一种实现扑扭耦合运动的仿昆微型扑翼飞行器

摘要

本发明涉及一种实现扑扭耦合运动的仿昆微型扑翼飞行器，由一个电机和一级减速机构组成驱动机构；扑动机构采用改进的曲柄摇杆机构实现大幅度扑动；扭转机构通过两组改进的四杆机构形成相位差，通过小型滑轨机构实现机翼扭转；配重装置能够改变飞行器飞行过程中的机体运动轴线位置，通过改变配重块在滑轨上的位置实现；通过扑动机构连接两组翅翼，从而实现扑、扭耦合运动。本发明在实现了翅翼大幅扑动的同时又能主动的控制翅翼扭转，结构新颖，避免安装多组驱动机构，能实现贴近昆虫飞行的运动机理。

说明书

技术领域

本发明属于仿生扑翼飞行器结构设计领域，具体涉及一种可实现扑动及扭转耦合运动的仿生昆虫微型扑翼飞行器。

背景技术

近年来昆虫运动方式的实现一直是研究者研究的热点，昆虫高效且灵活的飞行特性是人类目前已有飞行器无法比拟的。扑翼飞行器利用其机翼扑、扭耦合运动实现灵活的扑动飞行，同时扑动过程利用不失速机制形成的前缘涡及快速加速运动产生方向不同的强涡层产生高升力，因此扑翼飞行器能够在很多特殊工况下工作。

国内对于微型扑翼飞行器的研究起步较晚，并且已有的大多数研究都集中在其升力理论和飞行控制方向上，对于微型飞行器的运动机理和研制方面少有研究，目前设计的能实现扑扭运动的飞行器大多安装多个驱动装置，驱动效率不高。本发明是设计一种通过单驱动机构实现大幅扑动及扑扭耦合运动的仿昆微型扑翼飞行器，以解决上述问题。

发明内容

本发明由驱动机构A、扑动机构B、扭转机构C、机身支架D、配重机构E及翅翼F组成，其中驱动机构A前端电机1通过电机支架2与机身支架D相连，第一输出齿轮5及第四输出齿轮9连接第一齿轮轴7并与机身支架D连接，第二输出齿轮6与第三输出齿轮8连接第二齿轮轴10，第二齿轮轴10与机身支架D连接；扑动机构B中心对称分布在机身两侧，右侧扑动机构左端通过第一连杆12与第二输出齿轮6相连，第三连杆15与第三输出齿轮8，右端通过第一摇杆18下端与连接摇杆轴19相连，上端与扭转机构相连，第二摇杆20下端与连接摇杆轴19相连，上端与扭转机构相连；扭转机构C也是中心对称分布在机身两侧，右侧扭转机构前端通过滑轨21与第一摇杆18相连，后端通过转向器23与第二摇杆20相连；配重机构E通过导轨杆24与机身支架D相连；翅翼F翅根部分与滑轨21相连。

所述的机构由驱动机构A、扑动机构B组成，驱动机构A由电机1、电机支架2、螺栓组3、输出高速齿轮4、第一输出齿轮5、第二输出齿轮6、第三输出齿轮8、第四输出齿轮9、驱动机构轴承组11、第一齿轮轴7及第二齿轮轴10组成，电机1通过螺栓组3与电机支架2连接固定，输出高速齿轮4与第一输出齿轮5啮合，而第一输出齿轮5与第四输出齿轮9通过键连接在第一齿轮轴7，第一齿轮轴7通过驱动机构轴承组11与机身支架D相连，第一输出齿轮5与第二输出齿轮6啮合，第二输出齿轮6与第三输出齿轮8通过驱动机构轴承组11连接第二齿轮轴10，第二齿轮轴10与机身支架D固接，第四输出齿轮9与第三输出齿轮8啮合；所述的扑动机构B由两个沿机体中轴线对称的扑动机构组成，扑动机构由第一连杆12、第二连杆13及第一摇杆18、第三连杆15、第四连杆17、第二摇杆20、扑动销轴1组14a、扑动销轴2组14b、扑动销轴3组14c、扑动销轴4组14d、扑动销轴5组14e、扑动销轴6组14f、扑动销轴7组14g、扑动销轴8组14h、连杆轴16及摇杆轴19组成，第一连杆12通过扑动销轴1组14a连接第二输出齿轮6及通过扑动销轴2组14d连接第二连杆13，第二连杆13中间部分通过扑动销轴3组14c与连接连杆轴16连接，右端通过圆柱形滑块与第一摇杆18内部滑槽接触，第一摇杆18下端通过扑动销轴2组14b、与摇杆轴19连接，第三连杆15通过扑动销轴5组14e连接第三输出齿轮8及扑动销轴8组14h连接第四连杆17，第四连杆17中间部分通过扑动销轴7组14g与连杆轴16连接，右端通过圆柱形滑块与第二摇杆20内部滑槽接触，第二摇杆20下端通过扑动销轴6组14f与摇杆轴19连接。

所述的机构由扭转机构C和翅翼F组成，所述扭转机构C由两个沿机体中轴线对称的扭转机构组成，扭转机构由第一摇杆18、滑轨21、扭转销轴1组22a、扭转销轴1组22b、转向器23、第二摇杆20及摇杆轴19组成，第一摇杆18与滑轨21通过扭转销轴1组22a相连，滑轨21与转向器23内部滑槽接触，转向器23通过扭转销轴2组22b与第二摇杆20相连，第一摇杆18与第二摇杆20通过扑动销轴2组14b及扑动销轴6组14f与摇杆轴19相连；所述翅翼F由翅脉27与翅膜28组成，翅翼F与扭转机构C中滑轨21与转向器23固连；在扭转机构C的作用下使得翅翼F在扑动过程中实现与水平方向成夹角α，且α成周期性变化从而实现扭转，有：

其中NQ代表第二摇杆20长度，MN代表第一摇杆18与第二摇杆20沿机身轴向方向距离，b为第一摇杆18与第二摇杆20的相位差，α为扭转角度。

所述的配重机构E由导轨杆24、配重块25及可调节螺栓组26组成，配重块25内部滑槽与导轨杆24接触，配重块25与机身支架D通过可调节螺栓组26相连。

本发明的工作过程如下：

飞行器飞行过程中，通过驱动机构A中电机1带动输出高速齿轮4高速旋转，经过第一输出齿轮5减速，第一输出齿轮5啮合带动第二输出齿轮6转动，第一输出齿轮5通过第一齿轮轴7带动第四输出齿轮9转动，第四输出齿轮9啮合带动第三输出齿轮8转动，通过扑动机构B将齿轮的旋转运动转换为上下扑动，在扑动机构B的第一摇杆18与第二连杆13及第二摇杆20与第四连杆17中，通过连杆在摇杆槽内滑动从而使摇杆摆动，从而放大连杆的扑动角度。在前后两组扑动机构中，通过第一连杆12与第三连杆15在输出齿轮安装角度不同从而形成相位差，进而使第一摇杆18和第二摇杆20形成相位差，由于前后摇杆的相位差，使得扭转机构中的滑轨21在与第一摇杆18形成相对转动，并与转向器23形成相对滑动，带动转向器23与第二摇杆20相对转动，在摇杆摆动过程中，随着前后摇杆相位差的周期性变化，从而使滑轨21形成周期性扭转，带动翅翼形成大幅度周期扑动及周期扭转。通过改变配重块25在导轨杆24上的位置关系，从而改变扑翼机在飞行时机体轴线与竖直方位的角度关系，实现不同的飞行模式的转变。

本发明的有益效果如下：

本发明扑翼机飞行过程中，翅膀能够实现大幅度扑动，在翅膀大幅度扑动的同时能够使翅膀扭转角度的周期性变化，能够提升飞行器的升力。通过调节配重块25的位置情况可以改变不同的飞行机体轴线，从而改变飞行模式，更加贴近昆虫的飞行。采用单驱动的驱动模式，实现了扑、扭耦合飞行，提升了微型扑翼飞行器的工作效率。

附图说明

图1为实现扑扭耦合运动的仿昆微型扑翼飞行器轴测图

图2为实现扑扭耦合运动的仿昆微型扑翼飞行器主视图

图3为实现扑扭耦合运动的仿昆微型扑翼飞行器俯视图

图4为电动机组件爆炸图

图5为齿轮组啮合示意图

图6为扑动机构连接示意图

图7为扑动机构销轴组位置示意图

图8为扭转机构轴测图

图9为扭转机构左视图

图10为扭转机构主视图

图11为配重机构连接示意图

图12为翅翼轴测图

图13为翅翼主视图

图14为扑扭机构运动简图

其中：A.驱动机构 B.扑动机构 C.扭转机构 D.机身支架 E.配重机构 F.翅翼 1.电机 2.电机支架 3.螺栓组 4.输出高速齿轮 5.第一输出齿轮 6.第二输出齿轮 7.第一齿轮轴 8.第三输出齿轮 9.第四输出齿轮 10.第二齿轮轴 11.驱动机构轴承组 12.第一连杆 13.第二连杆 14a.扑动销轴1组 14b.扑动销轴2组 14c.扑动销轴3组 14d.扑动销轴4组 14e.扑动销轴5组 14f.扑动销轴6组 14g.扑动销轴7组 14h.扑动销轴8组 15.第三连杆 16.连杆轴 17.第四连杆 18.第一摇杆 19.摇杆轴 20.第二摇杆 21.滑轨 22a.扭转销轴1组 22b.扭转销轴2组 23.转向器 24.导轨杆 25.配重块 26.可调节螺栓组 27.翅脉28.翅膜

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

由图1至图13可知，本发明由驱动机构A、扑动机构B、扭转机构C、机身支架D、配重机构E及翅翼F组成，其中驱动机构A前端电机1通过电机支架2与机身支架D相连，第一输出齿轮5及第四输出齿轮9连接第一齿轮轴7并与机身支架D连接，第二输出齿轮6与第三输出齿轮8连接第二齿轮轴10并与机身支架D连接；扑动机构B中心对称分布在机身两侧，扑动机构左端通过第一连杆12与第二输出齿轮6相连，第三连杆15与第三输出齿轮8，右端通过第一摇杆18下端与连接摇杆轴19相连，上端与扭转机构C相连，第二摇杆20下端与连接摇杆轴19相连，上端与扭转机构相连；扭转机构C也是中心对称分布在机身两侧，扭转机构前端通过滑轨21与第一摇杆18相连，后端通过转向器23与第二摇杆20相连；配重机构E通过导轨杆24与机身支架D相连；翅翼F翅根部分与滑轨21相连。

由图4至图7可知，所述的机构由驱动机构A、扑动机构B组成，驱动机构A由电机1、电机支架2、螺栓组3、输出高速齿轮4、第一输出齿轮5、第二输出齿轮6、第三输出齿轮8、第四输出齿轮9、驱动机构轴承组11、第一齿轮轴7及第二齿轮轴10组成，电机1通过螺栓组3与电机支架2连接固定，输出高速齿轮4与第一输出齿轮5啮合，而第一输出齿轮5与第四输出齿轮9通过键连接在第一齿轮轴7，第一齿轮轴7通过驱动机构轴承组11与机身支架D相连，第一输出齿轮5与第二输出齿轮6啮合，第二输出齿轮6与第三输出齿轮8通过驱动机构轴承组11连接第二齿轮轴10，第二齿轮轴10与机身支架D固接，第四输出齿轮9与第三输出齿轮8啮合；所述的扑动机构B由两个沿机体中轴线对称的扑动机构组成，扑动机构由第一连杆12、第二连杆13及第一摇杆18、第三连杆15、第四连杆17、第二摇杆20、扑动销轴1组14a、扑动销轴2组14b、扑动销轴3组14c、扑动销轴4组14d、扑动销轴5组14e、扑动销轴6组14f、扑动销轴7组14g、扑动销轴8组14h、连杆轴16及摇杆轴19组成，第一连杆12通过扑动销轴1组14a连接第二输出齿轮6及通过扑动销轴2组14d连接第二连杆13，第二连杆13中间部分通过扑动销轴3组14c与连接连杆轴16连接，右端通过圆柱形滑块与第一摇杆18内部滑槽接触，第一摇杆18下端通过扑动销轴2组14b、与摇杆轴19连接，第三连杆15通过扑动销轴5组14e连接第三输出齿轮8及扑动销轴8组14h连接第四连杆17，第四连杆17中间部分通过扑动销轴7组14g与连杆轴16连接，右端通过圆柱形滑块与第二摇杆20内部滑槽接触，第二摇杆20下端通过扑动销轴6组14f与摇杆轴19连接。

由图7至图10及图12至图13可知，所述的机构由扭转机构C和翅翼F组成，所述扭转机构C由两个沿机体中轴线对称的扭转机构组成，扭转机构由第一摇杆18、滑轨21、扭转销轴1组22a、扭转销轴1组22b、转向器23、第二摇杆20及摇杆轴19组成，第一摇杆18与滑轨21通过扭转销轴1组22a相连，滑轨21与转向器23内部滑槽接触，转向器23通过扭转销轴2组22b与第二摇杆20相连，第一摇杆18与第二摇杆20通过扑动销轴2组14b及扑动销轴6组14f与摇杆轴19相连；所述翅翼F由翅脉27与翅膜28组成，翅翼F与扭转机构C中滑轨21与转向器23固连。

由图11可知，所述的配重机构E由导轨杆24、配重块25及可调节螺栓组26组成，配重块25内部滑槽与导轨杆24接触，配重块25与机身支架D通过可调节螺栓组26相连。

本申请的一种可实现扑扭耦合运动的仿昆微型扑翼飞行器通过如下的方式实现运动：

飞行器飞行过程中，通过驱动机构A中电机1带动输出高速齿轮4高速旋转，经过第一输出齿轮5减速，第一输出齿轮5啮合带动第二输出齿轮6转动，第一输出齿轮5通过第一齿轮轴7带动第四输出齿轮9转动，第四输出齿轮9啮合带动第三输出齿轮8转动，通过扑动机构B将齿轮的旋转运动转换为上下扑动，在扑动机构B的第一摇杆18与第二连杆13及第二摇杆20与第四连杆17中，通过连杆在摇杆槽内滑动从而使摇杆摆动，从而放大连杆的扑动角度。在前后两组扑动机构中，通过第一连杆12与第三连杆15在输出齿轮安装角度不同从而形成相位差，进而使第一摇杆18和第二摇杆20形成相位差，由于前后摇杆的相位差，使得扭转机构中的滑轨21在与第一摇杆18形成相对转动，并与转向器23形成相对滑动，带动转向器23与第二摇杆20相对转动，在摇杆摆动过程中，随着前后摇杆相位差的周期性变化，从而使滑轨21形成周期性扭转，带动翅翼形成大幅度周期扑动及周期扭转。通过改变配重块25在导轨杆24上的位置关系，从而改变扑翼机在飞行时机体轴线与竖直方位的角度关系，实现不同的飞行模式的转变。

结合图14说明本例的大幅扑扭耦合运动过程：

其中图示中下半部分的扑动机构B采用改进的四杆机构，实现扑动机构B的大幅度扑动，上半部分为扭转机构C，在图示中，MP代表第一摇杆18长度，NQ代表第二摇杆20长度，QP代表滑轨21与转向器间距离，Q-N-R组成的平面为第一摇杆18的摆动平面，而NR为MP在面Q-N-R上的投影，其中QP的长度可随着两摇杆的相位差变化而变化，其中b为摇杆NQ和MP的相位差，α为扭转角度。由此可知：

因此根据上式可知扭转角度α随着相位差角b的周期性变化而周期性变化，从而实现扑扭耦合飞行的功能。