CN110816827A - 一种仿生蝴蝶扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，包括飞行组件、驱动组件、主躯干组件、方向控制组件和电池，所述主躯干组件的一端安装驱动组件，另一端安装方向控制组件，所述电池为驱动组件和方向控制组件提供电能，所述驱动组件带动飞行组件进行运动，所述方向控制组件控制飞行器方向；具有较高仿生性能；采用无刷电机驱动，噪音小，能在低空进行高机动性的飞行，具有一定的侦察能力。

Description

一种仿生蝴蝶扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，属于仿生扑翼飞行器技术领域。

背景技术

扑翼飞行器是指像鸟—样通过机翼主动运动产生升力和前行力的飞行器，其特征是：以翅膀为主运动，通过翅膀拍打空气的反力作为升力和前进力，通过改变尾翼的位置运动来改变飞行方向。

现阶段的仿生扑翼飞行器主要是模仿鸟类和昆虫两个方向，且大多数都以鸟类扑翼飞行器为主，如FESTO公司生产的smartbird以及法国航空工程师Edwin Van Ruymbeke研制的Metafly都取得了很大的成功。然而以昆虫为原型的仿生扑翼飞行器，尤其是以蝴蝶为原型的扑翼飞行器在理论研究和结构设计上都存在较大的缺陷，现阶段已知的仿生蝴蝶扑翼机器人主要有FESTO的通过压电驱动的emotionbutterfly以及北京航空航天大学的一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器(公开号:CN105947196A)，但都属于双翼独立驱动并且只能通过微控制***实现转向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，以解决现有技术中属于双翼独立驱动并且只能通过微控制***实现转向的缺陷。

一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，包括飞行组件、驱动组件、主躯干组件、方向控制组件和电池，所述主躯干组件的一端安装驱动组件，另一端安装方向控制组件，所述电池为驱动组件和方向控制组件提供电能，所述驱动组件带动飞行组件进行运动，所述方向控制组件控制飞行器方向。

优选地，所述驱动组件包括无刷直流电机和旋转轴，所述无刷直流电机设有主动直齿轮，所述主动直齿轮通过被动齿轮带动旋转轴，所述旋转轴设有曲柄轮、曲柄一，所述旋转轴带动曲柄轮旋转从而使曲柄一上下运动带动飞行组件上下运动。

优选地，所述曲柄一连接有前端机架，曲柄一一端与曲柄轮铰接，另一端端***前端机架的滑块槽内，使其能在滑块槽内上下移动。

优选地，所述旋转轴设有轴定位机架，所述轴定位机架与主躯干组件连接。

优选地，所述飞行组件包括翅膀组件，所述翅膀组件包括翅膀前连杆、翅膀前固定杆、翅膀后固定杆、翅膀后连杆和翅膀，所述翅膀前连杆与前端机架铰接，所述翅膀前连杆通过滑块槽与曲柄一通过平动连接，所述翅膀前连杆与翅膀后连杆的端面与翅膀的前端面连接；所述翅膀后连杆与主躯干组件铰接，所述翅膀后连杆和翅膀后固定杆与翅膀后端面连接。

优选地，所述方向控制组件包括升降装置和转向装置，所述升降装置连接有升降尾翼，所述转向装置设有转向尾翼。

优选地，所述的升降装置包括舵机一、曲柄二、连杆一、尾翼连接杆一，曲柄二的一端铰接在舵机一的舵机轴上，另一端与连杆一的一端铰接，所述连杆一的另一端连接有尾翼连接杆一，所述尾翼连接杆一与升降尾翼连接。

优选地，所述连杆一中间设有滑块槽，所述连杆一通过滑块槽与主躯干组件平动连接。

优选地，所述转向装置包舵机二、曲柄三、尾部机架、尾翼连接杆二和转向尾翼，所述曲柄三铰接于舵机二的舵机轴上；所述尾部机架与曲柄三通过平动连接；所述转向尾翼设在尾翼连接杆二的一端，所述尾翼连接杆二的另一端与曲柄三另一端连接。

优选地，所述飞行组件至少设有两组。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1.本发明专利是一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，翼展长100cm，长度22.5cm，整机重量约为300g，具有较高仿生性能；采用无刷电机驱动，噪音小，能在低空进行高机动性的飞行，具有一定的侦察能力。

2. 本发明专利是一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，飞行组件采用曲柄滑块机构设计，曲柄B端同时与左右翅膀组件通过平动连接，使得左右两翅膀煽动的频率和幅度始终保持一致，实现了一台电机同时控制两翼的驱动，避免了两翼独立控制所带来的偏差；通过对各连杆组件的长度设计，能够实现翅膀上下煽动角度约为90°(向上煽动60°，向下煽动约30°)的效果，使其能够产生足够的前进力和升力，并且实现了和真实蝴蝶及其相似地飞行模式。

3. 本发明专利是一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，通过两***立的舵机分别控制升降尾翼和转向尾翼，使得蝴蝶能够自由地实现转向和升降功能。

附图说明

图1为仿生蝴蝶扑翼飞行器外观效果图；

图2为仿生蝴蝶扑翼飞行器正视效果图；

图3为仿生蝴蝶扑翼飞行器驱动组件效果图；

图4为仿生蝴蝶扑翼飞行器曲柄滑块机构效果图；

图5为仿生蝴蝶扑翼飞行器飞行组件效果图；

图6为仿生蝴蝶扑翼飞行器方向控制组件效果图；

图7为仿生蝴蝶扑翼飞行器升降机构效果图；

图8为仿生蝴蝶扑翼飞行器转向机构效果图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-8所示，公开了一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，如图1所示，由驱动组件3、飞行组件1、方向控制组件5和主躯干组件4组成。

如图3所示，无刷直流电机12与电机固定架11通过4根螺栓固定，其电机输出轴轴线正对水平正中心位置，以保证两翼对称布置，并且直流无刷电机12噪声小，使蝴蝶具有很好的隐蔽性。电池25固定在电池固定架26上。主动直齿轮13通过紧定螺钉直接连接在无刷直流电机12的电机轴上；旋转轴2与被动直齿轮14通过紧定螺钉连接；旋转轴2与前端机架8和轴定位机架15分别通过轴承一16和轴承二10连接。

如图4所示，曲柄滑块机构包括曲柄轮7、曲柄一6，曲柄轮7通过紧定螺钉连接在旋转轴2上；曲柄一6的A端与曲柄轮7通过铰连接，B端***前端机架8的滑块槽内。

如图5所示，翅膀21包括至少包括两个，左翅膀组件和右翅膀组件包括翅膀前连杆19、翅膀前固定杆20、翅膀后固定杆17、翅膀后连杆18，翅膀前连杆19与前端机架8通过铰连接，其一端带有滑块槽，与曲柄一6通过平动连接，另一端与翅膀前端的一面胶合，翅膀前固定杆20与翅膀前端的另一面胶合，以固定翅膀前端；翅膀后连杆18与机架连接件通过铰连接，并与翅膀后端的一面胶合，翅膀后固定杆17与翅膀后端的另一面胶合，以固定翅膀后端。

工作过程：无刷直流电机12通电后，输出轴旋转带动主动直齿轮13转动，主动直齿轮13带动被动直齿轮14转动，转速比为15：8，在此转速比下，不仅降低了输出速度，而且提高了扭矩，同时降低了负载的惯量；被动齿轮14的转动同时带动旋转轴2转动，曲柄轮7由此转动，并带动曲柄一6A端绕曲柄轮7圆心作定轴转动，B端在滑块槽内作上下移动，曲柄6B端的上下移动同时带动左右翅膀连杆19分别绕点C、点D作定轴转动，曲柄6B端同时与左右翅膀组件通过平动连接，使得左右两翅膀煽动的频率和幅度始终保持一致，实现了一台电机同时控制两翼的驱动，避免了两翼独立控制所带来的偏差；此时左右翅膀21则会上下煽动，且煽动夹角约90°(向上煽动60°，向下煽动约30°)，由于整个飞行器的重量仅有300g，且两翼面积足够大，因此能够产生足够的升力与前进力，以保证该飞行器能够模仿蝴蝶向前飞行。

如图6所示，升降装置由舵机一23、曲柄二28、连杆一29、尾翼连接杆一30和升降尾翼9组成，曲柄二28的E端铰接在舵机一23的舵机轴上，F端与连杆一29通过铰连接，其中，连杆一29中间带有滑块槽，与机架连接件通过平动连接；所述的升降尾翼9粘贴于尾翼连接杆一30的一端，另一端直接***连杆一29F端的小孔中。当需要进行升降操作时，可通过远程控制启动舵机一23，舵机一输出轴旋转带动曲柄二28绕E端进行定轴转动，升降尾翼9向上偏转，此时尾翼所受到的气动力向下，对会跌产生一个抬头的力矩，蝴蝶就抬头向上了。反之，如果尾翼向下偏转，蝴蝶就会在气动力矩的作用下低头。

如图8所示，转向装置由舵机二22、曲柄三31、尾翼连接杆二33和转向尾翼27组成，曲柄三31铰接于舵机二22的舵机轴上；所述的尾部机架32与曲柄三31通过平动连接；转向尾翼27胶装在尾翼连接杆二33的一端，尾翼连接杆二33的另一端***曲柄三31的小孔中。当需要进行转向操作时，通过远程控制启动舵机222，舵机二旋转轴带动曲柄三31绕舵机旋转轴作定轴转动，从而使转向尾翼27在水平面上产生偏转，当转向尾翼向左偏转时，正面吹来的气流使尾翼产生一个附加的力，方向指向右，这个力与重心共同作用产生使蝴蝶向左偏航的力矩，使蝴蝶飞行方向向左偏转。反之，尾翼向左偏转时，蝴蝶会向右偏转。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，包括飞行组件(1)、驱动组件(3)、主躯干组件(4)、方向控制组件(5)和电池(25)，所述主躯干组件(4)的一端安装驱动组件(3)，另一端安装方向控制组件(5)，所述电池（25）为驱动组件(3)和方向控制组件(5)提供电能，所述驱动组件(3)带动飞行组件(1)进行运动，所述方向控制组件(5)控制飞行器方向。

2.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述驱动组件（3）包括无刷直流电机（12）和旋转轴（2），所述无刷直流电机（12）设有主动直齿轮（13），所述主动直齿轮（13）通过被动齿轮（14）带动旋转轴（2），所述旋转轴（2）设有曲柄轮（7）、曲柄一（6），所述旋转轴（2）带动曲柄轮（7）旋转从而使曲柄一（6）上下运动带动飞行组件（1）上下运动。

3.根据权利要求2所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述曲柄一（6）连接有前端机架（8），曲柄一（6）一端与曲柄轮(7)铰接，另一端端***前端机架（8）的滑块槽内，使其能在滑块槽内上下移动。

4.根据权利要求2所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述旋转轴（2）设有轴定位机架（15），所述轴定位机架（15）与主躯干组件（4）连接。

5.根据权利要求2所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述飞行组件(1)包括翅膀组件，所述翅膀组件包括翅膀前连杆（19）、翅膀前固定杆（20）、翅膀后固定杆（17）、翅膀后连杆(18)和翅膀(21)，所述翅膀前连杆（19）与前端机架（8）铰接，所述翅膀前连杆（19）通过滑块槽与曲柄一（6）通过平动连接，所述翅膀前连杆（19）与翅膀后连杆（18）的端面与翅膀（21）的前端面连接；所述翅膀后连杆（18）与主躯干组件(4)铰接，所述翅膀后连杆（18）和翅膀后固定杆（17）与翅膀（21）后端面连接。

6.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述方向控制组件(5)包括升降装置和转向装置，所述升降装置连接有升降尾翼（9），所述转向装置设有转向尾翼（27）。

7.根据权利要求6所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述的升降装置包括舵机一（23）、曲柄二（28）、连杆一（29）、尾翼连接杆一（30），曲柄二（28）的一端铰接在舵机一（23）的舵机轴上，另一端与连杆一（29）的一端铰接，所述连杆一（29）的另一端连接有尾翼连接杆一（30），所述尾翼连接杆一（30）与升降尾翼（9）连接。

8.根据权利要求7所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述连杆一（29）中间设有滑块槽，所述连杆一（29）通过滑块槽与主躯干组件（4）平动连接。

9.根据权利要求6所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述转向装置包舵机二（22）、曲柄三（31）、尾部机架（32）、尾翼连接杆二（33）和转向尾翼(27)，所述曲柄三（31）铰接于舵机二（22）的舵机轴上；所述尾部机架（32）与曲柄三（31）通过平动连接；所述转向尾翼（27）设在尾翼连接杆二（33）的一端，所述尾翼连接杆二（33）的另一端与曲柄三（31）另一端连接。

10.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述飞行组件(1)至少设有两组。

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