专利名称：超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿生扑翼飞行机器人(俗称机器飞鸟)的扑动系统，尤其涉及一种超
小型仿生扑翼飞行器的扑动装置。
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，在设计扑 动装置时，必须满足扑翼的这种运动方式。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舵面控制，都没有实现真正 意义上的扑翼三维飞行运动。在拍打运动方面，所采用的机构是曲柄连杆机构或者曲柄滑 块机构。曲柄连杆机构存在着左右扑翼运动不严格对称的情况，增加了飞行的不稳定性，且 提供的拍打力量不大。曲柄滑块机构高度方向尺寸较大，滑块机构不容易减小重量，也不容 易提供较大的拍打力量，不太适合超小型飞行器对尺寸的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，主要是仿生 飞鸟的低频、中频扑动飞行，它能够实现仿生飞鸟翅膀的拍打、扭转和摆动的三维飞行运动。 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的扑动装置，其特征在于，电机5通过齿轮13、齿轮11、齿 轮9、齿轮23、齿轮15、齿轮17、齿轮35啮合传动，经曲柄26摇杆29机构与曲柄33摇杆30 机构驱动左右扑翼同步拍打运动；电机12经齿轮14、齿环2啮合传动驱动左右扑翼同步扭转运动；电机4经齿轮20、齿轮21啮合传动驱动左右扑翼协调摆动转向。
所述的电机5经过两条传动链，分别驱动左右扑翼。 所述的电机5经过两条传动链中的一条驱动右扑翼，其传动链是经过齿轮13、齿 轮11、齿轮15啮合传动，齿轮15经过轴16与齿轮17固定连接，轴16通过圆柱副与支架8 相连，齿轮17与齿轮35啮合传动，齿轮35、销轴32与曲柄33固定连接，齿轮35通过轴18 与支架8经圆柱副相连，曲柄33通过轴32与支架24经圆柱副相连，销轴32可在滑槽31 内滑动，驱动摇杆30上下拍打运动；所述的电机5经过两条传动链中的另一条驱动左扑翼， 其传动链是经过齿轮13、齿轮11啮合传动，齿轮11经过轴10与齿轮9固定连接，轴10通 过圆柱副与支架8相连，齿轮9与齿轮23啮合传动，齿轮23、销轴27与曲柄26固定连接， 齿轮23通过轴7与支架8经圆柱副相连，曲柄26通过轴27与支架24经圆柱副相连，销轴 27可在滑槽28内滑动，驱动摇杆29上下拍打运动。 所述的摇杆30、摇杆29通过轴36与支架8、支架24以圆柱副形式相连，齿轮15、 齿轮11与齿轮17、齿轮9、齿轮23、齿轮35位于支架8的两侧，电机5固定在支架8、支架 24上。 所述的齿环2与半圆柱环3固定连接，支架8、支架24固定在半圆柱环3上面，半 圆柱环与圆柱支架1、圆柱支架6通过圆柱副相连，电机12固定在基座齿轮21上。
所述的圆柱支架1、圆柱支架6与大齿轮21固定连接，大齿轮21与圆柱环38固 连，圆柱环38与基座19以圆柱副形式相连，电机4通过支撑37、支撑22与基座19固定。
与现有技术相比，本发明具有最显著特点是采用曲柄齿轮摇杆复合机构，左右扑 翼严格对称，具有拍打、扭转和摆动三自由度的扑翼运动方式。目前现有技术采用的是一维 的拍打运动，有些采用了拍打运动结合尾部的舵面来控制飞行，这些都没有实现真正意义 的扑翼三维运动，而本发明的扑动装置实现了扑翼三自由度运动。另外拍打系统采用曲柄 齿轮摇杆复合机构，比现有采用曲柄连杆机构，曲柄滑块机构的扑动装置更具有两翼扑动 飞行同步对称性好，扑翼拍打力度大，扑翼拍打运动平稳等优点。
图1为本发明超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置前上方结构示意图；
图2为本发明超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置后下方结构示意图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成。 拍打系统，拍打运动是最关键的运动，拍打运动是扑翼飞行器能否飞起来的决定 性因素。本发明采用齿轮传动和曲柄摇杆机构相结合，即采用曲柄齿轮摇杆联合机构，左右 两边对称布置，齿轮传动采用两级减速传动。齿轮传动实现两个目的， 一是改变电机输出的 转动方向，以便达到两摇杆的同步反向运动，即实现两翼同步上下运动；二是通过采用两级 齿轮减速传动，以提高扭矩，实现增大拍打力度。两翼的主要拍打运动机构就是曲柄齿轮摇 杆复合机构，两翼的曲柄齿轮摇杆机构对称布置，为了使两翼产生相同的运动，从而提高扑 翼飞行器的飞行稳定性。
扭转系统，主要采用独立电机驱动，设计一个半圆柱环作为拍打系统的支架，支撑 整个拍打系统，再设计两个圆柱支架作为半圆柱环支架，以圆柱副形式相连。设计一个齿圈 与半圆柱环固连，电机通过与齿圈啮合传动扭转运动。 摆动系统，主要是产生两扑翼的协同摆动。设计一个大齿轮作为整个系统的支撑， 支撑整个系统，该齿轮通过圆柱副与基座相连，电机通过齿轮啮合传动，提供摆动的动力。
只要控制系统协调控制好拍打，扭转和摆动的运动时序，就可以实现扑翼飞行器 的复杂三维飞行运动。 本发明的一个优选实施例如图1、图2所示，一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装 置，主要由拍打系统、扭转系统和摆动系统组成。拍打系统包括支架8、24，摇杆29、30，齿轮 23、35，曲柄26、33，销轴27、32，轴7、 18、25、34、36， 10、 16，齿轮9、 17、 11、 15、 13，电机5组 成。扭转系统包括圆柱支架1、6，半圆柱环3，齿环2，齿轮14，电机12组成。摆动系统包括 基座19，圆柱环38，基座齿轮21，齿轮20，支撑22、37，电机4组成。 本发明是由三个电机4、12、5独立驱动，通过控制系统协调配合，控制扑动装置产 生复杂的三维飞行运动。三自由度的运动如下 拍打运动，即电机5通过齿轮13、 11、 15啮合传动，齿轮15经过轴16与齿轮17固 连，轴16与支架8是圆柱副相连，齿轮17与齿轮35啮合，齿轮35通过销轴32与曲柄33固 连，销轴32在滑槽31内滑动，从而使摇杆30产生上下拍打运动。电机5另一条传动链是 通过齿轮13、 11啮合传动，齿轮11经过轴10与齿轮9固定连接，轴10与支架8圆柱副相 连，齿轮9与齿轮23啮合传动，齿轮23通过销轴27与摇杆26固连，销轴27在滑槽28内 滑动，从而使摇杆29产生上下拍打运动。 扭转运动，电机12经过齿轮14，齿环2啮合，齿环2与整个拍打系统支撑半圆柱环
3固连，使半圆柱环3在圆柱支座1、6内转动，从而带动两扑翼的同步扭转。 摆动运动，电机4通过齿轮20与基座齿轮21啮合，电机4通过支撑22 、37与基座
齿轮固连，基座齿轮21作为整个系统的支架，通过圆柱38与底座19圆柱副相连，从而通过
齿轮啮合传动就可以实现左右两扑翼协同摆动转向。
权利要求
超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，电机(5)通过齿轮(13)、齿轮(11)、齿轮(9)、齿轮(23)、齿轮(15)、齿轮(17)、齿轮(35)啮合传动，经曲柄(26)摇杆(29)机构与曲柄(33)摇杆(30)机构驱动左右扑翼同步拍打运动；电机(12)经齿轮(14)、齿环(2)啮合传动驱动左右扑翼同步扭转运动；电机(4)经齿轮(20)、齿轮(21)啮合传动驱动左右扑翼协调摆动转向。
2. 根据权利要求1所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的电 机(5)经过两条传动链，分别驱动左右扑翼。
3. 根据权利要求2所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的电 机(5)经过两条传动链中的一条驱动右扑翼，其传动链是经过齿轮(13)、齿轮(11)、齿轮 (15)啮合传动，齿轮(15)经过轴(16)与齿轮(17)固定连接，轴(16)通过圆柱副与支架 (8)相连，齿轮(17)与齿轮(35)啮合传动，齿轮(35)、销轴(32)与曲柄(33)固定连接，齿 轮(35)通过轴(18)与支架(8)经圆柱副相连，曲柄(33)通过轴(32)与支架(24)经圆柱 副相连，销轴(32)可在滑槽(31)内滑动，驱动摇杆(30)上下拍打运动；所述的电机(5)经 过两条传动链中的另一条驱动左扑翼，其传动链是经过齿轮(13)、齿轮(11)啮合传动，齿 轮(11)经过轴(10)与齿轮(9)固定连接，轴(10)通过圆柱副与支架(8)相连，齿轮(9) 与齿轮(23)啮合传动，齿轮(23)、销轴(27)与曲柄(26)固定连接，齿轮(23)通过轴(7) 与支架(8)经圆柱副相连，曲柄(26)通过轴(27)与支架(24)经圆柱副相连，销轴(27)可 在滑槽(28)内滑动，驱动摇杆(29)上下拍打运动。
4. 根据权利要求3所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的摇 杆(30)、摇杆(29)通过轴(36)与支架(S)、支架(24)以圆柱副形式相连，齿轮(15)、齿轮 (11)与齿轮(17)、齿轮(9)、齿轮(23)、齿轮(35)位于支架(8)的两侧，电机(5)固定在支 架(S)、支架(24)上。
5. 根据权利要求1所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的齿 环(2)与半圆柱环(3)固定连接，支架(S)、支架(24)固定在半圆柱环(3)上面，半圆柱环 与圆柱支架(1)、圆柱支架(6)通过圆柱副相连，电机(12)固定在基座齿轮(21)上。
6. 根据权利要求5所述的超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置，其特征在于，所述的圆 柱支架(1)、圆柱支架(6)与大齿轮(21)固定连接，大齿轮(21)与圆柱环(38)固连，圆柱 环(38)与基座(19)以圆柱副形式相连，电机(4)通过支撑(37)、支撑(22)与基座(19)固 定。
全文摘要
本发明涉及一种超小型仿生扑翼飞行器的扑动装置。仿生飞鸟的拍翅飞行是人类古老飞行梦想之一，一直延续至今。在超小型飞行器方面，扑翼飞行方式有其独到的特点和优点。一种扑翼飞行器能否理想飞行，关键核心是其扑动装置。本发明提供一种可以模拟飞鸟展翅飞行的具有三自由度的扑动装置，采用曲柄齿轮摇杆复合机构，分别可以实现扑翼拍打、扭转和摆动的三自由度飞行运动。本发明结构紧凑，构造精巧，可以应用于各种机器飞鸟和各种超小型仿生扑翼飞行器。
文档编号B64C33/02GK101734375SQ20081020245
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月10日 优先权日2008年11月10日
发明者胡盛斌, 贾慈力, 陈闵叶 申请人:上海工程技术大学