一种可实现协同运动的扑翼结构及飞行器的制作方法

本发明涉及仿鸟扑翼飞行器机械结构领域，特别是涉及一种可实现协同运动的扑翼结构及飞行器。

背景技术：

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：飞鸟在正常平飞时，其翅膀有四种基本的运动方式——扑动、扭转、挥摆、折叠。其中扑动是绕与飞行方向相同的拍打轴的角度运动；扭转是绕翅膀中线的角度运动,它可以倾斜翅膀以改变其迎角大小；挥摆是绕与机身垂直轴的角度运动,此时翅膀平行于机身作前后挥动；折叠是翅膀沿翼展方向的伸展与弯曲。对于小型飞鸟，翅膀的扭转与挥摆角度相对较大，此时因翅膀扭转而产生的升力对总升力有较大的贡献，而折叠过程不明显。

仿鸟扑翼飞行器是利用柔性扑翼机构就能同时产生升力和推力的飞行器。仿鸟扑翼飞行器的扑翼结构按照机翼结构可分为单段式扑翼结构和多段式扑翼结构，当前国内外研制的扑翼飞行器多为单段式扑翼飞行器，其实现飞行主要依靠机翼刚性主翼梁带动机翼上下扑动和弦向扭转作用，但不能实现前后挥摆动作，并且弦向扭转主要通过舵机控制机翼肋扭转，其存在扑翼系统结构复杂、稳定性和抗干扰能力差、安装舵机额外增加机翼重量，以及机翼弦向扭转动作与机翼上下扑动动作不能协同运动的局限性。

此外，现有仿鸟扑翼飞行器传动结构中通常采用一字型传动部件，一字型传动部件通常设置于机翼主翼梁的一侧，且一字型传动部件与机翼主翼梁的接合作用点数量为单个，该接合点可被视作一字型传动部件施加在机翼主翼梁上的力矩作用点，进而容易造成机翼主翼梁一侧遭遇弯曲、拉伸、挤压和扭转等不同性质的变形与破坏。如图14所示，一字型传动摇杆对机翼主梁左侧有向上的剪力v，该处的剪力为正值，同时也对机翼主翼梁左侧有顺时针的弯矩m，该处的弯矩m为正值，容易造成图15所示的剪切变形和弯曲变形。其次，由于一字型传动部件与曲柄、机翼主翼梁的连接通常均为球面副，则一字型传动部件在球面副球面结合下，容易出现冗余转动自由度问题，进一步地，如图13所示，平行于机身主架上表面的不定向转动自由度(见附图13中的椭圆圈，其中三个小箭头代表旋转方向为不定向)，会导致扑翼飞行器传动摇杆传动过程出现因冗余转动自由度而造成的转动方向不确定性。

因此，为了解决上述问题，亟需对仿鸟扑翼飞行器的单段式扑翼结构进行新的研究设计。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种可实现协同运动的扑翼结构及飞行器，该扑翼结构以小型飞鸟为仿生对象，采用铰链四杆机构的演化形式“单曲柄三摇杆机构”设计方案，使得仿鸟扑翼飞行器以更加高效简单的机械结构实现扑翼结构的“扑动－挥摆－扭转”协同运动。如背景技术部分所述，小型飞鸟折叠过程不明显，因此本发明所提出的扑翼结构不考虑机翼的折叠过程。

一种可实现协同运动的扑翼结构的具体方案如下：

一种可实现协同运动的扑翼结构，包括

驱动轮；

第一传动摇杆，一端呈v型设置，另一端与驱动轮连接，第一传动摇杆v型端部的两侧与第一滑动轴承连接，第一滑动轴承套设于机翼主翼梁；

翼肋，翼肋与机翼主翼梁旋转接合；

第二传动摇杆，一端呈v型设置，另一端通过曲柄与驱动轮连接，第二传动摇杆v型端部的两侧与第二滑动轴承连接，第二滑动轴承套设于翼肋；

驱动轮带动第一传动摇杆摆动，第一传动摇杆带动机翼主翼梁上下扑动，驱动轮带动曲柄作整周回转运动，进而带动第二传动摇杆摆动，在机翼主翼梁与第二传动摇杆带动下，翼肋绕机翼主翼梁旋转。

该扑翼结构将两传动摇杆一端设置成v型，这样传动摇杆整体近似为y型结构，传动摇杆分别从传动摇杆v型端部两侧对机翼主翼梁施加作用力，这样机翼主翼梁两侧受力稳定、均匀，进而降低对机翼主翼梁的损伤，延长机翼主翼梁的使用寿命；此外，以第一传动摇杆为主要传动部件的设置主要实现飞鸟翅膀的上下扑动运动模式，以第二传动摇杆、翼肋为主要传动部件的设置主要实现飞鸟翅膀的扭转运动模式。

进一步地，所述第一传动摇杆通过球面副与所述的驱动轮连接，且该球面副与曲柄一端连接，曲柄另一端与第二传动摇杆通过另一球面副连接。

进一步地，所述第一传动摇杆与驱动轮连接的端部设置第一球面轴承；第一传动摇杆v型端部的两侧各设置第二球面轴承；

或者，所述第二传动摇杆与曲柄连接的端部设置第三球面轴承；第二传动摇杆v型端部的两侧各设置第四球面轴承。

进一步地，所述第一球面轴承、第二球面轴承、第三球面轴承和第四球面轴承内均设置滚动球，分别形成第一球面副、第二球面副、第三球面副和第四球面副结构，滚动球通过固定轴与驱动轮或第一滑动轴承或第二滑动轴承连接；滑动轴承内圈至外圈的厚度大小为滑动轴承内圈直径大小的1/3-2/3，可增强轴承刚度，为滑动轴承与传动摇杆的固定连接留有装配余量；

或者，固定轴直径大小为滚动球直径大小的1/5-2/5，以保证固定轴与滚动球固定连接留有装配余量，使得球面轴承绕滚动球转动时避免受到固定轴径向直径的影响，增大球面轴承绕滚动球转动的大范围转动面；

或者，第一传动摇杆与第二传动摇杆的v型端部两侧两个滚动球的球心距离与第二传动摇杆v型端部两侧每一梢头长度相同。

进一步地，为了保证对第二传动摇杆的控制，所述曲柄为z型曲柄，该曲柄两侧各设置一滚动球，以实现与第一球面轴承或者第三球面轴承的连接。

进一步地，所述设置在第一传动摇杆一端的第一球面轴承所在面与第一传动摇杆v型端部两末梢轴线所成平面同面设置；

或者，所述设置在第二传动摇杆一端的第三球面轴承所在面与第二传动摇杆v型端部两末梢轴线所成平面异面设置；

或者，根据机翼主翼梁、滑动轴承的径向厚度确定v型端部夹角，第一传动摇杆与第二传动摇杆v型端部两侧夹角均在45°-80°之间，优选是60°，此时机翼主翼梁两侧受力均衡，v型端部与传动摇杆接合点所受到的张力大小适中。

进一步地，为了保证传动摇杆和球面轴承固定装配的强度，所述第一传动摇杆v型端部两侧的两个梢头直径大小为第二球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3-1，第一传动摇杆直径大小为第一球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3-1。

所述第二传动摇杆v型端部两侧的两个梢头直径大小为第四球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3-1，第二传动摇杆直径大小为第三球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3-1。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种仿鸟单段式扑翼飞行器，包括：机身主架；

所述的一种可实现协同运动的扑翼结构，两个所述的扑翼结构对称设于机身主架的两侧；

驱动轴，两端各设置一所述的驱动轮；

转动基座，所述的机翼主翼梁端部通过转动基座与机身主架连接，且机翼主翼梁相对于转动基座可旋转设置；

其中，所述机身主架两侧均设置一转动基座，所述的机翼主翼梁通过铰接件与转动基座旋转接合，铰接件与转动基座旋转接合，以实现铰接件在与机身主架轴线垂直的平面内运动，进而机翼主翼梁在铰接件平面内旋转摆动；

或者，转动基座呈门框型结构。

通过铰接件和机翼主翼梁的旋转接合的设置实现飞鸟翅膀前后挥摆运动模式。

进一步地，仿鸟单段式扑翼飞行器实现“扑动－挥摆－扭转”协同运动，同时无需使用舵机控制机翼肋扭转，进而克服了现有技术中扑翼系统结构复杂、稳定性和抗干扰能力差以及安装舵机额外增加机翼重量等问题。

进一步地，所述铰接件一端为圆弧端，所述机翼主翼梁端部设置凹槽以容纳铰接件的圆弧端圆周周转运动。

其中，曲柄呈z型结构，曲柄两个棱角均为90°。曲柄两个棱点在驱动轮所在面上的投影形成了两个对应点，这两个对应点分别与驱动轮面圆心连接，形成了两条长度相等的直线，这两条直线夹角优选是60°。曲柄与滚动球固连的两端距离(该距离可以形象理解为z的宽度)，和翼肋与机翼主翼梁接合点至第一滑动轴承距离相等。在上述条件下，能够避免第一、第二传动摇杆传动过程中发生相互触碰撞现象，实现第一、第二传动摇杆传动稳定流畅。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)在整个仿鸟扑翼飞行器设计中，采用“单曲柄三摇杆机构”设计方案，使得扑翼飞行器以更加高效简单的机械结构实现扑翼结构“扑动－挥摆－扭转”协同运动，无需使用舵机实现翼肋扭转，扑翼结构简单高效、稳定性和抗干扰能力强、有效减轻机翼重量。

2)通过传动摇杆代替一字型传动摇杆，改善了仿鸟扑翼飞行器主翼梁受力情况，延长了机翼主翼梁的使用寿命，增大了传动部件的刚度、强度；克服了传动摇杆在传动过程中出现的冗余转动自由度问题，传动摇杆传动过程中的运动方向得以确定。

3)通过滑动轴承的设置，与两个传动摇杆配合，有效提高承载能力、旋转精度，及耐冲击能力，减小摩擦磨损，保证驱动扑翼飞行器机翼上下扑动过程中传动更加平稳可靠。

附图说明

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

图1为本发明中的仿鸟单段式扑翼飞行器结构轴测图(初始状态，机翼平展状态)。

图2为本发明中的仿鸟单段式扑翼飞行器结构轴测图(机翼下扑至最低点)。

图3为本发明中的仿鸟单段式扑翼飞行器结构轴测图(机翼上扑至平展状态)。

图4为本发明中的仿鸟单段式扑翼飞行器结构轴测图(机翼上扑至最高点)。

图5(a)为本发明中的第一传动摇杆与球面轴承固连的轴测图。

图5(b)为本发明中的第一传动摇杆与球面轴承固连的轴测图和正视图。

图6(a)为本发明中的第二传动摇杆与球面轴承固连的轴测图。

图6(b)为本发明中的第二传动摇杆与球面轴承固连的正视图。

图7为本发明中的z型曲柄与滚动球固连的轴测图。

图8为本发明中的铰接件轴测图。

图9为本发明中的滑动轴承与滚动球固连的轴测图。

图10为本发明中的翼肋轴测图。

图11为本发明中的转动基座轴测图。

图12为本发明中转动基座与驱动轮中心轴线位置关系示意图。

图13为现有技术中一字型传动摇杆设置示意图。

图14为现有技术中一字型传动摇杆受力分析图。

图15为一字型传动摇杆受力变形示意图。

图16为本发明传动摇杆受力示意图。

图中：1-机身主架；2-转动轴；

3-驱动轮；4-z型曲柄；

5-第一传动摇杆；6-第二传动摇杆；

7a-第一滑动轴承；7b-第二滑动轴承；

8-翼肋；9-机翼主翼梁；

10-铰接件；11-转动基座；

12-第一球面副；13-第三球面副；

14-第二球面副；15-第四球面副；

16-固定轴；17-梢头；

18-第一球面轴承；19-第二球面轴承；

20-第三球面轴承；21-第四球面轴承。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可实现协同运动的扑翼结构。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，一种可实现协同运动的扑翼结构及飞行器，包括驱动轮3；第一传动摇杆5，一端呈v型设置，另一端与驱动轮3连接，第一传动摇杆5v型端部的两侧与第一滑动轴承7a连接，第一滑动轴承套设于机翼主翼梁9；翼肋8，翼肋8与机翼主翼梁9旋转接合；第二传动摇杆6，一端呈v型设置，另一端通过曲柄与驱动轮3连接，第二传动摇杆6v型端部的两侧与第二滑动轴承7b连接，第二滑动轴承7b套设于翼肋8；驱动轮3带动第一传动摇杆5摆动，第一传动摇杆5带动机翼主翼梁9运动，在机翼主翼梁9与第二传动摇杆6带动下，翼肋8绕机翼主翼梁9旋转。

该扑翼结构将两传动摇杆一端设置成v型，这样传动摇杆整体近似为y型结构，传动摇杆分别从传动摇杆v型端部两侧对机翼主翼梁9、翼肋8施加作用力，这样机翼主翼梁两侧受力稳定、均匀，进而降低对机翼主翼梁的损伤，延长机翼主翼梁的使用寿命；此外，以第一传动摇杆5为主要传动部件的设置主要实现飞鸟翅膀的上下扑动运动模式，以第二传动摇杆6、翼肋8为主要传动部件的设置主要实现飞鸟翅膀的扭转运动模式。

所述第一传动摇杆5通过第一球面副12与所述的驱动轮3连接，所述曲柄为z型曲柄4，该曲柄两侧各设置一滚动球，这样在z型曲柄4与第一球面轴承或者第三球面轴承分别配合形成第一球面副12与第三球面副13，如图7所示。

所述第一传动摇杆5与驱动轮3连接的端部设置第一球面轴承18；第一传动摇杆5的v型端部两侧各设置第二球面轴承19，第二球面轴承19与滚动球配合形成第二球面副14；所述第二传动摇杆6与曲柄连接的端部设置第三球面轴承10；第二传动摇杆6的v型端部两侧各设置第四球面轴承21，第四球面轴承21与滚动球配合形成第四球面副15。

滚动球通过固定轴16与驱动轮3或第一滑动轴承7a或第二滑动轴承7b连接；两个滑动轴承内圈至外圈的厚度大小为相应滑动轴承内圈直径大小的1/3-2/3，可增强轴承刚度，为滑动轴承与传动摇杆的固定连接留有装配余量。如图9所示，两个滑动轴承的两侧分别设置一滚动球。

固定轴直径大小为滚动球直径大小的1/5-2/5，以保证固定轴16与滚动球固定连接留有装配余量，使得球面轴承绕滚动球转动时避免受到固定轴径向直径的影响，增大球面轴承绕滚动球转动的大范围转动面；第二传动摇杆6的v型端部两侧两个滚动球的球心距离与第二传动摇杆6的v型端部两侧每一梢头长度相同，同样，第一传动摇杆5的v型端部两侧两个滚动球的球心距离与第一传动摇杆5的v型端部两侧每一梢头长度相同，这样就可以约束第一滑动轴承7a、第二滑动轴承7b的径向宽度和固定轴的长度。

设置在第一传动摇杆5一端的第一球面轴承所在面与第一传动摇杆5的v型端部两侧所成面同面设置，如图5(a)和图5(b)所示；设置在第二传动摇杆6一端的第三球面轴承所在面与第二传动摇杆6的v型端部两侧所成平面异面设置，所成角度为90°，如图6(a)和图6(b)所示；

根据机翼主翼梁9、滑动轴承的径向厚度确定v型端部夹角，第一传动摇杆5与第二传动摇杆6v型端部两侧夹角均在45°-80°之间，优选是60°，此时机翼主翼梁两侧受力均衡，v型端部与传动摇杆接合点所受到的张力大小适中。

为了保证传动摇杆和球面轴承固定装配的强度，所述第一传动摇杆v型端部两侧的两个梢头17直径大小为第二球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3，第一传动摇杆5直径大小为第一球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3；第二传动摇杆v型端部两侧的两个梢头直径大小为第四球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3，第二传动摇杆直径大小为第三球面轴承外球面轮廓厚度大小的2/3。

此外，转动基座(门框型)中线(图12中虚线所示)，与驱动轮中心轴线成异面直线关系，且沿扑翼飞行器飞行方向，驱动轮3中心轴线相对于转动基座11中线滞后，滞后距离在驱动轮面上的投影距离与驱动轮面圆心至滚动球的距离基本相等。

如图16所示，传动摇杆v型端一端头对主翼梁左侧有向上的正剪力v1，v型端另一端头对主翼梁右侧有向下的负剪力v2，两剪力大小相同，对机翼主翼梁承载均匀效果明显，在传动摇杆端部三角结构下无冗余转动自由度。

实施例2

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种仿鸟单段式扑翼飞行器，如图1-图4所示，该飞行器包括：机身主架1；实施例1所述的一种可实现协同运动的扑翼结构，两个所述的扑翼结构对称设于机身主架1的两侧；驱动轴2，两端各设置一所述的驱动轮3，驱动轮3可以是主动驱动轮或者被动驱动轮；转动基座11，所述的机翼主翼梁8端部通过转动基座11与机身主架1连接，且机翼主翼梁8相对于转动基座11可旋转设置。

其中，所述机身主架1两侧均设置一转动基座11，所述的机翼主翼梁9通过铰接件与转动基座11旋转接合，铰接件10与转动基座11旋转接合，以实现铰接件10绕机身主架1上下旋转扑动，使机翼主翼梁9可绕铰接件10前后旋转摆动；

如图11所示，转动基座11呈门框型结构，两个转动基座11对称设于机身主架1的两侧，转动基座11上下两面中空设置。

机翼主翼梁通过绕着铰接件10前后旋转摆动的过程间接实现机翼主翼梁相对于转动基座的前后挥摆运动，进而整个仿鸟扑翼飞行器实现“扑动－挥摆－扭转”协同运动，进而扑翼系统结构复杂、不稳定、抗干扰能力差及额外增加机翼重量等问题得以避免。

如图8所示，所述铰接件为长条状，一端为圆弧端，所述机翼主翼梁端部设置凹槽以容纳铰接件的圆弧端作圆周周转运动，且为了对铰接件旋转进行限制，铰接件10圆弧端尺寸大于铰接件本身宽度。

在仿鸟单段式扑翼飞行器机翼初始状态时，机翼主翼梁9扑动角(上扑为正，下扑为负)为0°，机翼主翼梁9挥摆角(绕与机身垂直轴的角度运动，向前挥摆为正，向后挥摆为负)近似为15°，第一传动摇杆5与驱动轮3的接合点与其所在的驱动轮3面圆心所连直线角度(相对于机身主架)近似为0°(即驱动轮驱动角度为0°)，翼肋8扭转角(绕机翼主翼梁9的角度，向下扭转为正，向上扭转为负)近似为0°。

在仿鸟单段式扑翼飞行器下扑过程中，驱动轮3绕转动轴2转动，驱动轮3通过第一球面副带动第一传动摇杆5下移，第一传动摇杆5通过第二球面副和第一滑动轴承带动机翼主翼梁9借助于铰接件10绕转动基座11向下扑动，机翼主翼梁9也实现了绕铰接件10向前摆动的动作，与此同时，驱动轮3通过z型曲柄4和第三球面副带动第二传动摇杆6下移，第二传动摇杆6通过第四球面副和第二滑动轴承带动翼肋绕机翼主翼梁9向上扭转。当驱动轮3朝着驱动轮面最低点方向转动至90°时，扑翼飞行器机翼下扑至最低点，此时机翼主翼梁扑动角度为-31.68°，机翼主翼梁挥摆角为-3.75°，翼肋扭转角为-16.64°。

在仿鸟单段式扑翼飞行器上扑过程中，驱动轮3从驱动轮面最低点沿之前转动方向绕转动轴2转动，驱动轮3通过第一球面副带动第一传动摇杆5上移，第一传动摇杆5通过第二球面副和第一滑动轴承带动机翼主翼梁9借助于铰接件10绕转动基座11向上扑动，机翼主翼梁9也实现了绕铰接件10向后摆动的动作，与此同时，驱动轮3通过z型曲柄4和第三球面副带动第二传动摇杆6上移，第二传动摇杆6通过第四球面副和第二滑动轴承带动翼肋绕机翼主翼梁9向下扭转。当驱动轮3转动至90°时，为扑翼飞行器机翼由最低点上扑至最高点的过程之一，此时机翼主翼梁扑动角度为-12°，机翼主翼梁挥摆角近似为-8°，翼肋扭转角为33.82°。驱动轮继续转动90°，扑翼飞行器已上扑至最高点，此时机翼主翼梁扑动角度为18.10°，机翼主翼梁挥摆角为0.65°，翼肋扭转角为42.15°。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。