CN110104173B - 一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，属于微型扑翼飞行器技术领域。尾翼固连在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，电机与减速齿轮组啮合；机架为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构和左扑动机构结构和参数均相同、分别对称布置于机架的左右两侧，并嵌入机架两侧板中形成滑动接触，右扑翼和左扑翼结构和参数均相同、分别和右扑动机构、左扑动机构滑动连接，减速齿轮组分别与右扑动机构、左扑动机构啮合连接。优点是结构新颖，具有扑动、前后掠动和往复扭转三个自由度，并具有大攻角，扑动、掠动和旋转的耦合形式，具有较好的气动效率；仿生程度较高，性能较好，隐蔽性强，应用范围广。

Description

一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器

技术领域

本发明属于微型扑翼飞行器技术领域，尤其涉及掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器。

背景技术

昆虫或鸟类飞行时翅膀运动形式十分复杂，但可以简化为上下扑动、扭转和前后掠动三种基本运动形式，即自然界的昆虫或鸟类具有三自由度的运动模式；扑翼飞行器若仅可上下扑动，即为单自由度扑翼飞行器，若在单纯上下扑动的基础上，加入扭转或前后掠动的运动形式，即为多自由度扑翼飞行器；多自由度扑翼飞行器相较单自由度飞行器无疑在机动性、气动效率等方面有着较大优势。

已知的扑翼飞行器大部分为单自由度飞行器，仅仅具备扑动的运动形式，在进行转向或升降时几乎无法良好操控，如中国专利申请《一种扑翼驱动器及无人飞行器、工作方法》201710682620.1和中国专利《一种带弹簧的旋转扑翼飞行器》201410234063.3；因此仿生程度更高、性能更好的多自由度扑翼飞行器越来越受到人们的青睐；中国专利《一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器》201610168300.X和中国专利《一种昆虫仿真扑翼飞行器》201210437699.9等为代表的多自由度飞行器具有扑动和扭转翅膀的两自由度运动形式，但其扭转运动的扭转角较小，对推升力产生的影响较为有限，且自由度的限制影响了整机的机动性能，较难完成复杂任务。

发明内容

本发明提供一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，以解决上述具有扑动和扭转翅膀的两自由度运动形式，其扭转运动的扭转角较小，对推升力产生的影响较为有限，且自由度的限制影响了整机的机动性能，较难完成复杂任务的问题。

本发明采取的技术方案是：电机、电池、舵机、控制电路板固连在机架的中层机架表面，由导线相连接，其中尾翼固连在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，电机与减速齿轮组11啮合；机架为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构和左扑动机构结构和参数均相同、分别对称布置于机架的左右两侧，并嵌入机架两侧板中形成滑动接触，右扑翼和左扑翼结构和参数均相同、分别和右扑动机构、左扑动机构滑动连接，减速齿轮组分别与右扑动机构、左扑动机构啮合连接。

所述机架的两侧板中间开有旋转槽；

所述右扑动机构包括右曲柄齿轮一、右转杆、右曲柄齿轮二、右耦合机构一、右滑杆、右耦合机构二、右旋转架；其中右曲柄齿轮一与减速齿轮组相啮合，右转杆分别与右曲柄齿轮一上的摇杆和右旋转架相连，形成曲柄摇杆机构；右曲柄齿轮二与减速齿轮相啮合，并分别与右耦合机构一、右耦合机构二滑动接触；右耦合机构一嵌套在右旋转架中，进行往复滑动；右滑杆与翅膀固连，与右耦合机构一、右耦合机构二滑动接触；右耦合机构二与右旋转架相对转动，进行扑动，与右曲柄齿轮二滑动接触，与右滑杆相对转动，进行扫掠；右旋转架嵌套在机架的旋转槽中，进行相对转动，实现扭转；

所述右耦合机构一包括右滑杆一、右滑槽、右滑杆二，右滑杆一与右滑杆滑动接触，形成翅膀扫掠运动；右滑杆二与右曲柄齿轮二滑动接触，形成右耦合机构一在右旋转架上前后滑动；

所述右耦合机构二包括右滑杆二、右旋转槽一、右旋转槽二、右旋转槽三，其中右滑杆二与右曲柄齿轮二滑动接触，形成右耦合机构二上下转动；右旋转槽一与旋转架相连，形成相对转动；右旋转槽二为开在右耦合机构二上的方型槽，右滑杆从中间穿过；右旋转槽三中的销子穿过右滑杆、且与右滑杆相对转动，形成扫掠运动；

所述右旋转架包括右旋转槽四、右曲柄连杆、右旋转销、右滑动槽，右旋转槽四为圆形凹槽，与机架滑动连接，形成扭转运动；右曲柄连杆与右转杆铰接，形成上下摆动，右旋转销与右耦合机构二相对转动，右滑动槽与右耦合机构一相对滑动；

所述左扑翼、右扑翼的翅脉、翅膜均采用碳纤维材料制成；

所述垂直尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成；

所述水平尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成。

本发明的优点是结构新颖，具有扑动、前后掠动和往复扭转三个自由度，并具有大攻角，扑动、掠动和旋转的耦合形式，有利于扑翼飞行器高升力和大推力的产生，改善了飞行器气动性能，具有气动效率高和机动性强的优势；两翼翼尖运动轨迹为空间“椭圆形”，和自然界中部分鸟类和飞行昆虫运动模式相似，具有较好的气动效率；仿生程度较高，性能较好，隐蔽性强，应用范围广，如军事侦查、灾害勘探等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2(a)是本发明右扑动机构的结构示意图；

图2(b)是图2(a)左视图；

图2(c)是图2(a)仰视图；

图3是本发明机架侧板的结构示意图；

图4是本发明右耦合机构一的结构示意图；

图5是本发明右耦合机构二的结构示意图；

图6是本发明右旋转架的结构示意图；

图7(a)是本发明一个运动周期内右扑翼运动起始位置的状态图；

图7(b)是本发明一个运动周期内右扑翼向下扑动中间位置的状态图；

图7(c)是本发明一个运动周期内右扑翼下扑至下极限位置的状态图；

图7(d)是本发明一个运动周期内右扑翼上扑动至中间位置的状态图。

具体实施方式

电机4、电池5、舵机9、控制电路板10固连在机架1的中层机架表面，由导线相连接，其中尾翼6固连在机架1的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，通过舵机进行控制，电机为小型无刷电机，与减速齿轮组11啮合；机架1为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构2和左扑动机构8结构和参数均相同、分别对称布置于机架1的左右两侧，并嵌入机架1两侧板中形成滑动接触，右扑翼3和左扑翼7结构和参数均相同、分别和右扑动机构2、左扑动机构8滑动连接，减速齿轮组11分别与右扑动机构2、左扑动机构8啮合连接。

所述机架1的两侧板中间开有旋转槽101；

所述右扑动机构2包括右曲柄齿轮一201、右转杆202、右曲柄齿轮二203、右耦合机构一204、右滑杆205、右耦合机构二206、右旋转架207；其中右曲柄齿轮一201与减速齿轮组11相啮合，右转杆202分别与右曲柄齿轮一201上的摇杆和右旋转架207相连，形成曲柄摇杆机构；右曲柄齿轮二203与减速齿轮相啮合，并分别与右耦合机构一204、右耦合机构二206滑动接触；右耦合机构一204嵌套在右旋转架207中，进行往复滑动；右滑杆205与翅膀固连，与右耦合机构一204、右耦合机构二206滑动接触；右耦合机构二206与右旋转架207相对转动，进行扑动，与右曲柄齿轮二203滑动接触，与右滑杆205相对转动，进行扫掠；右旋转架207嵌套在机架1的旋转槽101中，进行相对转动，实现扭转，

右耦合机构一204包括右滑杆一204001、右滑槽204002、右滑杆二204003，右滑杆一204001与右滑杆205滑动接触，形成翅膀扫掠运动；右滑杆二204003与右曲柄齿轮二203滑动接触，形成右耦合机构一204在右旋转架207上前后滑动，

右耦合机构二206包括右滑杆二206001、右旋转槽一206002、右旋转槽二206003、右旋转槽三206004，其中右滑杆二206001与右曲柄齿轮二203滑动接触，形成右耦合机构二206上下转动；右旋转槽一206002与旋转架207相连，形成相对转动；右旋转槽二206003为开在右耦合机构二206上的方型槽，右滑杆205从中间穿过；右旋转槽三206004中的销子穿过右滑杆205、且与右滑杆205相对转动，形成扫掠运动；

右旋转架207包括右旋转槽四207001、右曲柄连杆207002、右旋转销207003、右滑动槽207004，右旋转槽四207001为圆形凹槽，与机架滑动连接，形成扭转运动；右曲柄连杆207002与右转杆202铰接，形成上下摆动，右旋转销207003与右耦合机构二206相对转动；右滑动槽207004与右耦合机构一204相对滑动。

左扑翼7、右扑翼3的翅脉均采用碳纤维材料制作，翅脉前缘部分的主翅脉刚度要高于其余翅脉，左扑翼7、右扑翼3的翅膜均采用透明的聚乙烯薄膜，粘附固定在左扑翼7、右扑翼3的翅脉上表面上；该薄膜外边缘与左扑翼7、右扑翼3的翅脉外边缘重合。

垂直尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜组成，用以控制飞行器左右转向。

水平尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜组成，用以控制飞行器升降。

发明工作时，控制***接收到地面人员发出的控制信号，控制电路板控制电机开始工作，电机动力通过减速齿轮传递至右扑动机构2、左扑动机构8，因左扑动机构和右扑动机构的结构和原理相同，并关于机架左右对称，因此下面以右扑动机构为例进行介绍，从该飞行器右侧往左侧看，两个曲柄齿轮顺时针转动，两曲柄摇杆也随之转动；右旋转架在右曲柄齿轮一和曲柄连杆带动下往复转动，右耦合机构二与右曲柄齿轮二上的连杆和右翅膀连杆始终保持接触，在曲柄齿轮二作用下转动，同时驱使翅膀做上下扑动；右耦合机构一在右曲柄齿轮二和曲柄连杆带动下围绕右滑动槽前后滑动，右耦合机构一与右翅膀连杆始终保持接触，同时带动翅膀连杆做扫掠运动，最后使右扑翼形成上下扑动、绕轴心往复扭转和前后掠动的运动轨迹，为飞行器提供推升力。

下面具体结合附图具体说明右扑翼3的一个运动周期。

以图7(a)中右扑翼3所在位置为运动起始位置，即右扑翼3上极限位置，随后右扑动机构2带动右扑翼3进行下扑动运动。右曲柄齿轮一201相对初始位置顺时针旋转90度，右扑翼3相对向下扑动中间位置，相对向前扫掠至极限位置，并顺时针方向扭转12度，即图7(b)中的状态。右曲柄齿轮一201相对初始位置顺时针旋转180度，右扑翼3下扑至下极限位置，右扑翼3相对向后扫掠至中间位置，并逆时针方向扭转12度，此时下扑过程结束，并即将开始向上扑动，即图7(c)中的状态。右曲柄齿轮一201相对初始位置顺时针旋转270度，右扑翼3向上扑动至中间位置，右扑翼3相对向后扫掠至后极限位置，并逆时针方向转动12度，即图7(d)中的状态。右曲柄齿轮一201相对初始位置顺时针旋转360度，右扑翼3上扑至上极限位置，右扑翼3相对向前扫掠至中间位置，并顺时针方向转动12度，即图7(a)中的状态，一个周期结束，开始下一周期运动。

下面对该发明飞行过程作进一步说明。

起飞：地面操控人员向控制电路板10的接收器发射信号，控制电路板10控制电机4将运动和动力输送给左扑动机构8和右扑动机构2，进而带动左扑翼7、右扑翼3运动。随着小型无刷电机的转速不断提高，左扑翼7、右扑翼3扑动时产生的升力和推力也不断增大，当升力和机体重力平衡时，飞行器有起飞的趋势。随后升力大于机体重力，飞行器开始升空，完成起飞。

前飞：飞行器完成起飞后，降低小型无刷电机转速，使得扑动周期内的平均升力和机体重力平衡。此时，飞行器推力大于所受到的阻力，飞行器实现向前平飞。

转向：在飞行器向前飞时，控制电路板10控制舵机9来控制垂直尾翼，实现飞行器左右转向。

升降：在飞行器向前飞时，平均升力和重力相平衡。控制电路板10控制舵机9来控制水平尾翼，实现升降。

降落：慢慢降低小型无刷电机转速的转速，当转速低于一定值时，飞行器平均升力稍小于机体重力时，该飞行器实现缓慢降落。

以上说明是在没有气流干扰的工况下作出的，如果有气流干扰的存在，则应根据气流的方向和流速进行修偏。

Claims (5)

1.一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，电机、电池、舵机、控制电路板固连在机架的中层机架表面，由导线相连接，其中尾翼固连在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，电机与减速齿轮组啮合；其特征在于：机架为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构和左扑动机构结构和参数均相同、分别对称布置于机架的左右两侧，并嵌入机架两侧板中形成滑动接触，右扑翼和左扑翼结构和参数均相同、分别和右扑动机构、左扑动机构滑动连接，减速齿轮组分别与右扑动机构、左扑动机构啮合连接；

所述右扑动机构包括右曲柄齿轮一、右转杆、右曲柄齿轮二、右耦合机构一、右滑杆、右耦合机构二、右旋转架；其中右曲柄齿轮一与减速齿轮组相啮合，右转杆分别与右曲柄齿轮一上的摇杆和右旋转架相连，形成曲柄摇杆机构；右曲柄齿轮二与减速齿轮相啮合，并分别与右耦合机构一、右耦合机构二滑动接触；右耦合机构一嵌套在右旋转架中，进行往复滑动；右滑杆与翅膀固连，与右耦合机构一、右耦合机构二滑动接触；右耦合机构二与右旋转架相对转动，进行扑动，与右曲柄齿轮二滑动接触，与右滑杆相对转动，进行扫掠；右旋转架嵌套在机架的旋转槽中，进行相对转动，实现扭转；

所述右耦合机构一包括右滑杆一、右滑槽、右滑杆二，右滑杆一与右滑杆滑动接触，形成翅膀扫掠运动；右滑杆二与右曲柄齿轮二滑动接触，形成右耦合机构一在右旋转架上前后滑动；

所述右耦合机构二包括右滑杆二、右旋转槽一、右旋转槽二、右旋转槽三，其中右滑杆二与右曲柄齿轮二滑动接触，形成右耦合机构二上下转动；右旋转槽一与旋转架相连，形成相对转动；右旋转槽二为开在右耦合机构二上的方型槽，右滑杆从中间穿过；右旋转槽三中的销子穿过右滑杆、且与右滑杆相对转动，形成扫掠运动；

所述右旋转架包括右旋转槽四、右曲柄连杆、右旋转销、右滑动槽，右旋转槽四为圆形凹槽，与机架滑动连接，形成扭转运动；右曲柄连杆与右转杆铰接，形成上下摆动，右旋转销与右耦合机构二相对转动，右滑动槽与右耦合机构一相对滑动。

2.根据权利要求1所述的一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述机架的两侧板中间开有旋转槽。

3.根据权利要求1所述的一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述左扑翼、右扑翼的翅脉、翅膜均采用碳纤维材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述垂直尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成。

5.根据权利要求1所述的一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述水平尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成。

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