一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构与扑翼机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种飞行器的尾翼调节机构，本发明还涉及一种扑翼机。
【背景技术】
[0002]扑翼飞行器双翼与尾翼的设计都是在对自然界中鸟类的扑动规律进行模仿，不同于鸟类在扑动时完全依靠双翼来同时产生升力与推力，以及同时实现转向、机动和调整姿态等的功能，人造的扑翼飞行器出于简化结构、提高系统的稳定性、以及减小控制难度等目的，都只分配给扑动机构以产生升力和推力这两种最基本的功能，而将转向和机动的功能全部交由尾翼来实现。也就是说，尾翼在现有的扑翼飞行器中担负着提供飞行时所需的全部偏航力矩和俯仰力矩的作用。
[0003]在现有的尾翼设计中，常见的有如下两种形式:
1、使用一个平面作为尾翼面。此种结构需要尾翼面同时进行俯仰和滚转两种运动，气流对于尾翼面所产生的气动合力相对于扑翼飞行器的重心所产生的合力矩在水平方向和竖直方向的分量即是所产生的俯仰力矩和偏航力矩。这种布局形式虽然结构简单，但是要求俯仰力矩和偏航力矩必须要同时产生，难以进行精确控制。
[0004]2、使用两个平面作为尾翼面。在使用两个面作为尾翼布局形式的设计中，具体的分为V尾和水平-垂直尾翼的两种形式。其中，V尾的控制方式以及调整原理与单平面尾翼类似，故其也具有俯仰力矩与偏航力矩之间存在耦合关系的缺点。
[0005]而对于水平-垂直尾翼，其产生俯仰力矩和偏航力矩的主要原理是水平舵面和垂直舵面作为“挡风面”，在来流的作用下会产生分别垂直于相应舵面的气动力，这些气动力分别取合力并且相对于机体重心取矩后即可得到相应的力矩。当需要进行转向动作时，只需驱动尾翼绕沿竖直方向的轴在水平面内摆动即可；当需要进行俯仰调节(抬头或者是俯冲)时，只需驱动尾翼绕沿水平方向的轴在竖直平面内摆动);而当需要同时进行转向动作和俯仰动作时，则可以同时进行两种调节运动，使尾翼做两种调节的合成运动。
[0006]然而，在传统的水平-垂直尾翼的结构中，为了简化设计，大部分都采用球副或者是万向联轴节等作为尾翼摆动时的连接关节。在这种情况下，如果仅依靠一个关节来实现尾翼的转动，就需要确保驱动尾翼的两个电机协调运动，然而在实际上电机之间的运动量很难进行合理分配，究其原因，一方面是其中的计算规则复杂，而另一方面运动量的大小还会与调节机构的尺寸、精度等有很大的关系，其也间接地增加了控制的成本和难度。
[0007]上述问题的实质是由于尾翼在做俯仰和偏航调节运动时这两种分量的控制之间存在耦合作用，而之所以会存在耦合，其最根本的原因就在于尾翼与机身相连接的关节是球副或者是万向联轴节。尾翼在做机动调节时实际上所需要的运动是绕着两个相互垂直方向上轴的转动，球副与万向联轴节都可以提供两个自由度方向上的转动(其中球副是三个自由度的，应用时只取其中两个；万向联轴节是两个自由度的，应用时刚好可以满足要求)。但是，这两种关节存在一个共同点一一其所提供的两个转动副的转轴是相交的:球副的球心是其所提供的两个转轴的交点，万向联轴节中间十字架的中心也是其所提供的两个转轴的交点。因为两个轴相交，当外力驱动关节绕着某个转轴转动时，同时也必定存在有绕另一个轴转动的趋势，这种趋势在没有外界阻尼或者是限位的情况下就会造成关节发生不必要的偏转。从而降低控制精度。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，可以实现俯仰和偏航调节的完全解耦，将尾翼的偏航调节与俯仰调节分成两个互不关联的步骤，有效的避免了二者之间的相互干扰，有助于提高控制精度，降低控制难度。
[0009]本发明还提供一种扑翼机。
[0010]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种可实现俯仰和偏航独立调控的尾翼调节机构，包括机架以及尾翼，尾翼包括水平翼片与竖直翼片，水平翼片通过一水平轴往复转动以实现俯仰调控，竖直翼片通过一竖直轴往复转动以实现偏航调控，还包括第一驱动组件与第二驱动组件，其中，水平轴与竖直轴为两处独立运动的结构，第一驱动组件用于驱动水平翼片或竖直翼片中的一个发生相应的调控运动，第二驱动组件用于驱动水平翼片或竖直翼片中的另一个发生相应的调控运动。
[0011]作为上述方案的进一步改进方式，竖直轴安装于机架上，第二驱动组件与竖直轴连接，尾翼通过水平轴与第二驱动组件铰接，其中
在第一驱动组件的驱动下，第二驱动组件可带动尾翼通过竖直轴相对机架转动；
在第二驱动组件的驱动下，尾翼可通过水平轴相对第二驱动组件转动。
[0012]作为上述方案的进一步改进方式，第一驱动组件包括第一舵机与偏航调节拉杆，竖直轴上伸出有水平的连杆，偏航调节拉杆的两端分别与第一舵机的摇臂以及连杆连接，且在对应的连接处形成球面副。
[0013]作为上述方案的进一步改进方式，偏航调节拉杆的两端安装有球头，其通过球头分别与摇臂、连杆连接。
[0014]作为上述方案的进一步改进方式，机架包括三根平行设置的支撑杆，以及固定在支撑杆两端的支撑架，第一舵机通过第一舵机安装座与支撑杆固接。
[0015]作为上述方案的进一步改进方式，第二驱动组件包括第二舵机、水平导杆、直线轴承、第一俯仰拉杆与第二俯仰拉杆，直线轴承可沿水平导杆滑动，第一俯仰拉杆的两端分别与第二舵机的摇臂以及直线轴承铰接，第二俯仰拉杆的两端分别与尾翼以及直线轴承铰接。
[0016]作为上述方案的进一步改进方式，水平导杆的一端通过导杆安装座与竖直轴固接，二者的轴线相互垂直，第二舵机通过第二舵机安装座与竖直轴固接。
[0017]作为上述方案的进一步改进方式，机架的尾端沿竖直方向设有第一轴承座，第二舵机安装座的上方沿水平方向设有第二轴承座，第一轴承座与第二轴承座上均设有滚动轴承。
[0018]作为上述方案的进一步改进方式，水平轴安装于机架上，第二驱动组件与水平轴连接，尾翼通过竖直轴与第二驱动组件铰接，其中
在第一驱动组件的驱动下，第二驱动组件可带动尾翼通过水平轴相对机架转动； 在第二驱动组件的驱动下，尾翼可通过竖直轴相对第二驱动组件转动。
[0019]—种扑翼机，包括上述的尾翼调节机构。
[0020]本发明的有益效果是:
可以实现俯仰和偏航调节的完全解耦，将尾翼的偏航调节与俯仰调节分成两个互不关联的步骤，有效的避免了二者之间的相互干扰，有助于提高控制精度，降低控制难度。
【附图说明】
[0021]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0022]图1是本发明一个实施例整体机构示意图；
图2是本发明的一个方向分解示意图；
图3是本发明的另一个方向分解示意图；
图4是本发明偏航调节机构的机构运动简图；
图5是本发明俯仰调节机构的机构运动简图；
图6是本发明的整体机构运动简图；
图7是本发明仅进行俯仰调节运动时的尾翼运动示意图；
图8是本发明仅进行偏航调节运动时的尾翼运动示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0024]需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
[0025]此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
[0026]参照图1至图3，调节机构包括机架1、尾翼2、第一驱动组件3与第二驱动组件4，尾翼2包括水平翼片21与竖直翼片22，水平翼片21通过一水平轴6往复转动以实现俯仰调控，竖直翼片22通过一竖直轴5往复转动以实现偏航调控，其中，水平轴6与竖直轴5为两处独立运动的结构，优选的，水平轴6与竖直轴5在空间上处于不相交的状态，以使二者之间不存在偶合关系。第一驱动组件3用于驱动水平翼片或竖直翼片中的一个发生相应的调控运动，第二驱动组件4用于驱动水平翼片或竖直翼片中的另一个发生相应的调控运动，二者独立运行，将尾翼的偏航调节与俯仰调节分成两个互不关联的步骤，避免因相互干涉而影响控制精度。
[0027]优选的，本发明中的机架I包括三根平行设置的支撑杆11，以及固定在支撑杆11两端的支撑架12，支撑杆11与支撑架12组成稳固的三角形支架。
[0028]作为本发明的一个优选实施例，竖直轴5为一竖直的支杆，其安装于机架I上，第二驱动组件4与竖直轴5连接，尾翼2通过水平轴