一种基于扑动‑折叠‑扭转耦合运动的仿生扑翼飞行器

摘要

本发明公开了一种基于扑动‑折叠‑扭转耦合运动的仿生扑翼飞行器，该扑翼飞行器由机身、两侧机翼和尾翼机构组成，机翼电机启动时，机翼电机输出轴上的曲柄齿轮转动，依次带动前段第一机翼杆、前段第二机翼杆、前段第三机翼杆转动，实现机翼的扑动运动。固定齿轮随着前段第二机翼杆上下摆动，将扭矩通过行星齿轮传递给从动锥齿轮，带动第三翼面支撑板绕中段第三机翼杆小幅度转动，实现机翼的扭转运动；前段机翼、中段机翼和末段机翼扑动角度不同，实现机翼的折叠运动。通过尾翼和调节尾翼方向的舵机共同实现飞行器的转向。本发明具有驱动原动件少、能实现扑动‑折叠‑扭转耦合的扑翼运动、飞行灵活和产生的有效升力大的特点。

说明书

技术领域

本发明属于仿生扑翼飞行器技术领域。尤其涉及一种基于扑动-折叠-扭转耦合运动的仿生扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行具有很好的机动性和灵活性。相比于固定翼飞行，运用仿生学原理，模仿鸟类飞行特性获取高升力，具有很高的飞行稳定性。多自由度扑翼运动相比单自由度扑翼运动能够更好地实现飞行生物的姿态，飞行灵活，并且在运动的过程中能够更好地控制飞行方式。目前，研究的扑翼飞行器大多为单自由度机构或者多驱动多自由度机构，单自由度机构的飞行模式简单，飞行灵活性和稳定性无法与飞行生物相比，而已有的多自由度扑翼飞行器结构复杂，驱动原动件多，控制系统复杂。专利(CN102211665A)采用单自由度扑翼运动，有前后两对扑翼，但向上和向下的扑动对称，产生的升力和阻力抵消，不能产生有效的升力。专利(CN201610408704.1)公开了一种多自由度仿鸟扑翼飞行器，其采用多自由度扑翼运动，虽然能实现多自由度运动，但驱动原动件多，质量大。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种驱动原动件少，能够实现扑动、折叠和扭转三个自由度运动，模仿了鸟类的飞行姿态，飞行灵活和有效升力大的扑动-折叠-扭转耦合运动的仿生扑翼飞行器。

发明采用的技术方案是：

一种基于扑动-折叠-扭转耦合运动的仿生扑翼飞行器，其特征在于：该扑翼飞行器由机身、尾翼机构以及位于机身两侧的机翼组成，所述机身包括机身外框架和固定安装在机身外框架中部的机翼固定架；

所述机翼包括前段机翼、中段机翼、末段机翼、以及包覆在三段机翼上的软质包覆层，所述前段机翼包括曲柄齿轮、三角连杆一、三角连杆二、前段第一机翼杆、前段第二机翼杆、前段第三机翼杆、第一翼面支撑板和第二翼面支撑板，所述三角连杆一和三角连杆二的一个顶点通过同一根销轴铰接在机翼固定架上，三角连杆一的另一个顶点设有铰接相连的第一连杆，第一连杆另一端通过第一销轴铰接在曲柄齿轮上的偏心处，三角连杆二的另一个顶点设有通过第二销轴铰接的第二连杆，第二连杆底部也铰接在第一销轴上，三角连杆一、三角连杆二以及第一连杆和第二连杆共同组成一个四边形结构，三角连杆一和三角连杆二的第三个顶点均在这个四边形结构外，三角连杆一的第三个顶点设有铰接相连的第一摆杆，第一摆杆另一端通过第三销轴与前段第一机翼杆左端铰接相连，第三销轴上还铰接有第二摆杆，第二摆杆另一端铰接在第二销轴上，三角连杆二的第三个顶点与前段第二机翼杆左端铰接相连，前段第三机翼杆左端也铰接在第二销轴上，前段第一机翼杆和前段第三机翼杆右端通过第四销轴铰接在一起，所述第一翼面支撑板安装在前段第二机翼杆左端，前段第三机翼杆从第一翼面支撑板底部矩形槽自由穿过，第二翼面支撑板安装在前段第二机翼杆右端，前段第一机翼杆和前段第三机翼杆均从第二翼面支撑板底部矩形槽自由穿过，两个机翼的曲柄齿轮相互啮合传动，其中一个机翼的曲柄齿轮通过机翼电机驱动；

所述中段机翼包括固定齿轮、行星齿轮、主动锥齿轮、从动锥齿轮、中段第一机翼杆、中段第二机翼杆、中段第三机翼杆、末端连杆、第三翼面支撑板和第四翼面支撑板，所述固定齿轮通过固定轴固定在前段第二机翼杆右端，中段第一机翼杆左端铰接在固定轴上，所述行星齿轮、主动锥齿轮和从动锥齿轮通过L型转轴安装在中段第一机翼杆，且行星齿轮与固定齿轮啮合传动，所述主动锥齿轮与行星齿轮固定相连，所述从动锥齿轮安装在L型转轴另一端，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合传动，从动锥齿轮端面偏心处通过翼面摆杆铰接在第三翼面支撑板中部，中段第二机翼杆左端铰接在前段第三机翼杆右端的第四销轴上，中段第三机翼杆左端铰接在行星齿轮上半部分的偏心处，中段第一机翼杆右端和中段第二机翼杆右端一起铰接在末端连杆底部，中段第三机翼杆右端铰接在末端连杆顶部，第三翼面支撑板的前端和第四翼面支撑板的前端分别固定安装中段第三机翼杆左端处和右端处，中段第一机翼杆和中段第二机翼杆依次从第三翼面支撑板和第四翼面支撑板底部矩形槽自由穿过；

所述末段机翼包括末端第一连杆、末端第二连杆、第五翼面支撑板和第六翼面支撑板，所述第一连杆、末端第二连杆和末端连杆两端相连组成三角形结构，第五翼面支撑板和第六翼面支撑板分别固定在末端第一连杆的左端处和右端处。

作为改进，所述尾翼机构包括尾翼、尾翼控制盘、尾翼安装架、以及两个控制杆和两个舵机，所述尾翼安装架安装在机翼固定架上，尾翼安装架中部设有水平设置的尾翼安装杆，尾翼控制盘中心处通过球面副安装在尾翼安装杆的末端，尾翼固定安装在尾翼控制盘上，两个舵机左右对称的安装在尾翼安装架的前端，两个控制杆尾端通过球面副安装在尾翼控制盘上，两个控制杆前端分别通过相应的摆动杆与两个舵机相连，两个控制杆尾端和尾翼安装杆末端组成一个三角形结构。

作为改进，六个翼面支撑板均为前大后小的流线型结构。

作为改进，所述软质包覆层固定在六个翼面支撑板上，通过六个翼面支撑板的尺寸和形状调节整个机翼形状。

作为改进，所述软质包覆层是尼龙布、软质塑料、金属薄片、皮革、以及羽毛中任意一种或几种组合。

作为改进，该仿生扑翼飞行器可应用于空中飞行器或水下航行器。

作为改进，上述所有连杆和摆杆中的一个或者多个为长度可调节的杆。

本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明是一种既能扑动、折叠又能扭转的具有三个自由度的仿生扑翼飞行器，其具有驱动原动件少、能实现扑动-折叠-扭转耦合的扑翼运动、飞行灵活和产生的有效升力大的特点，相对于现有的单自由度扑翼飞行器，飞行灵活，能实现的飞行姿态更多。相比于现有的多驱动多自由度扑翼飞行器，具有原动件少，结构重量轻，飞行能力好的优点。适用于生化探测与环境监测、灾难搜救、低空侦察、通信中继与信号干扰等民用和国防领域。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明机身结构示意图。

图3为本发明尾翼机构结构示意图。

图4为本发明机翼结构示意图。

图5为本发明机翼前视图。

图6为本发明前段机翼结构示意图。

图7为本发明中段机翼结构示意图。

图8为本发明末段机翼结构示意图。

1-机身，2-机翼，3-尾翼机构，101-机翼固定架，102-前段圆形框架，103-中段圆形框架，104-后段圆形框架，105-竖直框架，106-机翼电机，201-前段机翼，202-中段机翼，203-末段机翼，204-曲柄齿轮，205-三角连杆一，206-三角连杆二，207-前段第一机翼杆，208-前段第二机翼杆，209-前段第三机翼杆，210-第一翼面支撑板，211-第二翼面支撑板，212-第一连杆，213-第二连杆，214-第一摆杆，215-第二摆杆，216-第一销轴，217-第二销轴，218-第三销轴，219-固定齿轮，220-行星齿轮，221-主动锥齿轮，222-从动锥齿轮，223-中段第一机翼杆，224-中段第二机翼杆，225-中段第三机翼杆，226-末端连杆，227-第三翼面支撑板，228-第四翼面支撑板，229-L型转轴，230-翼面摆杆，231-末端第一连杆，232-末端第二连杆，233-第五翼面支撑板，234-第六翼面支撑板，301-尾翼，302-尾翼控制盘，303-尾翼安装架，304-控制杆，305-舵机，306-尾翼安装杆，307-摆动杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行举例说明

如图1所示，一种基于扑动-折叠-扭转耦合运动的仿生扑翼飞行器，该扑翼飞行器由机身1、尾翼机构3以及位于机身1两侧的机翼2组成，所述机身1包括机身外框架和固定安装在机身外框架中部的机翼固定架101；

如图2所示，整个机身外框架为仿鸟类外形，机身外框架由前段圆形框架102、中段圆形框架103和后段圆形框架104依次通过竖直框架105相连组成。

如图4、图5和图6所示，所述机翼2包括前段机翼201、中段机翼202、末段机翼203、以及包覆在三段机翼2上的软质包覆层，所述前段机翼201包括曲柄齿轮204、三角连杆一205、三角连杆二206、前段第一机翼杆207、前段第二机翼杆208、前段第三机翼杆209、第一翼面支撑板210和第二翼面支撑板211，所述三角连杆一205和三角连杆二206的一个顶点通过同一根销轴铰接在机翼固定架101上，三角连杆一205的另一个顶点设有铰接相连的第一连杆212，第一连杆212另一端通过第一销轴216铰接在曲柄齿轮204上的偏心处，三角连杆二206的另一个顶点设有通过第二销轴217铰接的第二连杆213，第二连杆213底部也铰接在第一销轴216上，三角连杆一205、三角连杆二206以及第一连杆212和第二连杆213共同组成一个四边形结构，三角连杆一205和三角连杆二206的第三个顶点均在这个四边形结构外，三角连杆一205的第三个顶点设有铰接相连的第一摆杆214，第一摆杆214另一端通过第三销轴218与前段第一机翼杆207左端铰接相连，第三销轴218上还铰接有第二摆杆215，第二摆杆215另一端铰接在第二销轴217上，三角连杆二206的第三个顶点与前段第二机翼杆208左端铰接相连，前段第三机翼杆209左端也铰接在第二销轴217上，前段第一机翼杆207和前段第三机翼杆209右端通过第四销轴铰接在一起，所述第一翼面支撑板210安装在前段第二机翼杆208左端，前段第三机翼杆209从第一翼面支撑板210底部矩形槽自由穿过，第二翼面支撑板211安装在前段第二机翼杆208右端，前段第一机翼杆207和前段第三机翼杆209均从第二翼面支撑板211底部矩形槽自由穿过，两个机翼2的曲柄齿轮204相互啮合传动，其中一个机翼2的曲柄齿轮204通过机翼电机106驱动；

如图7所示，所述中段机翼202包括固定齿轮219、行星齿轮220、主动锥齿轮221、从动锥齿轮222、中段第一机翼杆223、中段第二机翼杆224、中段第三机翼杆225、末端连杆226、第三翼面支撑板227和第四翼面支撑板228，所述固定齿轮219通过固定轴固定在前段第二机翼杆208右端，中段第一机翼杆223左端铰接在固定轴上，所述行星齿轮220、主动锥齿轮221和从动锥齿轮222通过L型转轴229安装在中段第一机翼杆223，且行星齿轮220与固定齿轮219啮合传动，在前段第二机翼杆208上下摆动带动下，使得行星齿轮220在中段第一机翼杆223带动下绕固定齿轮219做行星运动，所述主动锥齿轮221与行星齿轮220固定相连，所述从动锥齿轮222安装在L型转轴229另一端，从动锥齿轮222与主动锥齿轮221啮合传动，从动锥齿轮222端面偏心处通过翼面摆杆230铰接在第三翼面支撑板227中部，中段第二机翼杆224左端铰接在前段第三机翼杆209右端的第四销轴上，中段第三机翼杆225左端铰接在行星齿轮220上半部分的偏心处，中段第一机翼杆223右端和中段第二机翼杆224右端一起铰接在末端连杆226底部，中段第三机翼杆225右端铰接在末端连杆226顶部，第三翼面支撑板227的前端和第四翼面支撑板228的前端分别固定安装中段第三机翼杆225左端处和右端处，中段第一机翼杆223和中段第二机翼杆224依次从第三翼面支撑板227和第四翼面支撑板228底部矩形槽自由穿过；

如图8所示，所述末段机翼203包括末端第一连杆231、末端第二连杆232、第五翼面支撑板233和第六翼面支撑板234，所述第一连杆212、末端第二连杆232和末端连杆226两端相连组成三角形结构，第五翼面支撑板233和第六翼面支撑板234分别固定在末端第一连杆231的左端处和右端处。

如图3所示，所述尾翼机构3包括尾翼301、尾翼控制盘302、尾翼安装架303、以及两个控制杆304和两个舵机305，所述尾翼安装架303安装在机翼固定架101上，尾翼安装架303中部设有水平设置的尾翼安装杆306，尾翼控制盘302中心处通过球面副安装在尾翼安装杆306的末端，尾翼301固定安装在尾翼控制盘302上，两个舵机305左右对称的安装在尾翼安装架303的前端，两个控制杆304尾端通过球面副安装在尾翼控制盘302上，两个控制杆304前端分别通过相应的摆动杆307与两个舵机305相连，两个控制杆304尾端和尾翼安装杆306末端组成一个三角形结构。

六个翼面支撑板均为前大后小的流线型结构。

所述软质包覆层固定在六个翼面支撑板上，通过六个翼面支撑板的尺寸和形状调节整个机翼2形状。

所述软质包覆层是尼龙布、软质塑料、金属薄片、皮革、以及羽毛中任意一种或几种组合。

本发明中的机翼电机106启动时，机翼电机106输出轴上的曲柄齿轮204转动，带动连接在曲柄齿轮204上的第一连杆212、第二连杆213转动，依次带动三角连杆一205、三角连杆二206、第一摇杆、第二摇杆转动，两个摇杆带动前段第一机翼杆207、前段第二机翼杆208、前段第三机翼杆209摆动；第一翼面支撑板210、第二翼面支撑板211随前段第二机翼杆208在空间上下扑动，实现机翼2的扑动运动。

本发明中的固定齿轮219随着前段第二机翼杆208上下摆动，行星齿轮220与固定齿轮219啮合传动，带动中段第一机翼杆223绕前段第二机翼杆208末端的固定轴转动，主动锥齿轮221随行星齿轮220转动，将扭矩传递给从动锥齿轮222，安装在从动锥齿轮222端面上的翼面摆杆230转动，带动第三翼面支撑板227绕中段第三机翼杆225小幅度转动，实现机翼2的扭转运动。

本发明中的前段第一机翼杆207、前段第二机翼杆208、前段第三机翼杆209转动，依次带动中段第一机翼杆223、中段第二机翼杆224、中段第三机翼杆225和末端第一连杆231、末端第二连杆232转动，前段机翼201、中段机翼202和末段机翼203转动角度不同，实现机翼2的折叠运动。

通过上述连杆机构实现机翼2的扑动运动、折叠运动、扭转运动，三个运动合成，实现了机翼2的扑动-折叠-扭转耦合运动。

本发明中的尾翼机构3的舵机305逆时针转动时，驱动该舵机305输出轴上的摆动杆307逆时针转动，摆动杆307与控制杆304的一端球面副连接，控制杆304的另一端与尾翼控制盘302通过球面副连接，尾翼301与尾翼控制盘302固定连接；另外一个舵机305安装方法一样，两个控制杆304尾端和尾翼安装杆306末端组成一个三角形结构。两个舵机305通过两个控制杆304调节尾翼控制盘302在竖直方向的角度，从而实现尾翼301的上下和左右运动。

本发明是一种机翼既能扑动、折叠又能扭转的具有三个自由度的扑翼飞行器；适用于生化探测与环境监测、灾难搜救、低空侦察、通信中继与信号干扰等民用和国防领域。

因此，本发明具有驱动原动件少、能实现扑动-折叠-扭转耦合的扑翼运动、飞行灵活和产生的有效升力大的特点。