一种基于行星轮传动的无相位差扑翼机构的制作方法

本发明涉及齿轮传动与扑翼机构，特别涉及一种基于行星轮传动的无相位差扑翼机构，属于机械加工技术领域。

背景技术：

扑翼机构是扑翼式仿生飞行器的执行机构，扑翼式仿生飞行器是指使机翼模仿鸟类或者昆虫的扑翼方式运动产生升力和动力的仿生飞行器。扑翼机构作为其关键部件之一，对其研究设计相当重要。

目前扑翼式仿生飞行器中应用最广泛的扑翼机构是微电机驱动的曲柄摇杆机构和滑块摇杆机构。这两种机构结构简单，制造成本低。但是曲柄摇杆机构是一种典型的非对称扑动机构，在扑动过程中左右扑动轴之间存在扑动角度的相位差，即扑动轴左右两侧在扑动时不完全相同，存在滞后或者超前的现象。这就使得左右翅膀的扑动幅度不同，且惯性力不对称，对整体的稳定性会有影响。滑块摇杆机构解决了曲柄摇杆机构的运动不对称性，但是由于导向杆和滑块摩擦较大，并且导向杆偏离微电机中心，造成重心偏离，体积增大。

相对于曲柄摇杆机构，行星轮传动机构是一种对称扑动机构，不会产生扑动角度的相位差。此外，其结构紧凑，可以大大减小飞行器体积，且容易控制重心位置，对于微小型扑翼式飞行器的发展更加具有意义。目前存在的扑翼式仿生飞行器以及研究文献中还未出现基于行星轮传动的扑翼机构。

技术实现要素：

本发明方法的目的是为了解决扑翼机构存在运动相位差，结构重心偏离，体积较大的问题，提出了一种基于行星轮传动的无相位差扑翼机构，其结构紧凑，重心基本在驱动微电机中心线上，可实现扑动时无运动相位差。

本发明的原理是将微电机的转动运动转变成往复直线运动，并驱动机翼扑动。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于行星轮传动的无相位差扑翼机构，包括两个部分：行星轮传动部分和扑动运动部分；

所述行星轮传动部分，是利用带有偏心摇臂的行星轮通过与齿圈啮合将微电机的转动运动转变成摇臂的往复直线运动，直线运动频率数值与微电机每秒转速相同；

所述扑动运动部分，是将机翼通过连接杆一端安装在做往复直线运动的摇臂上，并穿过在固定位置可做转动运动的套筒，把摇臂的往复直线运动转变成扑动运动。

上述本发明的一种具体实现方式如下：

一种基于行星轮传动的无相位差扑翼机构，该机构包括两个部分：行星轮传动部分和扑动运动部分；

所述行星轮传动部分包括微电机，电机架，曲柄，连接轴，行星轮，齿圈，导轨；

微电机用于输出动力驱动整套机构运动；

电机架用于固定微电机并作为整套机构的底座稳固支撑其上各部件；

曲柄用于将微电机的自转传递给行星轮，转化为行星轮绕中心轴的公转运动；其中心设有一中心孔，用于与电机轴匹配，随同电机轴的转动而转动，在其偏离中心位置设有一偏心孔，其轴心线与中心孔的轴心线平行，用以通过紧配安装的连接轴连接行星轮，使行星轮可绕连接轴转动；

行星轮用于将自身的转动运动转换为其上偏心摇臂的往复直线运动；其下部设有用于与齿圈内齿轮相啮合的外齿轮，上部设有偏心摇臂，中心开有用于连接轴松动穿过的通孔；

齿圈用于啮合行星轮以及安装固位套筒；其中心设有内齿轮，用于使行星轮在绕中心轴公转过程中进行绕连接轴的自转运动，齿圈和行星轮的齿轮模数以及压力角相等，齿数均为偶数，而且齿圈的齿数为行星轮齿数的二倍，安装时应保证二者齿轮啮合充分；其两端分别还对称设有一突起，在其中心开有圆形安装孔用于固位安装套筒，套筒在安装孔中松配安装，保证可以顺畅转动；

导轨用于保证行星轮上的偏心摇臂在运动过程中的稳定，防止其偏离规定运动轨迹以及在其上固位安装套筒；其中心开有略宽于行星轮上偏心摇臂宽度的通槽，用于稳固偏心摇臂轨迹；导轨两端分别还对称设有一突起，在其中心开有位置与大小与齿圈相同的安装孔，用于固位安装套筒；

连接轴用于连接曲柄和行星轮，将曲柄绕中心轴的转动传递给行星轮，使行星轮亦随之绕中心轴转动；

所述扑动运动部分包括机翼上缘，摇杆和套筒；

机翼上缘用于安装并支撑机翼，其固位连接于摇杆上，伴随连接摇杆的运动带动机翼扑动；

摇杆用于将偏心摇臂的往复直线运动转换为两个机翼上缘的对称扑动，其为一种类似三通件的部件，中心固位安装于偏心摇臂上，可绕偏心摇臂转动，两端分别紧固安装机翼上缘，以便机翼上缘随其中心的转动扑动；

套筒用于作为机翼上缘扑动所绕的支点，可绕自身中心轴做转动运动，其中心开有用于机翼上缘松动穿过的孔；

连接关系：

微电机固定安装在电机架中，电机轴紧配安装于曲柄中心孔中，连接轴紧配安装于曲柄偏心孔内；连接轴松配穿过行星轮中心孔；行星轮外齿轮啮合入齿圈内齿轮；齿圈与电机架固位连接；摇杆中心孔穿过行星轮的偏心摇臂，两个机翼上缘分别松动穿过一个套筒中心孔后端部固接于摇杆上；套筒通过将其上下两端分别松配置于导轨和齿圈的套筒安装孔中使其可绕自身轴线转动；行星轮的偏心摇臂穿出导轨中心通槽；齿圈与导轨固位连接；电机架、齿圈与导轨安装好后，三者中心处于同一中心轴上，三者水平面均与中心轴垂直；

工作过程：

启动微电机，电机轴转动带动曲柄转动，从而带动行星轮绕中心轴公转，同时由于连接轴与行星轮是松配安装，通过其外齿轮与齿圈内齿轮啮合，其还绕连接轴自转，从而带动其偏心摇臂在导轨中心的通槽内做往复直线运动，伴随偏心摇臂的往复直线运动，安装于摇杆上的两机翼上缘随之以中心轴为中心做对称的扑动运动。

作为优选，为保证所述扑翼机构紧凑牢固并方便拆卸，所述齿圈与电机架固位连接以及齿圈与导轨固位连接是通过在电机架、齿圈和导轨上周边对应位置各开有多个定位孔，通过可拆卸的连接杆连接并使用定位环定位高度。

作为优选，为保证运转稳定的情况下便于更换电机与拆卸维修，所述电机架与微电机之间采用可拆卸的紧配安装方式固位。

作为优选，为减小飞行过程中套筒与导轨之间的摩擦力，套筒上方与导轨之间安装推力轴承。

作为优选，为保证轴孔配合同轴度更高，曲柄上偏心孔以及齿圈与导轨上的安装孔周围均做加高处理。

作为优选，为保证齿圈与行星轮出现偏离时齿轮也能充分啮合，设置行星轮齿厚稍大于齿圈齿厚。

作为优选，为保证两机翼上缘安装后处于同一水平面上并以行星轮的偏心摇臂为轴扑动，设置摇杆由个同样形状的组件构成，每个组件为2个一体的相互垂直的圆环，一个圆环高度为另一圆环高度的一半，作为转动部分用于行星轮上的偏心摇臂穿过，另一个圆环用于套接机翼上缘，2个组件采用拼接方法安装。

作为优选，为保证行星轮在运动过程中不会相对连接轴向上滑动，在连接轴凸出于行星轮的上方通过紧配安装定位环实现。

作为优选，为减小偏心摇臂与导轨间的摩擦，并最大程度上保证偏心摇臂运动稳定，设置导轨上通槽宽度稍大于偏心摇臂直径。

有益效果

对比现有技术，本发明扑翼运动机构拥有对称的结构，几乎所有行星轮传动部分的零部件的中心都在一条与电机轴重合的中心线上，使得整套机构的重心位于机构的中心线上。此扑翼机构的扑动方式为无运动相位差的对称扑动机构，避免了由运动相位差引起的飞行不稳定。由于行星轮上装有偏心摇臂，一定程度上放大了机构的运动，并且由于结构紧凑，相对曲柄摇杆机构套筒的安装位置距离中心线更近，使扑翼幅度相对更大。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构不带机翼的主视图。

图2为本发明实施例整体结构不带机翼的立体图。

图3为本发明实施例电机架俯视图。

图4为本发明实施例电机架从图3中A位置切开的旋转剖视图。

图5为本发明实施例齿圈俯视图。

图6为本发明实施例齿圈从图5中B位置切开的旋转剖视图。

图7为本发明实施例导轨俯视图。

图8为本发明实施例导轨从图7中C位置切开的旋转剖视图。

图9为本发明实施例曲柄俯视图。

图10为本发明实施例曲柄从图9中D位置切开的全剖视图。

图11为本发明实施例行星轮俯视图。

图12为本发明实施例行星轮从图11中E位置切开的全剖视图。

图13为本发明实施例摇杆俯视图。

图14为本发明实施例摇杆从图13中F位置切开的全剖视图。

图15为本发明实施例摇杆立体图。

图16为本发明实施例套筒俯视图。

图17为本发明实施例套筒主视图。

图18为本发明实施例套筒左视图。

附图标记：1-导轨，2-齿圈，3-电机架，4-摇杆，5-套筒，6-曲柄，7-机翼上缘，8-行星轮，9-微电机，10-推力轴承，11-连接轴，12-定位环，13-连接杆。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。

一种基于行星轮传动的无相位差扑翼机构，包括行星轮传动和扑动运动两个部分；所述行星轮传动部分，是利用带有偏心摇臂的行星轮通过与齿圈啮合将微电机的转动运动转变成摇臂的往复直线运动，直线运动的频率数值与微电机每秒转速相同；所述扑动运动部分，是将机翼通过连接杆一端安装在做往复直线运动的摇臂上，并穿过在固定位置可做转动运动的套筒，把摇臂的往复直线运动转变成扑动运动。

作为优选的上述一种基于行星轮传动的无相位差扑翼机构，如图1、2所示，主要包括两个部分：行星轮传动部分和扑动运动部分；所有零件都围绕微电机9的轴所在中心线安装，重心接近中心线。

所述行星轮传动部分包括微电机9，电机架3，曲柄6，连接轴11，一带偏心摇臂的行星轮8，定位环12，齿圈2，导轨1与连接杆13；

微电机9用于输出动力驱动整套机构运动，其紧配安装在电机架3如图3与图4所示中心安装孔中；本实施例采用空心杯716电机；

电机架3用于固定微电机9并作为整套机构的底座；其中心开有圆柱形安装孔用于放置微电机9，其四周如图3所示分布有多个定位孔，用于固位安装于其上的其它部件；同时，为保证微电机9在运转过程中自身不会出现脱落或滑动，也可方便拆卸更换电机或维修，如图3与图4所示，本实施例中，电机架3与微电机9紧配安装；为节省材料、减轻重量、便于加工以及固位稳定，设置电机架3下部为圆柱形、上部为类操场形状，在上部圆柱形孔周围开有四个定位孔；

曲柄6用于将微电机9自转传递给行星轮8，转化为行星轮8绕中心轴的公转运动，如图9与10所示，其中心设有一中心孔，用于与电机轴紧配，随同电机轴的转动而转动，另外，在偏离中心位置设有一偏心孔，其轴心线与中心孔的轴心线平行，用以通过一圆柱形连接轴11连接行星轮8，行星轮8可绕连接轴11转动；本实施例中，如图10所示曲柄6的上下安装孔周围都采用加高处理，保证轴孔配合同轴度更高；

连接轴11用于连接曲柄6与行星轮8，紧配进如图10所示曲柄6上侧的偏心孔中，避免脱落，与行星轮8松配安装，保证行星轮8转动顺畅；

行星轮8用于将自身的转动运动转换为其上偏心摇臂的往复直线运动，并驱动机翼上缘7的扑动；如图11与图12所示，其下部设有用于与齿圈2内齿轮相啮合的外齿轮，上部设有偏心摇臂；安装时其外齿轮应与齿圈2的内齿轮相啮合，并且保证当行星轮8转动到齿圈2如图5所示最上端时，其偏心摇臂正下方的齿啮合进齿圈2如图5所示最上端的齿槽中；本实施例中，行星轮8齿厚稍大于齿圈齿厚，以保证机构运转时行星轮8与齿圈2出现偏离时也能充分啮合；

定位环12用于保证行星轮8在运转过程中不会沿连接轴11向上滑动，定位环12与连接轴11应紧配连接；定位环12还用于固定导轨1、齿圈2与电机架3之间的相对高度，与连接杆13应紧配安装，既保证不会出现相对滑动又便于拆装。

齿圈2用于啮合行星轮8以及安装套筒5；如图5与图6所示，本实施例中，齿圈2中心设有内齿轮，用于使行星轮8在绕中心轴公转过程中进行绕连接轴11的自转运动，齿圈2和行星轮8的齿轮模数以及压力角相等，齿数均为偶数，而且齿圈2的齿数为行星轮8齿数的二倍，安装时应保证二者齿轮啮合充分；齿圈2周围均布开有多个定位孔，用于固定其在整个机构中的位置，具体位置与大小与电机架3上的定位孔相同；其两端分别还设有一圆柱形突起，在其中心开有圆形安装孔用于固位安装套筒5，套筒5在如图5所示齿圈2左右两端的安装孔中松配安装，保证可以顺畅转动；

导轨1用于保证行星轮8上的偏心摇臂在运动过程中的稳定，防止其偏离规定运动轨迹以及在其上安装套筒5；如图7与图8所示，本实施例中，导轨1为两头窄中间宽的板状材料，中心开有略宽于行星轮8上偏心摇臂宽度的通槽，用于与之松配安装，以减少摩擦；导轨1两端部分别还设有一圆柱形突起，在其中心开有圆形安装孔用于固位安装套筒5，套筒5在如图7所示导轨1左右两端的安装孔中松配安装，保证可以顺畅转动；导轨1周围均布开有多个定位孔，用于固定其在整个机构中的位置，具体位置与大小与齿圈2的定位孔相同；

连接杆13用于固定导轨1、齿圈2与电机架3的相对位置，连接杆13通过穿过如图3、5、7所示导轨1、齿圈2与电机架3周围的四个定位孔，使三者中心处于同一中心轴上；

所述扑动运动部分包括机翼上缘7，摇杆4，套筒5和推力轴承10；

机翼上缘7用于安装并支撑机翼，并固位连接于摇杆4上，伴随连接摇杆4的运动带动机翼扑动，如图1所示，机翼上缘7的一端穿过套筒5与摇杆4连接，与套筒5松配安装保证可以顺畅的相对滑动，与连接摇杆4紧配安装保证扑动过程中不会脱落；

摇杆4为一种安装在行星轮8的偏心摇臂上的三通件，用于连接偏心摇臂与机翼上缘7，并将偏心摇臂的往复直线运动转化为机翼上缘7的扑动运动，如图13与图14所示，其上分别开有用于行星轮8上的偏心摇臂穿过的孔以及用于套接安装连接机翼上缘7的凹槽，其套于偏心摇臂上的部分松配安装，保证转顺畅，套接安装机翼上缘7的部分紧配安装，保证机翼上缘7不会脱落；本实施例中，摇杆4由2个同样形状的组件构成，组件为2个一体的相互垂直的2个圆环，一个作为转动部分用于行星轮8上的偏心摇臂穿过，一个用于套接机翼上缘7，采用拼接方法安装，如图14和15所示，摇杆4的转动部分高度为机翼连接端高度的一半，先将一个组件以图14的姿态安装在星轮8上的偏心摇臂上，再将另外一个组件以与图14上下相反的姿态安装在偏心摇臂上，这样可保证机翼在同一水平面内拍动。

套筒5用于作为机翼上缘7扑动所绕的支点，松配安装在如图5、7所示齿圈2与导轨1左右两端的安装孔内，可以在安装孔中转动，与机翼上缘7松配安装，使两者可以顺畅的相对滑动；如图16、17、18所示，本实施例中，为节省材料，套筒5设置为中间宽两端细的圆柱形状，在中间垂直于轴线方向开有用于机翼上缘7穿过的孔，二者松配合；

推力轴承10用于减小飞行过程中套筒5与导轨1之间的摩擦，飞行器在飞行过程中机翼所产生的升力首先由机翼上缘7传递到套筒5，然后由套筒5传递给导轨1，造成套筒5与导轨1之间相互作用力增大，摩擦力也随之增大，推力轴承10可以在保证转动顺畅的同时减小摩擦；

安装时，首先将微电机9插入图9所示曲柄6中心孔，然后将微电机9紧配安装进电机架3中心孔中，为保证各个部件良好运行，应使微电机9上表面与电机架3上表面平行。同时，本实施例中，为便于更换电机与拆卸维修，所述电机架与电机之间采用可拆卸的紧配安装方式。在安装行星轮8之前，应先将齿圈2与电机架3定位并连接，使用定位环12将之固定在合适高度，之后将行星轮8与曲柄6之间的连接轴11插入曲柄6的偏心孔中。

再进行行星轮8的安装，在安装行星轮8时应注意，如图11所示，行星轮8偏心摇臂正下方有一齿，将偏心摇臂对准齿圈2如图5所示最上方的位置，使偏心摇臂正下方的齿啮合进齿圈最上方的齿槽中，安装好之后，偏心摇臂应该在对应的导轨最顶端的位置。

将机翼上缘7穿过如图17所示套筒5中间的圆孔，再固定到如图13所示的摇杆4右端的机翼连接孔中。接下来安装摇杆4，在安装摇杆4时应注意，摇杆4的转动部分高度为机翼上缘7连接端高度的一半，先将摇杆4一个组件的转动部分缺口朝上套进偏心摇臂上，再将另外一个缺口朝下套进偏心摇臂，如图1所示，这样就保证了机翼在同一水平面内拍动。

为减少将图17中所示的套筒5下方圆柱插入图5所示的齿圈2左右两端的安装孔中，然后在上方圆柱上套入推力轴承10。

最后安装导轨1，将导轨1定位孔套在连接齿圈2和导轨1的连接杆13上，将偏心摇臂放入导轨1中间的偏心摇臂槽中，将套筒安装孔套在套筒5上方圆柱上，并轻轻压住推力轴承10。然后用定位环12在导轨1上方定位，使整个机构安装紧凑牢固。

机构安装完成，对电机给予一个电压，就可以实现扑翼机构的扑动运动，其运动频率与电机一秒内转速数值相同，可以通过控制输入电压来控制扑翼频率。

在机翼上缘7上安装柔性翼之后，随着机翼的前后拍动，柔性翼形变，并产生一个向上的升力实现飞行器的飞行。

为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。