一种多自由度仿鸟扑翼飞行器的制造方法
【专利摘要】一种多自由度仿鸟扑翼飞行器。其包括驱动机构、两个扭转机构、尾翼机构、两个柔性接头结构、机架；本发明结构简单紧凑,可实现完全对称的扑翼运动。采用橡胶柔性开槽机构可使扑翼飞行器更像鸟一样飞行,扑翼弯曲折叠使扑翼上扑时受力面积减小阻力更小,下扑时翼展面积最大,同时，外翼在飞行方向也可能够通过空气阻力进行被动弯曲，从而产生更大的升力和推力。采用舵机控制内扑翼杆来改变扑翼的仰角，在空气动力学上，符合上扑阻力小于下扑升力的效果，提高气动效率。利用两台舵机控制尾翼的偏转，使扑翼飞行器飞行姿态更利于操作和控制。该多自由度仿鸟扑翼式微型仿生扑翼机飞行器可在模型、航拍监控、情报搜集、灾难搜救、机场驱鸟等领域使用。
【专利说明】
一种多自由度仿鸟扑翼飞行器
技术领域
[0001]本发明涉及一种扑翼飞行器技术领域，特别是涉及一种多自由度仿鸟扑翼飞行器。
【背景技术】
[0002]仿鸟扑翼飞行器是一种模仿鸟类扑翼飞行的新型飞行器，与传统固定翼、旋翼飞机飞行器相比，可以实现快速起飞、加速和悬停，具有高度的机动性、隐蔽性和灵活性，在国防领域和民用方面都有着广泛的应用前景。
[0003]自然界中鸟的扑翼飞行主要由三种基本的运动构成:上下挥拍运动、扭转运动和弯曲折叠运动。结合鸟类飞行特点，将上下挥拍运动与扭转运动、弯曲折叠运动有机地结合在一起，使扑翼产生较大升力和推力，可提高气动力效率，而单一的挥拍运动和扭转运动都无法使得扑翼的气动力效率达到最大。
[0004]仔细观察鸟类的飞行姿态可得到，鸟类在平飞过程(不包括起飞、滑翔)主要可分为两个阶段:
[0005](I)下扑阶段:鸟翼从最高点开始下扑，翅膀基本保持展开状态，外翼有小幅度的弯曲折叠，其后外翼的折叠幅度继续增大。在整个扑翼下扑过程中，扑翼的攻角从负向逐渐增大后减小，最后到正向角度。
[0006](2)抬升阶段:弯曲折叠完成后，翅膀保持原有的拱形，从最低点开始上扑，在最高点处有小幅度的折叠，扑翼的攻角从正向逐渐增大后减小，最后到负向角度，然后重复第一阶段。
[0007]目前国内外已有成型的微型扑翼飞行器，大都仿生对象以昆虫为主，且飞行的姿态只能实现简单自由度的挥拍运动。中国专利CN 103482064A采用仿鸟二段式扑翼，在内外翼连接处采用接头铰接，基本实现上下扑动和外翼的弯曲折叠，能在一定程度上模仿鸟类飞行过程中，但这种内外翼的接头铰接结构控制具有一定的难度。中国专利CN 101417708A将扑翼翼面分为内外翼段，通过在前后两段翼肋上设置角度限制器来控制前后翼段对折的角度，以此来实现扑翼扑动过程中的扭转现象，其不足之处是，通过设置角度限制器只能将扑翼的攻角设定在某一固定值，而不能根据来流流速灵活调整。而作为大型仿鸟扑翼飞行器，扑翼的内翼与外翼之间的弯曲折叠和扑翼扭转对提高飞机升力是非常重要的。
【发明内容】
[0008]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种集合扑翼挥拍、扭转、弯曲折叠的多自由度仿鸟扑翼飞行器。
[0009]为了达到上述目的，本发明提供的多自由度仿鸟扑翼飞行器包括驱动机构、两个扭转机构、尾翼机构、两个柔性接头结构、机架;其中机架包括机身杆、半圆前机架、主机架、电机固定机架、顶孔固定杆、左右孔固定杆、两根齿轮固定杆、下孔固定杆;机身杆沿前后方向设置;半圆机架上形成有顶孔、左孔和右孔;主机架与电机固定机架上均形成有顶孔、左孔、右孔、中孔、两个下部孔和下孔;机身杆的中部依次贯穿设置在半圆前机架、主机架和电机固定机架的中孔内，并且半圆前机架、主机架和电机固定机架平行设置;顶孔固定杆、左右孔固定杆分别贯穿设置在半圆前机架、主机架和电机固定机架的顶孔及左右孔中；两根齿轮固定杆贯穿设置在主机架和电机固定机架的两个下部孔中；下孔固定杆贯穿设置在主机架和电机固定机架的下孔中；
[0010]所述的驱动机构包括无刷电机、齿轮减速机构、两个曲柄、两根连杆;其中无刷电机的后端固定在电机固定机架上，输出轴向前穿过主机架上部左侧部位;齿轮减速机构由电机齿轮、第一级双联齿轮、第二级双联齿轮、右侧齿轮、左侧齿轮组成；电机齿轮套装在无刷电机的输出轴上;第一级双联齿轮由两个同轴设置的大齿轮和小齿轮组成，大齿轮在前，小齿轮在后，电机齿轮与第一级双联齿轮中的大齿轮相啮合;第二级双联齿轮设置在第一级双联齿轮的右侧，由两个同轴设置的大齿轮和小齿轮组成，大齿轮在后，小齿轮在前;第一级双联齿轮中的小齿轮与第二级双联齿轮中的大齿轮相啮合，第二级双联齿轮中的小齿轮与右侧齿轮相啮合，右侧齿轮与左侧齿轮相啮合，并且左侧齿轮和右侧齿轮的中心孔分别固定在两根齿轮固定杆的前端;每个曲柄的一端固定在左侧齿轮与右侧齿轮的前端中心处，另一端与一根连杆的一端相铰接，两个曲柄一起随左侧齿轮与右侧齿轮进行圆周运动；左侧齿轮及其上的曲柄、连杆与右侧齿轮及其上的曲柄、连杆相对于机身杆左右对称；
[0011 ]两个扭转机构对称设置在机身杆的左右两侧，用于改变扑翼的攻角，每个扭转机构包括扑动杆、两个扭转轴承、舵机固定机架、舵机、舵机臂、内扑翼杆、内扑翼板、扭转接头、扭转连杆、中扑翼板;扑动杆沿左右方向设置，为长方体形空心结构，内侧一端与连杆的另一端相铰接;两个扭转轴承分别安装在扑动杆的两端位置；内扑翼杆包括直杆和斜杆，其中直杆的一端与扑动杆的外端通过扭转轴承配合安装，斜杆的一端固定在直杆的中部，后部向斜后方延伸，内扑翼杆绕扭转轴承的旋转角度即为攻角变化范围；内扑翼板沿前后方向垂直设置，中部同时贯穿直杆和斜杆；中扑翼板以与内扑翼板平行的方式设置在内扑翼板的外侧，中部贯穿直杆，后部贯穿斜杆;舵机固定机架的前端焊接在扑动杆的外端边缘部位;舵机利用螺栓固定在舵机固定机架的左侧面上;舵机臂的一端套装在舵机的输出轴上，另一端与扭转连杆的一端相铰接，扭转连杆的另一端与扭转接头相固定，扭转接头固定在内扑翼杆左侧部位；
[0012]所述的尾翼机构包括尾翼板、机尾板、机身中板、尾翼前舵机板、尾翼前舵机、尾翼前轴承、尾翼连杆、尾翼后轴承、尾翼后舵机板、尾翼后舵机;其中机尾板与机身中板上形成有中心孔，机身杆的后部依次从机身中板与机尾板的中心孔中穿过，由此将机身中板、机尾板固定在机身杆上，并且机尾板与机身中板平行设置;尾翼前舵机板固定在机身中板的前端面上;尾翼后舵机板固定在机尾板的后端面上;尾翼前舵机连接在尾翼前舵机板上;尾翼后舵机连接在尾翼后舵机板上;尾翼连杆的一端通过尾翼前轴承与尾翼前舵机的舵机臂相连，另一端通过尾翼后轴承与尾翼后舵机板相连;尾翼板的前端与尾翼后舵机的舵机臂相接；
[0013]两个柔性接头结构对称设置，每个柔性接头结构包括柔性橡胶条、外扑翼杆和外扑翼板;其中柔性橡胶条的两端分别连接在内扑翼杆上直杆的外端和外扑翼杆的一端;夕卜扑翼板沿前后方向垂直设置，中部贯穿外扑翼杆。
[0014]所述的左侧齿轮和右侧齿轮具有相同的齿数，因此是同步齿轮。
[0015]所述的尾翼板为扇形板。
[0016]所述的柔性橡胶条为长方体形结构，前端和上端表面形成有多条竖向沟槽。
[0017]本发明提供的多自由度仿鸟扑翼飞行器优点及有益效果:结构简单紧凑，可以实现完全对称的扑翼运动。采用橡胶柔性开槽机构可以使扑翼飞行器更像鸟一样的飞行，扑翼弯曲折叠使扑翼上扑时受力面积减小阻力更小，下扑时翼展面积最大，同时，外翼在飞行方向也可能够通过空气阻力进行被动弯曲，从而产生更大的升力和推力。采用舵机控制内扑翼杆来改变扑翼的仰角，在空气动力学上，符合上扑阻力小于下扑升力的效果，提高气动效率。此外，利用两台舵机控制尾翼的偏转，使扑翼飞行器飞行姿态更利于操作和控制。该多自由度仿鸟扑翼飞行器可在模型、航拍监控、情报搜集、灾难搜救、机场驱鸟等领域使用。
【附图说明】
[0018]图1为本发明提供的多自由度仿鸟扑翼飞行器总体结构立体图；
[0019]图2为图1示出的多自由度仿鸟扑翼飞行器上驱动机构结构示意图；
[0020]图3为图1示出的多自由度仿鸟扑翼飞行器上扭转机构结构示意图；
[0021 ]图4为图1示出的多自由度仿鸟扑翼飞行器上尾翼机构结构示意图；
[0022]图5为图1示出的多自由度仿鸟扑翼飞行器上柔性橡胶接头结构示意图；
[0023]图6为图1示出的多自由度仿鸟扑翼飞行器上机架结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的多自由度仿鸟扑翼飞行器进行详细说明。
[0025]如图1一图6所示，本发明提供的多自由度仿鸟扑翼飞行器包括驱动机构1、两个扭转机构2、尾翼机构3、两个柔性接头结构4、机架5;其中机架5包括机身杆501、半圆前机架502、主机架503、电机固定机架504、顶孔固定杆505、左右孔固定杆506、两根齿轮固定杆507、下孔固定杆508;机身杆501沿前后方向设置;半圆机架502上形成有顶孔、左孔和右孔；主机架503与电机固定机架504上均形成有顶孔、左孔、右孔、中孔、两个下部孔和下孔;机身杆501的中部依次贯穿设置在半圆前机架502、主机架503和电机固定机架504的中孔内，并且半圆前机架502、主机架503和电机固定机架504平行设置;顶孔固定杆505、左右孔固定杆506分别贯穿设置在半圆前机架502、主机架503和电机固定机架504的顶孔及左右孔中；两根齿轮固定杆507贯穿设置在主机架503和电机固定机架504的两个下部孔中；下孔固定杆508贯穿设置在主机架503和电机固定机架504的下孔中；
[0026]所述的驱动机构I包括无刷电机102、齿轮减速机构、两个曲柄106、两根连杆107;其中无刷电机102的后端固定在电机固定机架504上，输出轴向前穿过主机架503上部左侧部位;齿轮减速机构由电机齿轮101、第一级双联齿轮103、第二级双联齿轮104、右侧齿轮105、左侧齿轮108组成；电机齿轮101套装在无刷电机102的输出轴上;第一级双联齿轮103由两个同轴设置的大齿轮和小齿轮组成，大齿轮在前，小齿轮在后，电机齿轮101与第一级双联齿轮103中的大齿轮相啮合;第二级双联齿轮104设置在第一级双联齿轮103的右侧，由两个同轴设置的大齿轮和小齿轮组成，大齿轮在后，小齿轮在前;第一级双联齿轮103中的小齿轮与第二级双联齿轮104中的大齿轮相啮合，第二级双联齿轮104中的小齿轮与右侧齿轮105相啮合，右侧齿轮105与左侧齿轮108相啮合，并且左侧齿轮108和右侧齿轮105的中心孔分别固定在两根齿轮固定杆507的前端;每个曲柄106的一端固定在左侧齿轮108与右侧齿轮105的前端中心处，另一端与一根连杆107的一端相铰接，两个曲柄106—起随左侧齿轮108与右侧齿轮105进行圆周运动；左侧齿轮108及其上的曲柄106、连杆107与右侧齿轮105及其上的曲柄106、连杆107相对于机身杆501左右对称；
[0027]两个扭转机构2对称设置在机身杆501的左右两侧，用于改变扑翼的攻角，每个扭转机构2包括扑动杆201、两个扭转轴承202、舵机固定机架203、舵机204、舵机臂205、内扑翼杆206、内扑翼板207、扭转接头208、扭转连杆209、中扑翼板210;扑动杆201沿左右方向设置，为长方体形空心结构，内侧一端与连杆107的另一端相铰接;两个扭转轴承202分别安装在扑动杆201的两端位置；内扑翼杆206包括直杆206a和斜杆206b，其中直杆206a的一端与扑动杆201的外端通过扭转轴承202配合安装，斜杆206b的一端固定在直杆206a的中部，后部向斜后方延伸，内扑翼杆206绕扭转轴承202的旋转角度即为攻角变化范围；内扑翼板207沿前后方向垂直设置，中部同时贯穿直杆206a和斜杆206b;中扑翼板210以与内扑翼板207平行的方式设置在内扑翼板207的外侧，中部贯穿直杆206a，后部贯穿斜杆206b;舵机固定机架203的前端焊接在扑动杆201的外端边缘部位;舵机204利用螺栓固定在舵机固定机架203的左侧面上;舵机臂205的一端套装在舵机204的输出轴上，另一端与扭转连杆209的一端相铰接，扭转连杆209的另一端与扭转接头208相固定，扭转接头固定在内扑翼杆206左侧部位；
[0028]所述的尾翼机构3包括尾翼板301、机尾板302、机身中板303、尾翼前舵机板304、尾翼前舵机305、尾翼前轴承306、尾翼连杆307、尾翼后轴承308、尾翼后舵机板309、尾翼后舵机310;其中机尾板302与机身中板303上形成有中心孔，机身杆501的后部依次从机身中板303与机尾板302的中心孔中穿过，由此将机身中板303、机尾板302固定在机身杆501上，并且机尾板302与机身中板303平行设置;尾翼前舵机板304固定在机身中板303的前端面上；尾翼后舵机板309固定在机尾板302的后端面上；尾翼前舵机305连接在尾翼前舵机板304上;尾翼后舵机310连接在尾翼后舵机板309上;尾翼连杆307的一端通过尾翼前轴承306与尾翼前舵机305的舵机臂相连，另一端通过尾翼后轴承308与尾翼后舵机板309相连;尾翼板301的前端与尾翼后舵机310的舵机臂相接；
[0029]两个柔性接头结构4对称设置，每个柔性接头结构4包括柔性橡胶条401、外扑翼杆402和外扑翼板403;其中柔性橡胶条401的两端分别连接在内扑翼杆206上直杆206a的外端和外扑翼杆402的一端;外扑翼板403沿前后方向垂直设置，中部贯穿外扑翼杆402。
[0030]所述的左侧齿轮108和右侧齿轮105具有相同的齿数，因此是同步齿轮。
[0031 ]所述的尾翼板301为扇形板。
[0032]所述的柔性橡胶条401为长方体形结构，前端和上端表面形成有多条竖向沟槽。
[0033]现将本发明提供的多自由度仿鸟扑翼飞行器工作原理阐述如下:
[0034]首先启动无刷电机102，由此通过电机齿轮101带动第一级双联齿轮103中的大齿轮转动；由于第一级双联齿轮103中的大齿轮与小齿轮同轴，因此大齿轮将带动小齿轮同步转动。由于第一级双联齿轮103中的小齿轮与第二级双联齿轮104中的大齿轮相啮合，第二级双联齿轮104中的大齿轮与小齿轮同轴，第二级双联齿轮104中的小齿轮与右侧齿轮105相啮合，右侧齿轮105与左侧齿轮108相啮合，这时两个曲柄106将随着左侧齿轮108和右侧齿轮105—起进行圆周运动，并分别通过两根连杆107带动两个扑动杆201的内端上下扑动。在飞行过程中，舵机204工作，由此带动舵机臂205及扭转连杆209转动，扭转连杆209再带动扭转接头208转动，使内扑翼杆206绕扭转轴承202转过一定角度，以改变扑翼攻角。
[0035]在尾翼机构3中，当尾翼前舵机305工作时，经尾翼连杆307传动，带动尾翼板301上下摆动，以调整飞行器飞行俯仰姿态;尾翼后舵机310工作时，带动与其相连的尾翼板301左右偏转，实现了仿生扑翼飞行器的俯仰和偏转。
[0036]在柔性接头结构4中，柔性橡胶条401上形成有沟槽，扑翼飞行器在飞行过程中，向上扑动时，外扑翼杆402在向下气流和柔性橡胶条401上端沟槽的作用下会有小幅度的向下弯曲折叠，从而减小了扑翼的面积，达到了减小负升力及阻力的目的；扑翼向下扑动时，夕卜扑翼杆402在上升气流的作用下会有小幅度的向上弯曲折叠，达到增加升力的目的。当平行于扑翼飞行器飞行方向上的来流速度变大时，在柔性橡胶条401前端沟槽的作用下，外扑翼杆402被动地向后偏转一定角度，进一步提高了扑翼飞行器的推力。
【主权项】
1.一种多自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于:所述的多自由度仿鸟扑翼飞行器包括驱动机构(I)、两个扭转机构(2)、尾翼机构(3)、两个柔性接头结构(4)、机架(5);其中机架(5)包括机身杆(501)、半圆前机架(502)、主机架(503)、电机固定机架(504)、顶孔固定杆(505)、左右孔固定杆(506)、两根齿轮固定杆(507)、下孔固定杆(508);机身杆(501)沿前后方向设置;半圆机架(502)上形成有顶孔、左孔和右孔;主机架(503)与电机固定机架(504)上均形成有顶孔、左孔、右孔、中孔、两个下部孔和下孔;机身杆(501)的中部依次贯穿设置在半圆前机架(502)、主机架(503)和电机固定机架(504)的中孔内，并且半圆前机架(502)、主机架(503)和电机固定机架(504)平行设置;顶孔固定杆(505)、左右孔固定杆(506)分别贯穿设置在半圆前机架(502)、主机架(503)和电机固定机架(504)的顶孔及左右孔中；两根齿轮固定杆(507)贯穿设置在主机架(503)和电机固定机架(504)的两个下部孔中；下孔固定杆(508)贯穿设置在主机架(503)和电机固定机架(504)的下孔中； 所述的驱动机构(I)包括无刷电机(102)、齿轮减速机构、两个曲柄(106)、两根连杆(107);其中无刷电机(102)的后端固定在电机固定机架(504)上，输出轴向前穿过主机架(503)上部左侧部位;齿轮减速机构由电机齿轮(101)、第一级双联齿轮(103)、第二级双联齿轮(104)、右侧齿轮(105)、左侧齿轮(108)组成；电机齿轮(101)套装在无刷电机(102)的输出轴上;第一级双联齿轮(103)由两个同轴设置的大齿轮和小齿轮组成，大齿轮在前，小齿轮在后，电机齿轮(101)与第一级双联齿轮(103)中的大齿轮相啮合；第二级双联齿轮(104)设置在第一级双联齿轮(103)的右侧，由两个同轴设置的大齿轮和小齿轮组成，大齿轮在后，小齿轮在前;第一级双联齿轮(103)中的小齿轮与第二级双联齿轮(104)中的大齿轮相啮合，第二级双联齿轮(104)中的小齿轮与右侧齿轮(105)相啮合，右侧齿轮(105)与左侧齿轮(108)相啮合，并且左侧齿轮(108)和右侧齿轮(105)的中心孔分别固定在两根齿轮固定杆(507)的前端;每个曲柄(106)的一端固定在左侧齿轮(108)与右侧齿轮(105)的前端中心处，另一端与一根连杆(107)的一端相铰接，两个曲柄(106)—起随左侧齿轮(108)与右侧齿轮(105)进行圆周运动；左侧齿轮(108)及其上的曲柄(106)、连杆(107)与右侧齿轮(105)及其上的曲柄(106)、连杆(107)相对于机身杆(501)左右对称； 两个扭转机构(2)对称设置在机身杆(501)的左右两侧，用于改变扑翼的攻角，每个扭转机构(2)包括扑动杆(201)、两个扭转轴承(202)、舵机固定机架(203)、舵机(204)、舵机臂(205)、内扑翼杆(206)、内扑翼板(207)、扭转接头(208)、扭转连杆(209)、中扑翼板(210);扑动杆(201)沿左右方向设置，为长方体形空心结构，内侧一端与连杆(107)的另一端相铰接；两个扭转轴承(202)分别安装在扑动杆(201)的两端位置；内扑翼杆(206)包括直杆(206a)和斜杆(206b)，其中直杆(206a)的一端与扑动杆(201)的外端通过扭转轴承(202)配合安装，斜杆(206b)的一端固定在直杆(206a)的中部，后部向斜后方延伸，内扑翼杆(206)绕扭转轴承(202)的旋转角度即为攻角变化范围；内扑翼板(207)沿前后方向垂直设置，中部同时贯穿直杆(206a)和斜杆(206b);中扑翼板(210)以与内扑翼板(207)平行的方式设置在内扑翼板(207)的外侧，中部贯穿直杆(206a)，后部贯穿斜杆(206b);舵机固定机架(203)的前端焊接在扑动杆(201)的外端边缘部位；舵机(204)利用螺栓固定在舵机固定机架(203)的左侧面上；舵机臂(205)的一端套装在舵机(204)的输出轴上，另一端与扭转连杆(209)的一端相铰接，扭转连杆(209)的另一端与扭转接头(208)相固定，扭转接头固定在内扑翼杆(206)左侧部位； 所述的尾翼机构(3)包括尾翼板(301)、机尾板(302)、机身中板(303)、尾翼前舵机板(304)、尾翼前舵机(305)、尾翼前轴承(306)、尾翼连杆(307)、尾翼后轴承(308)、尾翼后舵机板(309)、尾翼后舵机(310);其中机尾板(302)与机身中板(303)上形成有中心孔，机身杆(501)的后部依次从机身中板(303)与机尾板(302)的中心孔中穿过，由此将机身中板(303)、机尾板(302)固定在机身杆(501)上，并且机尾板(302)与机身中板(303)平行设置；尾翼前舵机板(304)固定在机身中板(303)的前端面上;尾翼后舵机板(309)固定在机尾板(302)的后端面上;尾翼前舵机(305)连接在尾翼前舵机板(304)上;尾翼后舵机(310)连接在尾翼后舵机板(309)上;尾翼连杆(307)的一端通过尾翼前轴承(306)与尾翼前舵机(305)的舵机臂相连，另一端通过尾翼后轴承(308)与尾翼后舵机板(309)相连;尾翼板(301)的前端与尾翼后舵机(310)的舵机臂相接； 两个柔性接头结构(4)对称设置，每个柔性接头结构(4)包括柔性橡胶条(401)、外扑翼杆(402)和外扑翼板(403);其中柔性橡胶条(401)的两端分别连接在内扑翼杆(206)上直杆(206a)的外端和外扑翼杆(402)的一端;外扑翼板(403)沿前后方向垂直设置，中部贯穿外扑翼杆(402)。2.根据权利要求1所述的多自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于:所述的左侧齿轮(108)和右侧齿轮(105)具有相同的齿数，因此是同步齿轮。3.根据权利要求1所述的多自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于:所述的尾翼板(301)为扇形板。4.根据权利要求1所述的多自由度仿鸟扑翼飞行器，其特征在于:所述的柔性橡胶条(401)为长方体形结构，前端和上端表面形成有多条竖向沟槽。
【文档编号】B64C33/02GK106043692SQ201610408704
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】杨永刚, 苏汉平, 顾新冬
【申请人】中国民航大学