一种基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器

摘要

本发明涉及飞行器技术领域，提供一种基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，包括：机架、电机、尾翼机构以及对称设置在机架两侧的扑翼机构；所述电机安装在机架上，所述电机的输出轴齿轮与第一减速齿轮啮合，所述第一减速齿轮与第二减速齿轮同轴设置，所述第二减速齿轮与扑翼机构啮合；每组扑翼机构，包括：曲柄齿轮、摇杆连杆、翅膀连杆、扑翼翅膀以及扭转定位杆；所述尾翼机构安装于机架尾端；所述尾翼机构，包括：偏转舵机、偏转板、尾翼耦合板、电磁舵机以及尾翼；所述尾翼与电磁舵机俯仰板连接。本发明能够完成升力瞬时增加机制，并实现了对尾翼的多姿态运动控制。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器是一种基于仿生原理的飞行器，其飞行模式是通过模仿鸟类或昆虫的扑动模式来完成空中飞行任务，相比于传统的固定翼和旋翼飞行，扑翼飞行最大的特点在于集升力、悬停和推进功能于一体，只需通过翅膀周期性的扑动即可产生气动推力和升力，并通过尾翼的偏转运动来调节机身的飞行姿态。通过这样的运动方式，仿生扑翼机器人能够完成快速升降、高空盘旋、悬停等高难度飞行动作，具有隐蔽性好，噪声小，机动性好、效率高等特点，在搜索、救援和军事侦察中都有着广阔的应用前景。

扑翼飞行器驱动机构主要以基于直流电机的驱动机构为主。基于直流电机的驱动机构的工作原理是利用各种机械传动机构将电机输出的回转运动转化为扑动翼的周期性扑动，从而实现飞行器的扑翼飞行。在固定的翼面积下，扑翼飞行器的气动性能主要与扑动幅度和扑动频率有关，而扑翼的升力主要在下扑阶段产生，为保证扑翼飞行器具备良好的气动性能，国内外的研究团队主要采用了单曲柄双摇杆机构、双曲柄双摇杆机构和曲柄滑块式机构作为扑翼飞行器的驱动机构。

现有的扑翼飞行器由于机械机构的限制，扑动角度较小，且上下扑动行程的运动速度对称相等，这就使得下扑阶段产生的部分气动升力与上扑阶段产生的阻力抵消，导致扑翼飞行器的气动性能较低。

现有的双曲柄双摇杆机构由于两个曲柄机构单独固接，大扑动动角度受限严重，占用机身空间较大，机身尺寸受限，使得扑翼飞行器微小化困难。

现有的扑翼飞行器飞行姿态较为单一，大部分研究采用两个偏转舵机或一个偏转舵机和一个直线舵机相结合的方式，来实现对尾翼的俯仰翻滚运动的两自由度姿态飞行控制，但是由于直线舵机和偏转舵机的摩擦损耗和重量较大，大大降低了扑翼飞行器的续航能力和气动性能。

发明内容

本发明主要解决现有技术的扑翼飞行器气动性能较低、扑翼飞行器微小化困难以及飞行姿态较为单一等技术问题，提出一种基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，能够完成升力瞬时增加机制，并实现了对尾翼的多姿态运动控制，使得扑翼飞行器整体结构紧凑、重量轻便、飞行效率较高。

本发明提供了一种基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，包括：机架、电机、尾翼机构以及对称设置在机架两侧的扑翼机构；

所述电机安装在机架上，所述电机的输出轴齿轮与第一减速齿轮啮合，所述第一减速齿轮与第二减速齿轮同轴设置，所述第二减速齿轮与扑翼机构啮合；

每组扑翼机构，包括：曲柄齿轮、摇杆连杆、翅膀连杆、扑翼翅膀以及扭转定位杆；

所述曲柄齿轮与第二减速齿轮啮合；所述曲柄齿轮上与摇杆连杆的一端铰接，所述摇杆连杆的另一端与翅膀连杆铰接；所述翅膀连杆上安装扑翼翅膀；所述扭转定位杆安装于机架中部，所述扭转定位杆与扑翼翅膀尾缘连接；

所述尾翼机构安装于机架尾端；所述尾翼机构，包括：偏转舵机、偏转板、尾翼耦合板、电磁舵机以及尾翼；

所述偏转舵机安装于机架尾端，所述偏转舵机的输出轴与偏转板连接，所述尾翼耦合板前端与偏转板连接；

所述电磁舵机，包括：电磁舵机固定板、磁力线圈和电磁舵机俯仰板；

所述电磁舵机固定板的前端与尾翼耦合板连接，所述电磁舵机固定板和电磁舵机俯仰板铰接，所述磁力线圈安装在电磁舵机固定板和电磁舵机俯仰板之间；

所述尾翼与电磁舵机俯仰板连接。

优选的，所述扭转定位杆通过轴承安装在机架中部。

优选的，所述曲柄齿轮上设置摇杆安装孔，所述摇杆连杆安装在摇杆安装孔中。

优选的，所述机架为采用碳纤维材料轻量化结构体。

优选的，所述机架的高度为35mm，所述机架长度为65mm。

优选的，所述机架的首部下端具有圆形槽，所述电机安装在圆形槽中。

优选的，所述扑翼翅膀和尾翼采用聚酯薄膜和碳纤维杆件组合而成。

优选的，所述扑翼翅膀的前缘、翅根和翅脉均与碳纤维杆粘连；

所述扑翼翅膀前缘的碳纤维杆首端与翅膀连杆端部连接。

本发明提供的一种基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提出的基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，可以在不影响传动效率的情况下增大扑翼下扑行程的速度，扩大了附加质量(Added mass)效应机制对扑翼气动性能的影响，提高了扑翼飞行器的气动升力和飞行效率。

2、本发明提出的基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，机构紧凑，传动效率高，采用了经过改良设计的双曲柄双摇杆驱动机构，相比传统的驱动机构，可以实现高扑动幅度样机的微小化设计。本发明在扑翼机构和尾翼机构上创新，其中扑翼机构采用具备急回特性的双曲柄双摇杆机构，两个摇杆采用共同铰接，以打破大扑动角度对扑翼的机身尺寸和质量的限制，在不影响传动效率的情况下增大了扑翼下扑行程的扑动速度，提升了扑翼在下扑行程产生的气动升力，飞行的气动效率更大；尾翼机构采用了偏转舵机与电磁舵机耦合控制的组合形式，使扑翼飞行器可以完成俯仰和偏转共同耦合的多姿态飞行。

3、本发明提出的基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，结构较为简单，质量较轻，微小化和轻量化容易，控制方便，可实现的扑动幅度较大，可以实现多姿态的飞行任务，包括俯仰、偏航、滚转等多种飞行姿态，飞行效率和稳定性较好。

4、本发明提出的基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，尾翼机构采用了偏转舵机与电磁舵机耦合控制的组合形式，结构简单，空间占用小，可根据不同飞行环境加大电磁舵机线圈，以实现尾翼的扭矩灵活输出。

5、本发明提出的基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，所采用了所有零部件均由碳纤维材料或尼龙材料打印制作而成，保证了扑翼飞行器整机的机构强度和稳定性，降低了扑翼飞行器整机的质量，提高了飞行效率。

6、本发明将四连杆机构的急回特性与扑翼的附加质量效应机制结合，使其能够完成升力瞬时增加机制，在扑翼的下扑行程中，能够使扑翼在不影响传动效率的情况下增大扑翼的加速度，从而增大翅翼表面的流体压力，使其获得更大的气动升力，提高飞行效率。

附图说明

图1是本发明基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器整体结构后向示意图；

图2是本发明基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器整体结构前向示意图；

图3是本发明基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器双曲柄双摇杆驱动机构图；

图4是本发明基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器尾翼机构放大示意图；

图5是本发明基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器尾翼机构爆炸结构图。

附图标记：1-机架；2-电机；3-第一减速齿轮；4-第二减速齿轮；5-曲柄齿轮；6-摇杆连杆；7-左翼翅膀连杆；8-右翼翅膀连杆；9-扑翼翅膀；10-扭转定位杆；11-偏转舵机；12-偏转板；13-尾翼耦合板；14-电磁舵机；14a-电磁舵机固定板；14b-磁力线圈；14c-俯仰板；15-尾翼。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

如图1-3所示，本发明实施例提供的基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器，包括：机架1、电机2、尾翼机构以及对称设置在机架1两侧的扑翼机构。

所述机架1为采用碳纤维材料轻量化结构体。所述机架1的高度为35mm，所述机架1长度为65mm。机架1上端为扑翼翅膀的固定位，尾部为尾翼机构的安装位，将整机的驱动机构安装位置和尾翼机构位置保持在同一中轴线上，以保证整机飞行的稳定性。

所述电机2安装在机架1上。所述机架1的首部下端具有圆形槽，所述电机2安装在圆形槽中。

所述电机2的输出轴齿轮与第一减速齿轮3啮合，所述第一减速齿轮3与第二减速齿轮4同轴设置，所述第二减速齿轮4与扑翼机构啮合。电机2的动力由电机齿轮、第一减速齿轮3、第二减速齿轮4传递给扑翼机构的曲柄齿轮5。

每组扑翼机构，包括：曲柄齿轮5、摇杆连杆6、翅膀连杆、扑翼翅膀9以及扭转定位杆10；所述曲柄齿轮5与第二减速齿轮4啮合；所述曲柄齿轮5上与摇杆连杆6的一端铰接，所述摇杆连杆6的另一端与翅膀连杆铰接，具体的，所述曲柄齿轮5上设置摇杆安装孔，所述摇杆连杆6安装在摇杆安装孔中，曲柄齿轮5和摇杆6通过轴穿孔铰接，摇杆6的另一端是通过轴安装于翅膀连杆上，第一减速齿轮3、第二减速齿轮4、曲柄齿轮5、摇杆连杆6、翅膀连杆运动为一个整体，保证能够实现扑动动作。所述翅膀连杆上安装扑翼翅膀9；所述扭转定位杆10通过轴承安装于机架1中部，所述扭转定位杆10与扑翼翅膀9尾缘连接。

扑翼的扑动由曲柄齿轮5上的摇杆安装孔与摇杆连杆6铰接，摇杆连杆6与翅膀连杆铰接来实现具备急回特性的四连杆机构，行程系数为1.25，驱动翅膀连杆作扑动运动，将下扑行程的扑动速度提高了1.25倍。翅膀连杆包括：左翼翅膀连杆7和右翼翅膀连杆8。左翼翅膀连杆7与左侧的扑翼翅膀9通过胶水连接，右翼翅膀连杆8与右侧的扑翼翅膀9通过胶水连接；驱动对应的扑翼翅膀9完成扑动运动，扑动幅度为120°；扭转定位杆10两端的安装孔和对应的扑翼翅膀9尾缘的安装孔通过铆钉连接，扑翼翅膀9向上扑动驱动翅膀前缘向上扭转，扑翼翅膀9上下扑动驱动翅膀前缘向下扭转，扭转幅度为30°。

所述电机2的动力通过齿轮减速机构传递给曲柄齿轮5，摇杆连杆6作周期性的上下运动，所述摇杆连杆6的另一端与翅膀连杆铰接，所述翅膀与翅膀连杆连接，摇杆连杆6驱动翅膀连杆和扑翼翅膀9作具备急回特性的上下扑动运动。将摇杆连杆6和翅膀连杆的铰接部分进行了高低错位设计，在保证扑动气动力对称的情况下，使其固定在同一定位轴上，与传统扑翼驱动机构相比，缩小了扑翼样机的尺寸，避免了大扑动幅度样机机械干涉的发生，保证了扑翼飞行器的飞行稳定性。

如图4、5所示，所述尾翼机构安装于机架1尾端；所述尾翼机构，包括：偏转舵机11、偏转板12、尾翼耦合板13、电磁舵机14以及尾翼15；

所述偏转舵机11安装于机架1尾端，具体安装在机架1尾端的定位孔上；所述偏转舵机11的输出轴与偏转板12连接，所述尾翼耦合板13前端与偏转板12连接；具体的，尾翼耦合板13前端的两个圆形轴与偏转板12的两端的圆孔配合连接。

所述电磁舵机14，包括：电磁舵机固定板14a、磁力线圈14b和电磁舵机俯仰板14c；所述电磁舵机固定板14a的前端与尾翼耦合板13连接，所述电磁舵机固定板14a和电磁舵机俯仰板14c铰接，所述磁力线圈14b安装在电磁舵机固定板14a和电磁舵机俯仰板14c之间；具体的，电磁舵机固定板14a前端的两个固定孔通过轴承与尾翼耦合板13的两个孔固接。

所述尾翼15与电磁舵机俯仰板14c连接；具体的，尾翼15通过轴承与电磁舵机俯仰板14c上的两个圆孔固接。

在上述方案的基础上，所述扑翼翅膀9和尾翼15采用聚酯薄膜和碳纤维杆件组合而成，以确保本发明具备仿生鸟类的柔性翅膀特性。所述扑翼翅膀9的前缘、翅根和翅脉均与碳纤维杆粘连；所述扑翼翅膀9前缘的碳纤维杆首端与翅膀连杆端部连接。具体的，扑翼翅膀9前缘的碳纤维杆首端与左翼翅膀连杆7、右翼翅膀连杆8端部中心的方孔配合固接，保证了扑翼翅膀9飞行过程中的稳定性。

本发明提供的基于附加质量效应机制的多姿态扑翼飞行器的工作原理：由电机2驱动，电机2的输出轴齿轮与第一减速齿轮3，第一减速齿轮3与第二减速齿轮4同轴配合转动，第二减速齿轮4与曲柄齿轮5啮合，从而完成两级减速，电机2采用空心杯电机，空载转速为50000RPM，减速比为21.42，可使扑翼机实现较大扑动频率区间的飞行，增加扑翼飞行器的灵活性。曲柄齿轮5将旋转运动转化成上下往复运动传递给摇杆连杆6，摇杆连杆6驱动与其铰接的左翼翅膀连杆7、右翼翅膀连杆8做120°扑动运动，从而促使扑翼翅膀9实现扑翼飞行器的扑动，扑翼翅膀9在向上扑动的同时驱动翅膀前缘向上扭转，扑翼翅膀9在向下扑动时驱动翅膀前缘向下扭转，扭转幅度为30，从而完成本发明扑翼飞行器的扑动和扭转耦合运动。

尾翼机构分别实现俯仰和偏转运动。其中偏转运动由偏转舵机16驱动，俯仰运由电磁舵机14驱动。安装在偏转舵机11输出轴上的偏转板12与尾翼耦合板13固接，驱动电磁舵机14和尾翼15完成偏转运动。电磁舵机俯仰板14c驱动尾翼15完成俯仰运动，尾翼耦合板13实现了尾翼俯仰和偏转运动的耦合连接，从而实现了扑翼飞行器的多姿态飞行，电磁舵机与偏转舵机的结合减少了样机质量，缩小了样机尺寸，增加了本发明扑翼飞行器的气动效率、灵活性和仿生特性。

本发明的多姿态扑翼飞行器基于附加质量(Added mass)效应，附加质量(Addedmass)效应是扑翼飞行器产生升力瞬时增加的一个重要机制，当扑翼进行周期性扑动运动时，翅翼周围的流体会随着羽翼扑翼运动的位置变化产生加速或者减速，被加速的流体会在扑翼上施加一个反作用力效果，造成翅翼受到的压力增加，产生了一定的升力瞬时增益。将四连杆机构的急回特性应用于扑翼飞行器的附加质量效应机制上，在扑翼的下扑行程中，能够使扑翼在不影响传动效率的情况下增大扑翼的加速度，从而增大翅翼表面的流体压力，使其获得更大的气动升力，提高飞行效率。

本发明提供的一种基于双曲柄双摇杆机构的多姿态扑翼飞行器，结构较为简单，微小化和轻量化容易，可实现的扑动幅度较大，飞行姿态多，飞行效率和稳定性较好，在扑动驱动和尾翼机构上创新，其中扑翼驱动机构采用具备急回特性的双曲柄双摇杆机构，两个摇杆采用共同铰接，以打破大扑动角度对扑翼的机身尺寸和质量的限制，在不影响传动效率的情况下增大了扑翼下扑行程的扑动速度，提升了扑翼在下扑行程产生的气动升力，飞行的气动效率更大；尾翼机构采用了偏转舵机与电磁舵机耦合控制的组合形式，使扑翼飞行器可以完成俯仰和偏转共同耦合的多姿态飞行。

本发明将四连杆机构的急回特性与扑翼的附加质量效应机制结合起来完成了扑翼的驱动机构设计，使其能够完成上述的升力瞬时增加机制，扩大了附加质量效应机制对扑翼飞行过程中的影响，在不影响传动效率的情况下，进一步增大了扑翼的加速度，从而增大翅翼表面的流体压力，使其获得更大的气动升力，提高飞行效率；并采用了电磁舵机与偏转舵机进行耦合完成了对尾翼的多姿态运动控制，使得扑翼飞行器整体结构紧凑、重量轻便、飞行效率较高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。