一种超小型仿生扑翼飞行器的制作方法

专利名称：一种超小型仿生扑翼飞行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿生扑翼飞行机器人(俗称机器飞鸟)，尤其涉及一种超小型仿
生扑翼飞行器。
背景技术：
扑翼的飞行方式广泛存在于自然界飞行生物的飞行之中，扑翼飞行囊括了固定翼飞行和旋翼飞行的优点，可以快速的起飞、加速和悬停，具有高度机动性和灵活性。飞行生物的飞行方式大致可以分为三类低频率的扑动飞行，如许多大型鸟类(鹰、鹫、大雁、海鸥、天鹅等)，翼展较长较大，扑动频率较低，从零到数十赫兹不等，采用低频率的扑动和滑翔相结合的扑动形式；中频的扑动飞行，主要为体形中等的鸟类(如燕子、麻雀、鸽子等)，翅膀不太大，扑动频率相对较高，极少采用滑翔方式；高频的扑动飞行，这种飞行方式是采用频率极高、翅膀的运动规律复杂的扑翼形式，如蜂鸟及体形更小的鸟类和大多数昆虫，扑动频率约为60 80赫兹，能够在空中实现前进、后退、悬停和其它一些高难度的机动飞行。
超小型飞行器主要是尺寸大小介于无人飞机( 一般10m以内)和微型飞行器(一般10cm以内)之间的一类飞行器，一般指外形尺寸在lm以内。在超小型飞行器方面，和固定翼布局相比，仿生扑翼在气动方面，优势非常明显，但是，仿生扑翼的布局首先给超小型飞行器的结构设计带来了极大的挑战，尤其是在扑翼的结构、材料以及运动机构的微小型化设计方面面临着较多的技术难题。 扑动装置是仿生超小型飞行器中的核心组成部分，扑动装置的优劣将对超小型仿生飞行器产生极大的影响。另外，在超小型扑翼飞行器的扑动方式上，比较适合采用低频、中频扑动，也适合采用电机驱动。 自然界中飞鸟在飞行时翅膀的运动是三维的，存在着拍打、摆动和扭转。目前，在超小型扑翼飞行器方面，扑动装置采用的是一维的拍打运动，有些采用一维拍打运动结合飞行器尾部方向舵和升降舵控制，离真正意义上的扑翼三维飞行运动还有很大差距。

发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实现扑翼拍打和扭转二维运动，并结合尾部方向舵实现飞行器的三维飞行的超小型仿生扑翼飞行器。 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现超小型仿生扑翼飞行器，其特征在于，主要包括机架2、转动支架14、左扑翼3、右扑翼1、尾翼6、垂直安定面4、方向舵5、电机15、电机11、电机12、电池29、微型陀螺仪13、信号接收模块30、GPS模块31、控制系统模块32以及扑动装置，由电机15驱动左扑翼3和右扑翼1上下扑动，电机11驱动左扑翼3和右扑翼1扭转运动，电机12驱动方向舵5飞行器转向，控制系统模块32协调三者运动时序，使飞行器如飞鸟一样灵活飞行。 所述的电机15通过齿轮16、齿轮24、齿轮23、齿轮18啮合传动、经过连杆21、转
3轴48、滑槽28驱动左主摇杆44、右主摇杆26上下扑动；所述的电机11经过齿轮10、齿轮43、转轴50、齿轮33、左月牙齿条39、右月牙齿条37、圆柱杆38、圆柱杆9、左支撑块40、右支撑块36、转动支架14驱动左扑翼3、右扑翼1绕转轴17扭转运动；所述的电机12经过摇杆49、连杆52、摇杆51、转轴7驱动方向舵5左右摆动。 所述的电机15、齿轮16、齿轮24、齿轮23与齿轮18位于十字型主支架27两侧，电机15固定在转动支架14上，齿轮24与齿轮23经过转22固定连接，转轴22与十字型主支架27通过转动副连接，齿轮18经过销轴19与十字型主支架27通过转动副连接，连杆21与齿轮18经过转轴20通过转动副连接，连杆21与转轴48固定连接，转轴48通过滑槽28与十字型主支架27经移动副相连，转轴48通过与左主摇杆44上面的滑槽46、右主摇杆26上面的滑槽47经过移动副分别与左主摇杆44、右主摇杆26相连，左主摇杆44、右主摇杆26通过转轴45、转轴25经过转动副与十字型主支架27连接，十字型主支架27与转动支架14固定连接，左副摇杆41经过转轴42与左支撑块40通过转动副连接，左主摇杆44、左副摇杆41与左扑翼3固定连接，右副摇杆35经过转轴34与右支撑块36通过转动副连接，右主摇杆26、右副摇杆35与右扑翼1固定连接。 所述的电机11固定在机架2上，齿轮43与转轴50固定连接，齿轮33与转轴50固定连接，转轴50与机架2通过转动副连接，左月牙齿条39与右月牙齿条37通过圆柱杆38、圆柱杆9固定连接，左支撑块40、右支撑块36分别与左月牙齿条39、右月牙齿条37固定连接，左支撑块40、右支撑块36通过转轴42、转轴34分别与左副摇杆41、右副摇杆35通过转动副连接，左扑翼3、右扑翼1分别与左副摇杆41、右副摇杆35固定连接。
所述的电机12固定在机架2上，摇杆49与连杆52通过转动副相连，连杆52和摇杆51通过转动副相连，摇杆51与方向舵5垂直固定连接，摇杆51与方向舵5通过转轴7与垂直安定面4经过转动副相连。 所述的控制系统模块32接收微型陀螺仪13和GPS模块31的信号，经过导航算法实现自主飞行，或者通过信号接收模块30切换到遥控飞行。 与现有技术相比，本发明最显著特点是实现飞行器扑翼的拍打、扭转二自由度复合飞行运动，再结合尾部方向舵，实现扑翼飞行器的三维飞行。目前超小型仿生扑翼飞行器只能实现扑翼一维拍打运动，离真正意义上的扑翼三维飞行运动还有很大差距的情况，提供一种能够实现扑翼拍打和扭转二维运动，并结合尾部方向舵实现飞行器的三维飞行，使仿生扑翼飞行器向真正意义上的扑翼飞行迈进了一大步。


图1为本发明超小型仿生扑翼飞行器左下方结构示意 图2为本发明超小型仿生扑翼飞行器前上方局部结构示意 图3为本发明超小型仿生扑翼飞行器上方结构示意图。 图l中，右扑翼1、机架2、左扑翼3、垂直安定面4、方向舵5、尾翼6、转轴7、配重块8、圆柱杆9、齿轮10、电机11、电机12、微型陀螺仪13、转动支架14、电机15、齿轮16、转轴17 ; 图2中，齿轮18、转轴19、转轴20、连杆21、转轴22、齿轮23、齿轮24、转轴25、右主摇杆26、十字型主支架27、滑槽28、电池29、信号接收模块30、 GPS模块31、控制系统模块32、齿轮33、转轴34、右副摇杆35、右支撑块36、右月牙齿条37、圆柱杆38、左月牙齿条39、左支撑块40、左副摇杆41、转轴42、齿轮43、左主摇杆44、转轴45、滑槽46、滑槽47 、转轴48 ;图3中，摇杆49、转轴50、摇杆51、连杆52。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 本发明主要由机架、转动支架、扑动装置、扑翼、尾翼、方向舵、微型陀螺仪、GPS模块、信号接收模块以及控制模块组成。扑动装置主要实现扑翼的拍打运动和扭转运动，方向舵实现飞行器转向。飞行器可以通过微型陀螺仪和GPS模块的信号，经过控制系统的导航算法实现自主飞行，也可以通过信号接收模块切换成遥控飞行。 本发明外形可以做到与真鸟相似，通过扑翼的拍打、扭转运动相结合，可以快速改
变飞行器的升力，从而快速实现飞行器上下运动，再结合尾部的方向舵控制飞行器的转向，
控制好三者的运动时序，就可以实现飞行器如飞鸟一般的灵活飞行运动。 本发明的一个优选实施例如图1、图2、图3所示， 一种超小型仿生扑翼飞行器，包
括扑翼拍打系统，扑翼扭转系统以及飞行器转向系统。扑翼拍打系统主要由电机15、齿轮
16、齿轮24、齿轮23、齿轮18、连杆21、转轴48、滑槽28、左主摇杆44、右主摇杆26组成。扑
翼扭转系统主要由电机11、齿轮10、齿轮43、转轴50、齿轮33、左月牙齿条39、右月牙齿条
37、圆柱杆38、圆柱杆9、左支撑块40、右支撑块36、转动支架14、左扑翼3、右扑翼1、轴17
组成。飞行器转向系统主要由电机12、摇杆49、连杆52、摇杆51、转轴7、方向舵5组成。由
电机15驱动扑翼上下扑动，电机11驱动扑翼扭转运动，电机12驱动方向舵实现飞行器转
向，控制系统32协调三者运动时序，从而实现飞行器如飞鸟一般的灵活飞行。 本发明是由三个电机15、电机11、电机12独立驱动，通过控制系统协调配合，可实
现飞行器的三维飞行，特别是拍打系统和扭转系统协调配合，可以较好的仿真飞鸟的飞行运动。
飞行器的三维飞行运动如下 扑翼拍打运动，电机15通过齿轮16、齿轮24、齿轮23、齿轮18啮合传动、经过连杆21、转轴48、滑槽28驱动左主摇杆44、右主摇杆26同步上下扑动，从而带动左扑翼3绕转轴45、转轴42上下扑动，右扑翼1绕转轴25、转轴34上下扑动。 所述的电机15、齿轮16、齿轮24、齿轮23与齿轮18位于十字型主支架27两侧，电机15固定在转动支架14上，齿轮24与齿轮23经过转22固定连接，转轴22与十字型主支架27通过转动副连接，齿轮18经过销轴19与十字型主支架27通过转动副连接，连杆21与齿轮18经过转轴20通过转动副连接，连杆21与转轴48固定连接，转轴48通过滑槽28与十字型主支架27经移动副相连，转轴48通过与左主摇杆44上面的滑槽46、右主摇杆26上面的滑槽47经过移动副分别与左主摇杆44、右主摇杆26相连，左主摇杆44、右主摇杆26通过转轴45、转轴25经过转动副与十字型主支架27连接，十字型主支架27与转动支架14固定连接，左副摇杆41经过转轴42与左支撑块40通过转动副连接，左主摇杆44、左副摇杆41与左扑翼3固定连接，右副摇杆35经过转轴34与右支撑块36通过转动副连接，右主摇杆26、右副摇杆35与右扑翼1固定连接。 扑翼扭转运动，电机11经过齿轮1Q、齿轮43、转轴5Q、齿轮33、左月牙齿条39 、右月牙齿条37、圆柱杆38、圆柱杆9、左支撑块40、右支撑块36、转动支架14驱动左扑翼3、右扑翼1绕转轴17同步扭转运动。 所述的电机11固定在机架2上，齿轮43与转轴50固定连接，齿轮33与转轴50
固定连接，转轴50与机架2通过转动副连接，左月牙齿条39与右月牙齿条37通过圆柱杆
38、圆柱杆9固定连接，左支撑块40、右支撑块36分别与左月牙齿条39、右月牙齿条37固
定连接，左支撑块40、右支撑块36通过转轴42、转轴34分别与左副摇杆41、右副摇杆35通
过转动副连接，左扑翼3、右扑翼1分别与左副摇杆41、右副摇杆35固定连接。 飞行器转向运动，电机12经过摇杆49、连杆52、摇杆51、转轴7驱动方向舵5左右
摆动，借助空气动力实现飞行器的转向。 所述的电机12固定在机架2上，摇杆49与连杆52通过转动副相连，连杆52和摇杆51通过转动副相连，摇杆51与方向舵5垂直固定连接，摇杆51与方向舵5通过转轴7与垂直安定面4经过转动副相连。 所述的控制系统模块32接收微型陀螺仪13和GPS模块31的信号，经过导航算法实现自主飞行，或者通过信号接收模块30切换到遥控飞行。 扑翼的拍打运动和扭转运动相结合，可以快速改变飞行器的升力，从而使飞行器可以快速改变飞行高度。飞行器的方向舵结合扑翼的拍打和扭转运动，可以实现更灵活的转向。 特别是，在扑翼的下扑和上扑过程中，可以控制扑翼以不同扭转转角飞行
—种方法是，扑翼上下扑过程中，扭转角恒定，上下扑动过程中扭转角可以相同，也可以不同。 另一种方法是，扑翼上扑和下扑过程中，扭转角实时相应改变，可以仿真飞鸟飞行时的翅膀拍打和扭转的复合飞行运动。
权利要求
超小型仿生扑翼飞行器，其特征在于，主要包括机架(2)、转动支架(14)、左扑翼(3)、右扑翼(1)、尾翼(6)、垂直安定面(4)、方向舵(5)、电机(15)、电机(11)、电机(12)、电池(29)、微型陀螺仪(13)、信号接收模块(30)、GPS模块(31)、控制系统模块(32)以及扑动装置，由电机(15)驱动左扑翼(3)和右扑翼(1)上下扑动，电机(11)驱动左扑翼(3)和右扑翼(1)扭转运动，电机(12)驱动方向舵(5)飞行器转向，控制系统模块(32)协调三者运动时序，使飞行器如飞鸟一样灵活飞行。
2. 根据权利要求l所述的超小型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的电机(15)通过 齿轮(16)、齿轮(24)、齿轮(23)、齿轮(18)啮合传动、经过连杆(21)、转轴(4S)、滑槽(28) 驱动左主摇杆(44)、右主摇杆(26)上下扑动；所述的电机(11)经过齿轮(10)、齿轮(43)、 转轴(50)、齿轮(33)、左月牙齿条(39)、右月牙齿条(37)、圆柱杆(38)、圆柱杆(9)、左支撑 块(40)、右支撑块(36)、转动支架(14)驱动左扑翼(3)、右扑翼(1)绕转轴(17)扭转运动; 所述的电机(12)经过摇杆(49)、连杆(52)、摇杆(51)、转轴(7)驱动方向舵(5)左右摆动。
3. 根据权利要求2所述的超小型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的电机(15)、齿轮 (16)、齿轮(24)、齿轮(23)与齿轮(18)位于十字型主支架(27)两侧，电机(15)固定在转 动支架(14)上，齿轮(24)与齿轮(23)经过转轴(22)固定连接，转轴(22)与十字型主支 架(27)通过转动副连接，齿轮(18)经过销轴(19)与十字型主支架(27)通过转动副连接， 连杆(21)与齿轮(18)经过转轴(20)通过转动副连接，连杆(21)与转轴(48)固定连接， 转轴(48)通过滑槽(28)与十字型主支架(27)经移动副相连，转轴(48)通过与左主摇杆 (44)上面的滑槽(46)、右主摇杆(26)上面的滑槽(47)经过移动副分别与左主摇杆(44)、 右主摇杆(26)相连，左主摇杆(44)、右主摇杆(26)通过转轴(45)、转轴(25)经过转动副 与十字型主支架(27)连接，十字型主支架(27)与转动支架(14)固定连接，左副摇杆(41) 经过转轴(42)与左支撑块(40)通过转动副连接，左主摇杆(44)、左副摇杆(41)与左扑翼 (3)固定连接，右副摇杆(35)经过转轴(34)与右支撑块(36)通过转动副连接，右主摇杆 (26)、右副摇杆(35)与右扑翼(1)固定连接。
4. 根据权利要求2所述的超小型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的电机(11)固定 在机架(2)上，齿轮(43)与转轴(50)固定连接，齿轮(33)与转轴(50)固定连接，转轴(50) 与机架(2)通过转动副连接，左月牙齿条(39)与右月牙齿条(37)通过圆柱杆(38)、圆柱杆 (9)固定连接，左支撑块(40)、右支撑块(36)分别与左月牙齿条(39)、右月牙齿条(37)固 定连接，左支撑块(40)、右支撑块(36)通过转轴(42)、转轴(34)分别与左副摇杆(41)、右 副摇杆(35)通过转动副连接，左扑翼(3)、右扑翼(1)分别与左副摇杆(41)、右副摇杆(35) 固定连接。
5. 根据权利要求2所述的超小型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的电机(12)固定 在机架(2)上，摇杆(49)与连杆(52)通过转动副相连，连杆(52)和摇杆(51)通过转动副 相连，摇杆(51)与方向舵(5)垂直固定连接，摇杆(51)与方向舵(5)通过转轴(7)与垂直 安定面(4)经过转动副相连。
6. 根据权利要求1所述的超小型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的控制系统模块 (32)接收微型陀螺仪(13)和GPS模块(31)的信号，经过导航算法实现自主飞行，或者通过 信号接收模块(30)切换到遥控飞行。
全文摘要
本发明涉及超小型仿生扑翼飞行器，主要包括机架(2)、转动支架(14)、左扑翼(3)、右扑翼(1)、尾翼(6)、垂直安定面(4)、方向舵(5)、电机(15)、电机(11)、电机(12)、电池(29)、微型陀螺仪(13)、信号接收模块(30)、GPS模块(31)、控制系统模块(32)以及扑动装置，由电机(15)驱动左扑翼(3)和右扑翼(1)上下扑动，电机(11)驱动左扑翼(3)和右扑翼(1)扭转运动，电机(12)驱动方向舵(5)飞行器转向，控制系统模块(32)协调三者运动时序，使飞行器灵活飞行。与现有技术相比，本发明能够实现扑翼拍打和扭转二维运动，并结合尾部方向舵实现飞行器的三维飞行。
文档编号B64C33/02GK101767650SQ20091004495
公开日2010年7月7日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者张兴媛, 徐海荣, 胡盛斌, 贾慈力, 陆文华, 陈闵叶 申请人:上海工程技术大学