一种基于混合驱动的扑翼飞行器开合式机翼结构的制作方法

本发明属于扑翼仿生飞行器机械结构设计领域，涉及一种基于混合驱动的扑翼飞行器开合式机翼结构。

背景技术：

小型无人飞行器具有体积小、重量轻、机动灵活、起降空间小等优点，在军事和民用领域均有广泛应用，如监测、巡视、搜救、摄影、敌情侦查、电子干扰、甚至主动进攻和防御等。按照升力产生及推进机理，小型无人飞行器可分为：固定翼、旋翼及扑翼飞行器，其中扑翼仿生飞行器是模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，既属于仿生机器人范畴，又属于飞行器范畴，涉及多个学科的交叉知识。本发明的研究对象为模仿飞鸟的扑翼飞行器。

扑翼飞行是自然选择的结果，自然界中的飞行生物均采用扑翼方式飞行，极具合理性。2001年哈尔滨工业大学张兴伟的博士论文《仿生微型飞行器扑动翼气动特性的数值研究》中指出：在小型无人飞行器运行的低雷诺系数环境中，与固定翼和旋翼相比，扑翼飞行具有机动、灵活、低能耗及隐身性好等优点，更适宜于长时间无能量补给条件下的远距离飞行。由于扑翼飞行器自身的优势，扑翼飞行器的研究引起了国内外学者的重点关注。

2007年西北工业大学刘岚在博士学位论文《微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究》中指出：飞鸟翅膀的运动分为下扑和上扑两个阶段，其中下扑阶段是升力产生的主要阶段，在该过程中，飞鸟翅膀羽毛紧闭，上下表面的气流互不连通，气流分别从翅膀上下翼面流过；而上扑阶段是为了使翅膀恢复到最高点以便开始下一周期的扑动，因此飞鸟总是尽量缩短该过程。在上扑过程中，飞鸟散开翅膀飞羽，促使翅膀上下翼面空气流通，以减小飞鸟翅膀上扑时遇到的空气阻力。飞鸟翅膀扑打过程中羽毛的开合是由初级飞羽和次级飞羽运动实现。然而在当前扑翼飞行器研究中所采用的机翼结构没有通过模仿飞鸟飞羽的开合动作以有效减小机翼上扑过程中遇到的空气阻力，从而造成能量的浪费，严重制约了扑翼飞行器的飞行效率。

技术实现要素：

为了解决这一问题，本发明依据飞鸟的飞行机理，设计了一种基于混合驱动的扑翼飞行器开合式机翼结构。本发明提出的机翼结构通过模拟飞鸟在翅膀上下扑动过程中飞羽的开合动作，在不影响机翼下扑过程中升力产生的情况下，有效减小机翼上扑过程中遇到的空气阻力，提高扑翼飞行器的飞行效率，解决当前研究中存在的扑翼飞行器机翼上扑过程中由于空气阻力较大而造成的飞行效率低下问题。本发明中的“混合驱动”是指扑翼飞行器机翼的开合动作同时由机翼压力作用的活塞和风力驱动的扇叶组驱动。

本发明所采用的技术方案：

一种基于混合驱动的扑翼飞行器开合式机翼结构，包括机翼本体和设置在机翼本体同一侧的初级飞羽叶片组和次级飞羽叶片组，所述的初级飞羽叶片组和次级飞羽叶片组各自包括多个间隔分布的固定叶片和移动叶片，多个所述的固定叶片固定在机翼本体上不动，多个所述的移动叶片在驱动结构的驱动下可以沿着位于机翼本体上的滑槽移动；

所述的驱动结构包括动力装置、传动连杆i和传动连杆ii，传动连杆i和传动连杆ii均与移动叶片铰接；

所述的动力装置为活塞和风力驱动式扇叶组，所述的活塞安装在机翼本体的翅基上，与活塞连接的活塞驱动式连杆连接一个基座，且传动连杆i与该基座相连；所述的风力驱动式扇叶组位于机翼本体上方，且与设置在外啮合小齿轮中心的驱动轴连接；

所述的活塞动力装置驱动传动连杆i，所述的传动连杆i、传动连杆ii分别连接局部内啮合齿轮和局部外啮合齿轮，局部内啮合齿轮和局部外啮合齿轮与位于初级飞羽叶片组、次级飞羽叶片组之间的外啮合小齿轮啮合。

其工作的原理是：

在机翼初始状态时，动力装置驱动传动连杆i和传动连杆ii处于最长拉伸位置，整个飞羽叶片组构成了封闭机翼平面。

机翼上扑过程：

一方面：位于机翼上扑面的风力驱动式扇叶组在机翼上扑面所遇到空气阻力的作用下沿逆时针方向(机翼上扑面俯视方向)转动，并带动外啮合小齿轮沿顺时针方向(机翼下扑面俯视方向)转动；根据齿轮啮合传动规律，外啮合小齿轮带动局部内啮合齿轮和局部外啮合齿轮传动，再由局部外啮合齿轮和局部内啮合齿轮分别带动传动连杆i和传动连杆ii连杆传动。

另一方面：活塞驱动式连杆在机翼压力作用下逐渐压缩，当处于最短压缩位置时，活塞驱动式连杆开始驱动基座，固定在基座下方的次级飞羽叶片组的移动式叶片沿着滑槽向所述外啮合小齿轮所在的方向滑动；在滑动的过程中，固定在次级飞羽叶片组移动式叶片下方的传动连杆i带动局部内啮合齿轮传动，之后局部内啮合齿轮、外啮合小齿轮和局部外啮合齿轮作啮合运动，与局部外啮合齿轮固连的传动连杆ii也沿着外啮合小齿轮方向传动。

在上述两方面的作用下，初级飞羽叶片组的移动叶片在传动连杆ii的带动下做叶片张开运动，次级飞羽叶片组的移动叶片在传动连杆i和驱动基座的带动下做叶片张开运动；上述移动式飞羽叶片运动方向均沿着外啮合小齿轮方向。

机翼下扑过程：

活塞驱动式连杆在机翼带动下逐渐拉伸，当处于最长拉伸位置时，活塞驱动式连杆开始带动驱动基座朝翅基方向运动，同时驱动基座带动次级叶片飞羽组的移动叶片沿着机体方向运动，与移动式次级飞羽叶片组相连的传动连杆i带动局部内啮合齿轮朝着机体方向运动；局部内啮合齿轮通过外啮合小齿轮带动局部外啮合齿轮朝着机体方向运动，局部外啮合齿轮通过传动连杆ii带动移动式初级飞羽叶片组朝着机体方向运动；在机翼面与机体侧剖面成大约90^o方向时，移动式叶片组与固定式叶片组构成了一个封闭的机翼平面。机翼继续向下扑动至机翼初始状态。

进一步的，所述的机翼本体包括翅基、翅脉和翅膜；翅基用于与机身相连，多个翅脉与翅基相连，在多个翅脉之间铺设翅膜，形成机翼本体。

进一步的，所述的翅脉包括形成机翼外型轮廓的主翅脉和将机翼内部分割的多个支翅脉，其中一个支翅脉i与主翅脉的一条边基本上平行，形成安装初级飞羽叶片组和次级飞羽叶片组的空间；初级飞羽叶片组和次级飞羽叶组之间通过支翅脉ii分隔，所述的驱动轴安装在支翅脉ii上。

进一步的，所述的支翅脉i与主翅脉上安装初级飞羽叶片组和次级飞羽叶片组的对应位置上设有滑槽。

进一步的，所述的滑槽的有效宽度等于固定式及移动式飞羽叶片厚度之和。

进一步的，初级飞羽叶片组、次级飞羽叶片组各自的固定叶片和移动叶片的大小形状相同，且移动叶片宽度略大于两个固定叶片之间的空白距离。

进一步的，所述的次级飞羽叶片组包括两个固定叶片和两个移动叶片，与翅基紧邻的为移动叶片，然后沿着机翼外伸的方向依次是固定叶片、移动叶片和固定叶片；两个移动叶片分别与传动连杆i相连。

进一步的，所述的初级飞羽叶片组包括两个固定叶片和两个移动叶片，与次级飞羽叶片组紧邻的为固定叶片，然后沿着机翼外伸的方向依次是移动叶片、固定叶片和移动叶片；两个移动叶片分别与传动连杆ii相连。

进一步的，所述的活塞驱动式连杆中活塞单次运动到最远位置的运动与驱动基座单次运动到固定式次级叶片左端最远位置的运动相同步。

进一步的，整个机翼面与翅膀机身连接基体所成斜度范围为45°-150°。

本发明的有益效果：

本发明基于扑翼飞行器的机翼扑打特征，设计了上述的机械结构，实现机翼移动式飞羽叶片自动开合动作与机翼上下扑动同步，进而在不影响下扑过程中升力产生的情况下，有效地减小了上扑过程中的空气阻力；同时上扑过程中，机翼移动式飞羽叶片张开的部分动力来源于机翼上扑面空气阻力驱动的扇叶组转动，从而进一步提高了能量利用率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明中的机翼初始“合”状态的轴测图(隐藏结构用虚线显示)。

图2为本发明中的机翼“合”状态的上扑面结构示意图。

图3为本发明中的机翼“合”状态的下扑面结构示意图。

图4为本发明中的机翼“开”状态的轴测图(隐藏结构用虚线显示)。

图5为本发明中的机翼“开”状态的上扑面结构示意图。

图6为本发明中的机翼“开”状态的下扑面结构示意图。

图7为本发明中的风力驱动式扇叶组的轴测图。

图8为本发明中的开合传动模块示意图。

图9为本发明中的齿轮传动模块示意图。

图10为本发明中的活塞驱动式连杆模块示意图及活塞驱动式连杆轴测图(隐藏结构用虚线显示)。

图11为本发明中的滑槽结构示意图。

图中：1-翅基；2a、2b、2c、2d、2e-翅脉；

3a、3b、3c、3d-翅膜；4a、4b-固定式初级飞羽叶片组；

5a、5b-固定式次级飞羽叶片组；6a、6b-移动式初级飞羽叶片组；

7a、7b-移动式次级飞羽叶片组；8a、8b-初级飞羽滑槽组；

9a、9b-次级飞羽滑槽组；10-风力驱动式扇叶组；

11-活塞驱动式连杆；12a、12b-驱动基座；

13a、13b、13c、13d-固定柄；14-传动连杆ii；

15-局部外啮合齿轮；16-局部内啮合齿轮；

17-传动连杆i；18-外啮合小齿轮；

19-转动轴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：本发明中所述的“翅基、翅脉、翅膜”没有特定的含义，就相当于现有机翼的主梁和基板等。

正如背景技术所介绍的，现有技术中在当前扑翼飞行器研究中采用的机翼结构没有通过模仿飞鸟飞羽的开合动作以有效减小机翼上扑过程中遇到的空气阻力，从而造成能量的浪费，严重制约了扑翼飞行器的飞行效率。为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种基于混合驱动的扑翼飞行器开合式机翼结构。本发明提出的机翼结构通过模拟飞鸟在上下扑动过程中翅膀的开合动作，在不影响机翼下扑过程中升力产生的情况下，有效减小机翼上扑过程中遇到的空气阻力，提高扑翼飞行器的飞行效率，解决当前研究中存在的扑翼飞行器机翼上扑过程中由于空气阻力较大而造成的飞行效率低下问题。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出了一种基于混合驱动的扑翼飞行器开合式机翼结构；包括翅基1、翅脉2a、2b、2c、2d、2e、翅膜3a、3b、3c、3d、固定式初级飞羽叶片组4a、4b、固定式次级飞羽叶片组5a、5b、移动式初级飞羽叶片组6a、6b、移动式次级飞羽叶片组7a、7b、初级飞羽滑槽组8a、8b、次级飞羽滑槽组9a、9b、活塞驱动式连杆11、驱动基座12a、12b、风力驱动式扇叶组10、转动轴19、外啮合小齿轮18、局部外啮合齿轮15、局部内啮合齿轮16、传动连杆ii14、传动连杆i17及固定柄13a、13b、13c、13d。

整个机翼通过翅基与机身相连，并以翅脉2a为轴线绕机身转动；活塞驱动式连杆11与翅基1、移动式次级飞羽叶片组7a、7b通过驱动基座12a、12b相连，并可以绕驱动基座12a、12b转动；风力驱动式扇叶组10和外啮合小齿轮18通过转动轴19连接；固定式初级飞羽叶片组4a、4b和固定式次级飞羽叶片组5a、5b分别固定在初级飞羽滑槽组8a、8b和次级飞羽滑槽组9a、9b上半个滑槽接触面位置。

移动式初级飞羽叶片组6a、6b、移动式次级飞羽叶片组7a、7b分别安装在初级飞羽滑槽组8a、8b、次级飞羽滑槽组9a、9b下半个滑槽接触面位置。

传动连杆ii14和传动连杆i17分别与移动式初级飞羽叶片组6a、6b和移动式次级飞羽叶片组7a、7b通过固定柄13a、13b、13c、13d固定；局部外啮合齿轮15和局部内啮合齿轮16分别固定在传动连杆ii和传动连杆i上；局部外啮合齿轮15和局部内啮合齿轮16通过外啮合小齿轮18进行齿轮传动。

传动连杆i17与驱动基座12a相连，驱动基座12a连接活塞驱动式连杆11，所述的活塞驱动式连杆11连接的活塞安装在驱动基座12b上，所述的驱动基座12b与翅基1相连。

初级飞羽滑槽组8a、8b滑槽的有效宽度等于固定式及移动式初级飞羽叶片厚度之和，次级飞羽滑槽组9a、9b滑槽的有效宽度等于固定式及移动式次级飞羽叶片厚度之和。

固定式初级飞羽叶片组4a、4b叶片的大小形状与移动式初级飞羽叶片组6a、6b叶片的大小形状相同，且移动式初级飞羽叶片组叶片宽度略大于固定式初级飞羽叶片组叶片之间的空白距离；所述的移动式次级飞羽叶片组7a、7b叶片的大小形状分别与固定式次级飞羽叶片组5a、5b叶片的大小形状相同，且移动式次级飞羽叶片组叶片宽度略大于固定式次级飞羽叶片组叶片之间的空白距离。

转动轴19安装在翅脉2d上；位于机翼上扑面的风力驱动式扇叶组10与转动轴19相连，风力驱动式扇叶组10的叶片所在的平面相对于机翼上扑面倾斜，倾斜的方向是沿顺时针方向，此处的“顺时针”是指从机翼上扑面的方向看；外啮合小齿轮18的有效啮合面宽度等于局部外啮合齿轮15与局部内啮合齿轮16啮合面宽度之和，且局部外啮合齿轮和局部内啮合齿轮啮合面宽度相等，且局部外啮合齿轮15所处位置与机翼表面的距离比局部内啮合齿轮16所处位置与机翼表面的距离更近；所述的活塞驱动式连杆11有效转动部分(与驱动基座12a内槽接触的转动圆柱)高度小于驱动基座12a两柄内槽之间的距离。

整个机翼面与翅膀机身连接基体所成斜度范围为45°-150°(从移动式叶片“开”到“合”的过程中)。

活塞驱动式连杆11中活塞单次运动的最远位置的运动与驱动基座12a单次运动到固定式次级叶片5b左端的最远位置的运动相同步。

本发明详细运动流程：

1、在机翼初始状态时，如图1所示，活塞驱动式连杆处于最长拉伸位置(此时连杆与机身成120°-150°)，整个飞羽叶片组构成了封闭机翼平面，局部外啮合齿轮、局部内啮合齿轮、外啮合小齿轮之间啮合的初始位置如图3所示。

2、机翼上扑过程：

一方面：位于机翼上扑面的风力驱动式扇叶组在机翼上扑面所遇到空气阻力的作用下沿逆时针(从机翼上扑面俯视)方向转动，并带动外啮合小齿轮沿顺时针(从机翼下扑面俯视)方向转动。根据齿轮啮合传动规律，外啮合小齿轮带动局部外啮合齿轮和局部内啮合齿轮传动，再由局部外啮合齿轮和局部内啮合齿轮分别带动传动连杆ii和传动连杆i传动。

另一方面：活塞驱动式连杆在机翼压力作用下逐渐压缩，当处于最短压缩位置时(此时连杆与机身成45°-60°)，活塞驱动式连杆开始驱动基座12a，固定在基座12a下方的移动式次级飞羽叶片组沿着次级飞羽滑槽向外啮合小齿轮方向滑动；在滑动的过程中，固定在移动式次级飞羽叶片组下方的传动连杆i带动局部内啮合齿轮传动，之后局部内啮合齿轮、外啮合小齿轮和局部外啮合齿轮作啮合运动，与局部外啮合齿轮固连的传动连杆ii也沿着外啮合小齿轮方向传动。

在上述两个方面的作用下，移动式初级飞羽叶片组在传动连杆ii的带动下做叶片张开运动，移动式次级飞羽叶片组在传动连杆i和驱动基座的带动下做叶片张开运动。上述移动式飞羽叶片运动方向均沿着外啮合小齿轮方向。

3、如图4所示，当机翼上扑到最高点时，驱动基座12a已经到达固定式次级飞羽叶片5b左边缘(未接触)，此时移动式叶片已经完全打开，与机身所成角度为45°-60°，局部外啮合齿轮、局部内啮合齿轮、外啮合小齿轮之间啮合位置如图6所示。

4、机翼下扑过程：

活塞驱动式连杆在机翼带动下逐渐拉伸，当处于最长拉伸位置时，活塞驱动式连杆开始带动驱动基座朝翅基方向运动，同时驱动基座带动移动式次级叶片飞羽组沿着机体方向运动，与移动式次级飞羽叶片组相连的传动连杆i通过带动局部内啮合齿轮朝着机体方向运动；局部内啮合齿轮通过外啮合小齿轮带动局部外啮合齿轮朝着机体方向运动，局部外啮合齿轮通过传动连杆ii带动移动式初级飞羽叶片组朝着机体方向运动；在机翼面与机体侧剖面成大约90^o方向时，移动式叶片组与固定式叶片组构成了一个封闭的机翼平面。机翼继续向下扑动至机翼初始状态。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。