CN110127049B - 一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，包括机架，安装于机架上的动力机构、双曲柄摇杆机构、基于球铰的空间机构和尾翼机构，双曲柄摇杆机构包括两个曲柄锥齿，两个曲柄锥齿相互啮合连接，动力机构与其中一个曲柄锥齿传动连接，基于球铰的空间机构包括两个呈左右对称设置的空间多连杆组件，两个空间多连杆组件与两个曲柄锥齿一一对应连接，曲柄锥齿通过传动连杆带动摇杆摇动，摇杆带动动力输入杆绕第三转动副摆动，翼根控制杆在动力输入杆的带动下和惯性约束杆的约束下运动，翼根控制杆在三个球副的约束下实现扑动、摆动、翻转动作，使微型仿生扑翼机的扑翼运动模式更加贴近飞行生物。本发明用于微型扑翼飞行器中。
Description
技术领域
本发明涉及微型扑翼飞行器的技术领域，特别涉及一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机。
背景技术
微型扑翼飞行器是一种仿照生物飞行方式发展的一种新型飞行器，具有很高的推进效率，并具有高隐蔽性、噪声小的特点。空气动力学相关的实验研究已表明，在尺寸为15cm以下的微型扑翼飞行器拥有比固定翼和旋翼更优异的气动性能。作为与鸟类飞行姿态相似的微型扑翼飞行器，它可以用在动物行为观察研究、军事侦察及窃听、机场驱鸟等特殊用途。
目前，国内外已经有数十款微型仿生扑翼飞行器。然而这些微型仿生扑翼飞行器的要么采用了特殊的驱动方式，如压电陶瓷和人工肌肉，使得飞行器飞行时间很短或者无法加载电池和控制模块；要么与真实生物扑翼运动模式相差较大，无法同时实现扑翼扑动与扑翼主动扭转的结合或扭转幅度很小，从而使这些飞行器无法有效利用生物飞行的高升力机制，处在一个较低的仿生水平。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，其扑翼运动模式更加贴近飞行生物，有效利用生物飞行的高升力机制提供较大的升力。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，包括机架、动力机构、双曲柄摇杆机构、基于球铰的空间机构，所述机架呈前后延伸设置，所述动力机构、双曲柄摇杆机构和基于球铰的空间机构安装于机架的前部，在所述机架的后端安装有尾翼机构；
所述双曲柄摇杆机构包括两个呈左右对称设置的曲柄锥齿，两个曲柄锥齿相互啮合连接，在所述曲柄锥齿上设有与曲柄锥齿偏心设置的第一转动副，所述曲柄锥齿连接有传动连杆，所述曲柄锥齿通过第一转动副与传动连杆的一端连接，所述传动连杆的另一端连接有摇杆，所述摇杆的一端与传动连杆之间设有第二转动副，所述摇杆的一端通过第二转动副与传动连杆连接；
所述动力机构与其中一个曲柄锥齿传动连接；
所述基于球铰的空间机构包括两个呈左右对称设置的空间多连杆组件，两个空间多连杆组件与两个曲柄锥齿一一对应连接，所述空间多连杆组件包括动力输入杆、惯性约束杆和翼根控制杆，所述动力输入杆与惯性约束杆呈前后对称设置，所述动力输入杆与惯性约束杆分别往机架的外侧延伸，所述动力输入杆的内端与惯性约束杆的内端相互远离，所述动力输入杆的外端与惯性约束杆的外端相互靠近，所述动力输入杆的内端设有第三转动副，所述动力输入杆的内端通过第三转动副与机架连接，所述动力输入杆的内端与摇杆远离第二转动副的一端固定连接，所述动力输入杆与摇杆同轴线设置，所述惯性约束杆的内端设有第四转动副，所述惯性约束杆的内端通过第四转动副与机架连接，所述翼根控制杆设置在动力输入杆与惯性约束杆之间的对称面上，所述翼根控制杆往机架的外侧延伸，所述翼根控制杆呈等腰三角形状，在所述翼根控制杆的顶角处设有第一球副，所述翼根控制杆通过第一球副与机架连接，在所述动力输入杆的外端设有第二球副，在所述惯性约束杆的外端设有第三球副，所述动力输入杆的外端通过第二球副与翼根控制杆前侧的底角连接，所述惯性约束杆的外端通过第三球副与翼根控制杆后侧的底角连接；
所述翼根控制杆连接有仿生扑翼。
作为上述方案的进一步改进，所述动力机构、双曲柄摇杆机构安装于机架的下侧，所述基于球铰的空间机构安装于机架的上侧。
作为上述方案的进一步改进，所述动力机构包括驱动部、与所述驱动部传动连接的齿轮减速组件，所述驱动部通过齿轮减速组件与其中一个曲柄锥齿传动连接。
作为上述方案的进一步改进，所述驱动部包括安装于机架上的旋转电机，所述旋转电机的输出轴连接有驱动齿轮，所述齿轮减速组件包括依次啮合连接的多个减速齿轮，所述旋转电机通过驱动齿轮与始端的减速齿轮啮合连接，所述其中一个曲柄锥齿的转轴与终端的减速齿轮连接。
作为上述方案的进一步改进，所述尾翼机构包括横向设置的平翼、呈竖向设置的竖翼，所述平翼的前端与机架的后端连接，所述竖翼的下边沿与平翼的中线处连接，在所述竖翼的后边沿连接有摆翼，所述摆翼与竖翼之间设有摆动驱动器，所述摆动驱动器可驱动摆翼左右摆动。
作为上述方案的进一步改进，在所述机架的中部安装有锂电池，所述锂电池分别与旋转电机、摆动驱动器电性连接。
作为上述方案的进一步改进，在所述机架的外侧套装有流线型的壳体。
本发明的有益效果是：在动力机构的驱动下，带动两个曲柄锥齿旋转，曲柄锥齿通过传动连杆带动摇杆摇动，摇杆带动动力输入杆绕第三转动副摆动，翼根控制杆在动力输入杆的带动下和惯性约束杆的约束下运动，动力输入杆转动的幅值与双曲柄摇杆机构中摇杆摆动的幅值大小相等，并且在运动过程中它们取得峰值与谷值的时刻重叠，翼根控制杆能够在动力输入杆的带动下，以及第一球副、第二球副、第三球副的约束下实现扑动、摆动、翻转动作，并使翼根控制杆与惯性约束杆连接的第三球副在扑动的上冲程与下冲程转变时依靠惯性运动，使仿生扑翼在扑动的上冲程和下冲程有不同的扑动形态并周期变化，可以使仿生扑翼的运动模式更加贴近飞行生物，有效利用生物飞行的高升力机制提供较大的升力。
本发明用于微型扑翼飞行器中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明实施例的内部结构示意图；
图2是本发明实施例的机架前部的示意图；
图3是本发明实施例的示意图；
图4是本发明实施例在一周期内的姿态变化及扑翼翼尖轨迹。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1至图4，这是本发明的实施例，具体地：
一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，如图1所示，包括机架100、动力机构、双曲柄摇杆机构200、基于球铰的空间机构，所述机架100呈前后延伸设置，所述动力机构、双曲柄摇杆机构200和基于球铰的空间机构安装于机架100的前部，在所述机架100的后端安装有尾翼机构600；
如图2所示，所述双曲柄摇杆机构200包括两个呈左右对称设置的曲柄锥齿210，两个曲柄锥齿210相互啮合连接，在所述曲柄锥齿210上设有与曲柄锥齿210偏心设置的第一转动副220，所述曲柄锥齿210连接有传动连杆230，所述曲柄锥齿210通过第一转动副220与传动连杆230的一端连接，所述传动连杆230的另一端连接有摇杆240，所述摇杆240的一端与传动连杆230之间设有第二转动副250，所述摇杆240的一端通过第二转动副250与传动连杆230连接；
所述动力机构与其中一个曲柄锥齿210传动连接；
如图2所示，所述基于球铰的空间机构包括两个呈左右对称设置的空间多连杆组件300，两个空间多连杆组件300与两个曲柄锥齿210一一对应连接，所述空间多连杆组件300包括动力输入杆310、惯性约束杆320和翼根控制杆330，所述动力输入杆310与惯性约束杆320呈前后对称设置，所述动力输入杆310与惯性约束杆320分别往机架100的外侧延伸，所述动力输入杆310的内端与惯性约束杆320的内端相互远离，所述动力输入杆310的外端与惯性约束杆320的外端相互靠近，所述动力输入杆310的内端设有第三转动副340，所述动力输入杆310的内端通过第三转动副340与机架100连接，所述动力输入杆310的内端与摇杆240远离第二转动副250的一端固定连接，所述动力输入杆310与摇杆240同轴线设置，所述惯性约束杆320的内端设有第四转动副350，所述惯性约束杆320的内端通过第四转动副350与机架100连接，所述翼根控制杆330设置在动力输入杆310与惯性约束杆320之间的对称面上，所述翼根控制杆330往机架100的外侧延伸，所述翼根控制杆330呈等腰三角形状，在所述翼根控制杆330的顶角处设有第一球副331，所述翼根控制杆330通过第一球副331与机架100连接，在所述动力输入杆310的外端设有第二球副311，在所述惯性约束杆320的外端设有第三球副321，所述动力输入杆310的外端通过第二球副311与翼根控制杆330前侧的底角连接，所述惯性约束杆320的外端通过第三球副321与翼根控制杆330后侧的底角连接；
如图3所示，所述翼根控制杆330连接有仿生扑翼800。
在动力机构的驱动下，带动两个曲柄锥齿210旋转，曲柄锥齿210通过传动连杆230带动摇杆240摇动，摇杆240带动动力输入杆310绕第三转动副340摆动，翼根控制杆330在动力输入杆310的带动下和惯性约束杆320的约束下运动，动力输入杆310转动的幅值与双曲柄摇杆机构200中摇杆240摆动的幅值大小相等，并且在运动过程中它们取得峰值与谷值的时刻重叠，翼根控制杆330能够在动力输入杆310的带动下，以及第一球副331、第二球副311、第三球副321的约束下实现扑动、摆动、翻转动作，并使翼根控制杆330与惯性约束杆320连接的第三球副321在扑动的上冲程与下冲程转变时依靠惯性运动，使仿生扑翼800在扑动的上冲程和下冲程有不同的扑动形态并周期变化，使得翼根控制杆330能够带动仿生扑翼800作“8”字形翼尖轨迹的运动模式，仿生扑翼仿照鸟类翅膀轮廓绘制，如图4所示，在一周期内的姿态变化及扑翼翼尖轨迹，进而仿生扑翼800的运动模式更加贴近飞行生物，有效利用生物飞行的高升力机制提供较大的升力。
进一步作为优选的实施方式，所述动力机构、双曲柄摇杆机构200安装于机架100的下侧，所述基于球铰的空间机构安装于机架100的上侧。使得微型仿生扑翼机的结构小型化。
进一步作为优选的实施方式，所述动力机构包括驱动部、与所述驱动部传动连接的齿轮减速组件400，所述驱动部通过齿轮减速组件400与其中一个曲柄锥齿210传动连接。齿轮减速组件400将驱动部的输出减速增扭后传至双曲柄摇杆机构200。
进一步作为优选的实施方式，所述驱动部包括安装于机架100上的旋转电机500，所述旋转电机500的输出轴连接有驱动齿轮，所述齿轮减速组件400包括依次啮合连接的多个减速齿轮410，所述旋转电机500通过驱动齿轮与始端的减速齿轮410啮合连接，所述其中一个曲柄锥齿210的转轴与终端的减速齿轮410连接。齿轮减速组件400通过多个减速齿轮410可实现减速增扭的效果。
进一步作为优选的实施方式，所述尾翼机构600包括横向设置的平翼610、呈竖向设置的竖翼620，所述平翼610的前端与机架100的后端连接，所述竖翼620的下边沿与平翼610的中线处连接，在所述竖翼620的后边沿连接有摆翼630，所述摆翼630与竖翼620之间设有摆动驱动器640，所述摆动驱动器640可驱动摆翼630左右摆动。通过摆动驱动器640控制摆翼630左右摆动来控制微型仿生扑翼机的飞行方向。
进一步作为优选的实施方式，在所述机架100的中部安装有锂电池700，所述锂电池700分别与旋转电机500、摆动驱动器640电性连接。锂电池700给微型仿生扑翼机提供所有的电力，一般还是设有控制板用来控制扑翼频率和飞行方向。
进一步作为优选的实施方式，如图3所示，还包括套装于机架100外侧的壳体900，该壳体900的外形仿照鸟类的身体外形绘制，壳体900具有流线型的特点，减小飞行阻力。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，其特征在于：包括机架、动力机构、双曲柄摇杆机构、基于球铰的空间机构，所述机架呈前后延伸设置，所述动力机构、双曲柄摇杆机构和基于球铰的空间机构安装于机架的前部，在所述机架的后端安装有尾翼机构；
所述双曲柄摇杆机构包括两个呈左右对称设置的曲柄锥齿，两个曲柄锥齿相互啮合连接，在所述曲柄锥齿上设有与曲柄锥齿偏心设置的第一转动副，所述曲柄锥齿连接有传动连杆，所述曲柄锥齿通过第一转动副与传动连杆的一端连接，所述传动连杆的另一端连接有摇杆，所述摇杆的一端与传动连杆之间设有第二转动副，所述摇杆的一端通过第二转动副与传动连杆连接；
所述动力机构与其中一个曲柄锥齿传动连接；
所述基于球铰的空间机构包括两个呈左右对称设置的空间多连杆组件，两个空间多连杆组件与两个曲柄锥齿一一对应连接，所述空间多连杆组件包括动力输入杆、惯性约束杆和翼根控制杆，所述动力输入杆与惯性约束杆呈前后对称设置，所述动力输入杆与惯性约束杆分别往机架的外侧延伸，所述动力输入杆的内端与惯性约束杆的内端相互远离，所述动力输入杆的外端与惯性约束杆的外端相互靠近，所述动力输入杆的内端设有第三转动副，所述动力输入杆的内端通过第三转动副与机架连接，所述动力输入杆的内端与摇杆远离第二转动副的一端固定连接，所述动力输入杆与摇杆同轴线设置，所述惯性约束杆的内端设有第四转动副，所述惯性约束杆的内端通过第四转动副与机架连接，所述翼根控制杆设置在动力输入杆与惯性约束杆之间的对称面上，所述翼根控制杆往机架的外侧延伸，所述翼根控制杆呈等腰三角形状，在所述翼根控制杆的顶角处设有第一球副，所述翼根控制杆通过第一球副与机架连接，在所述动力输入杆的外端设有第二球副，在所述惯性约束杆的外端设有第三球副，所述动力输入杆的外端通过第二球副与翼根控制杆前侧的底角连接，所述惯性约束杆的外端通过第三球副与翼根控制杆后侧的底角连接；
所述翼根控制杆连接有仿生扑翼；
所述动力机构、双曲柄摇杆机构安装于机架的下侧，所述基于球铰的空间机构安装于机架的上侧；
所述动力机构包括驱动部、与所述驱动部传动连接的齿轮减速组件，所述驱动部通过齿轮减速组件与其中一个曲柄锥齿传动连接。
2.根据权利要求1所述的一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，其特征在于：所述驱动部包括安装于机架上的旋转电机，所述旋转电机的输出轴连接有驱动齿轮，所述齿轮减速组件包括依次啮合连接的多个减速齿轮，所述旋转电机通过驱动齿轮与始端的减速齿轮啮合连接，所述其中一个曲柄锥齿的转轴与终端的减速齿轮连接。
3.根据权利要求1所述的一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，其特征在于：所述尾翼机构包括横向设置的平翼、呈竖向设置的竖翼，所述平翼的前端与机架的后端连接，所述竖翼的下边沿与平翼的中线处连接，在所述竖翼的后边沿连接有摆翼，所述摆翼与竖翼之间设有摆动驱动器，所述摆动驱动器可驱动摆翼左右摆动。
4.根据权利要求3所述的一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，其特征在于：在所述机架的中部安装有锂电池，所述锂电池分别与旋转电机、摆动驱动器电性连接。
5.根据权利要求1所述的一种“8”字形翼尖轨迹的微型仿生扑翼机，其特征在于：在所述机架的外侧套装有流线型的壳体。
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