿轮、扑翼拉杆、扑翼摆臂、扑翼翼梁和旋转基座组成；前基板和后基板为板状结构，通过机身连接杆平行固定连接在一起，前基板和后基板上均有零件安装孔；电机安装在后基板上；电机齿轮安装于电机输出轴上并且同轴旋转；中间齿轮是一个双层齿轮安装在后基板上，由两个齿轮半径大小不同的齿轮平行组合在一起并且同轴旋转，中间齿轮中齿轮半径大的大齿轮与电机齿轮相啮合；驱动齿轮共有两个安装在后基板上，驱动齿轮设置有驱动杆，两个驱动齿轮之间相啮合，并且左侧驱动齿轮与中间齿轮中齿轮半径小的小齿轮相啮合；扑翼拉杆为杆状结构一侧连接于驱动齿轮的驱动杆上，另一侧连接于扑翼摆臂的外侧连接位，共有两个扑翼拉杆；扑翼摆臂一侧安装于角度改变***中的旋转基座上部，中部与扑翼拉杆相连，另一侧安装有扑翼翼梁，共有两个扑翼摆臂；扑翼翼梁为杆状结构，共有两个扑翼翼梁；旋转基座下部与前基板相铰接，中部定位杆穿过前基板上的预留弧形开口，上部与扑翼摆臂相连接，共有两个旋转基座；

所述角度改变***由舵机、舵机摇臂、舵机拉杆、辅助固定垫圈和固定销组成；舵机安装于前基板上；舵机摇臂一侧安装于舵机输出轴上，另一侧与舵机拉杆相连；舵机拉杆为杆状结构，一侧与旋转基座的中部定位杆相连，另一侧与舵机摇臂相连，共有两个舵机拉杆；辅助固定垫圈为环状结构，安装在旋转基座中部定位杆上，辅助定位垫圈与旋转基座将前基板夹在中间，两侧旋转基座均需安装，共有两个辅助定位垫圈；在辅助固定垫圈的外侧，安装一枚固定销，固定销为开口销，旋转基座的中部定位杆上开有用于安装固定销的孔，左右安装方法一致，对称安装；

扑翼变扑动角度机构的工作过程如下：正常状态时，舵机处于中间位置，此时扑翼飞行器是左右对称的，电机转动，带动电机齿轮转动，电机齿轮带动中间齿轮转动，中间齿轮带动左侧驱动齿轮转动，左侧驱动齿轮带动右侧驱动齿轮转动，左侧驱动齿轮与右侧驱动齿轮上的驱动杆分别带动左扑翼拉杆与右扑翼拉杆运动，左扑翼拉杆与右扑翼拉杆分别带动左扑翼摆臂与右扑翼摆臂运动，左扑翼摆臂与右扑翼摆臂分别带动左扑翼翼梁与右扑翼翼梁运动；至此，通过扑翼***将电机的转动转化为扑翼的上下扑动，并且左右是对称扑动的，不产生滚转力矩；当需要滚转运动时，舵机收到信号，转动一个相应的角度，将会带动舵机摇臂转动一个角度，舵机摇臂同时带动左舵机拉杆与右舵机拉杆运动，左舵机拉杆与右舵机拉杆分别带动左旋转基座与右旋转基座运动，使得左右两侧的扑动运动产生差动变化，产生升力差，进而产生滚转运动。

2.根据权利要求1所述的一种扑翼变扑动角度机构，其特征在于：前基板与后基板上均设计有减轻孔。

3.根据权利要求1所述的一种扑翼变扑动角度机构，其特征在于：所述的中间齿轮中小齿轮位于远离后基板一侧，大齿轮位于贴近后基板一侧。