基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构的制作方法

本发明属于扑翼飞行器驱动机构设计技术领域，具体涉及一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，具有体积小、重量轻、机动灵活、效率高等优势。由于扑翼飞行器的升力、推力均由扑翼的扑动运动提供，因此，驱动扑翼使扑翼飞行器获得良好的气动效率，同时具备较高的可靠性和良好的载荷特性就成为了微型扑翼飞行器研制过程中的关键环节。

目前的扑翼驱动机构主要有以下几种技术途径：

中国专利授权公告号cn201354146y，名称为机械鸟的扑动机构的实用新型专利公开了一种模拟飞鸟展翅飞行的具有三自由度的扑动装置。该装置采用三个电机分别驱动曲柄摇杆机构、齿轮齿环机构和齿轮组实现了模仿飞鸟展翅飞行的拍打、扭转和摆动的三自由度运动。其不足之处是：整个机构由三个独立的电机控制，给飞行器带来了多余的废重，且三个独立系统在控制中成串联关系，可靠性较低，机构的组成比较复杂，难以轻量化和小型化，在微型扑翼飞行器上应用受限。

中国专利授权公告号cn101508343a，名称为扑翼轨迹呈8字形的仿生微型飞行器的发明专利给出了一种单自由度四连杆拍翼驱动机构，通过两级齿轮减速器驱动曲柄连杆机构带动拍翼上下拍动，并借由拍翼的弹性变形能力和特定的扑动频率产生的气动特性实现拍翼轨迹呈8字形的拍动。其不足之处是：利用弹性形变在特定频率下才能产生需要的运动模式，缺乏灵活性，对气流变化的适应性不足，对于频率变化的响应难以预测。

综上所述，现有扑翼驱动机构主要问题在于：结构复杂、重量大，难以应用与微小型扑翼飞行器，对鸟类扑动方式模仿程度不够，扑动方式的实现缺乏有效手段等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，包括机架(1)、扑动驱动机构(2)和变幅扫掠伺服机构(3)；

所述机架(1)的左右两侧对称安装左扑动翼(4)和右扑动翼(5)；所述扑动驱动机构(2)包括扑动电机以及同时与所述扑动电机的输出轴联动的并且对称设置的左扑动驱动单元和右扑动驱动单元；所述左扑动驱动单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右扑动驱动单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；所述扑动电机同时驱动所述左扑动驱动单元和右扑动驱动单元动作，进而带动所述左扑动翼(4)和所述右扑动翼(5)同时进行扑动动作；

其中，所述左扑动驱动单元和所述右扑动驱动单元的结构相同，均包括：齿轮减速器、圆锥套筒摇臂(2.4)和十字扑动轴(2.5)；齿轮减速器安装于所述机架(1)上，所述齿轮减速器直接与所述扑动电机连接；所述十字扑动轴(2.5)包括呈十字形交叉设置的扑动长轴(2.5.1)和扑动短轴(2.5.2)；所述圆锥套筒摇臂(2.4)为长度可自适应调节的摇臂；所述圆锥套筒摇臂(2.4)的一端与所述齿轮减速器的末级齿轮的偏心轴孔铰接，所述圆锥套筒摇臂(2.4)的另一端具有上下两个夹头，上下夹头各与所述扑动短轴(2.5.2)的上下两端铰接；同时，所述扑动短轴(2.5.2)的两端与扑动翼的翼根铰接，作为扑动翼扑动的扑动轴；当所述扑动电机带动所述齿轮减速器旋转时，旋转运动使圆锥套筒摇臂(2.4)在空间中的轨迹形成一个圆锥面，其中，圆锥面的锥顶角为扑动短轴(2.5.2)所在位置，并将旋转运动转换为扑动短轴(2.5.2)的上下扑动运动；当所述扑动短轴(2.5.2)做上下扑动运动时，带动扑动翼进行上下扑动运动；

所述变幅扫掠伺服机构(3)包括对称安装于所述机架(1)左右两侧的左变幅扫掠伺服单元和右变幅扫掠伺服单元；在所述机架(1)的中部安装前变幅扫掠伺服电机和后变幅扫掠伺服电机；所述左变幅扫掠伺服单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右变幅扫掠伺服单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；其中，所述左变幅扫掠伺服单元和所述右变幅扫掠伺服单元均包括对称安装于所述扑动长轴(2.5.1)的前后两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)和后变幅扫掠伺服装置(3.2)；

前变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的前端距离所述机架(1)的距离；后变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的后变幅扫掠伺服装置(3.2)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的后端距离所述机架(1)的距离；

当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向远离机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2.4)运动轨迹的锥顶角变小，机翼的扑动幅度变小；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向靠近机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2.4)运动轨迹的锥顶角变大，机翼的扑动幅度变大；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端被作用于相反方向的作用力时，即前后机构差动控制，此时所述十字扑动轴(2.5)沿水平面发生旋转，不再与机身体轴线平行，此时扑动翼的掠角发生变化，从而实现对扑动翼的扫掠控制。

优选的，所述齿轮减速器采用两级平行齿轮减速机构，包括齿轮架(2.1)、初级齿轮(2.2)和二级齿轮(2.3)；所述齿轮架(2.1)安装于所述机架(1)上，在所述齿轮架(2.1)上安装相互啮合的所述初级齿轮(2.2)和所述二级齿轮(2.3)；所述初级齿轮(2.2)直接与所述扑动电机连接；所述二级齿轮(2.3)的偏心轴孔与所述圆锥套筒摇臂(2.4)的一端铰接。

优选的，所述两级平行齿轮减速机构的减速比为19-30。

优选的，还包括滑翔锁(6)；所述滑翔锁(6)用于卡住或释放所述二级齿轮(2.3)。

优选的，所述圆锥套筒摇臂(2.4)包括底座(2.4.1)、光轴(2.4.2)和y形夹头(2.4.3)；所述光轴(2.4.2)的一端伸入所述底座(2.4.1)的内部，所述光轴(2.4.2)的另一端伸入到所述y形夹头(2.4.3)的内部，使所述y形夹头(2.4.3)可相对于所述底座(2.4.1)伸长或缩短；所述底座(2.4.1)的尾端与所述二级齿轮(2.3)的偏心轴孔铰接，所述y形夹头(2.4.3)的上下夹头各与所述扑动短轴(2.6.2)的上下两端铰接。

优选的，所述前变幅扫掠伺服装置(3.1)和所述后变幅扫掠伺服装置(3.2)均包括：连杆板(3a)、摇臂板(3b)、滑块导轨槽(3c)、丝杠滑块(3d)和扑动轴承(3e)；

所述滑块导轨槽(3c)固定安装于所述机架(1)上面；所述丝杠滑块(3d)设置于所述滑块导轨槽(3c)中，且与对应的变幅扫掠伺服电机连接，通过变幅扫掠伺服电机驱动所述丝杠滑块(3d)沿所述滑块导轨槽(3c)进行前后方向的直线运动；

所述连杆板(3a)的顶部通过所述摇臂板(3b)与所述滑块导轨槽(3c)铰接；所述连杆板(3a)的一侧与所述丝杠滑块(3d)铰接，所述丝杠滑块(3d)的另一侧与固定于所述扑动长轴(2.5.1)上的所述扑动轴承(3e)铰接；当所述丝杠滑块(3d)进行前后方向的直线运动时，带动所述扑动轴承(3e)进行左右方向的直线运动，进而带动扑动长轴(2.5.1)的一端进行左右方向的直线运动，也即远离或靠近机身的运动。

本发明提供的基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构具有以下优点：

本发明提供一种基于十字轴铰链与圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，能以较为简单的结构实现扫掠、变幅、扑动等鸟类具有的复杂运动，且具有较高的结构效率和较大的输出功率，可靠性高，使用寿命长，适合在微型扑翼飞行器中应用。

附图说明

图1为本发明提供的三维扑动扑翼驱动机构与扑动翼组装后的整体结构图；

图2为本发明提供的三维扑动扑翼驱动机构的整体结构图；

图3为本发明提供的扑动驱动机构的结构图；

图4为本发明提供的圆锥套筒摇臂的剖面图；

图5为本发明提供的变幅扫掠伺服机构的结构图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了克服现有技术中的扑翼驱动机构结构复杂、重量大、可靠性差、使用寿命短，从而难以运用于小型扑翼飞行器的问题，本发明提供一种基于十字轴铰链与圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，能以较为简单的结构实现扫掠、变幅、扑动等鸟类具有的复杂运动，且具有较高的结构效率和较大的输出功率，可靠性高，使用寿命长，适合在微型扑翼飞行器中应用。

具体的，本发明提供的一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，参考图2，包括机架1、扑动驱动机构2和变幅扫掠伺服机构3。

机架为碳纤维复合板材和铝合金整体铣出的桁架结构，由碳纤维复合板材切割制成，其上设有电机安装孔，减速齿轮轴孔等。机架与扑动驱动机构2和变幅扫掠伺服机构3以螺栓固接，通过扑动驱动机构2，实现机翼的扑动运动；通过变幅扫掠伺服机构，实现扑动幅度的调节，以及实现扫掠运动。下面对扑动驱动机构2和变幅扫掠伺服机构3分别详细介绍：

(一)扑动驱动机构

参考图1，机架1的左右两侧对称安装左扑动翼4和右扑动翼5；本申请对扑动翼的具体结构形式并不限制，图1仅为一种举例。扑动驱动机构2包括扑动电机以及同时与扑动电机的输出轴联动的并且对称设置的左扑动驱动单元和右扑动驱动单元；左扑动驱动单元的输出端与左扑动翼4连接，右扑动驱动单元的输出端与右扑动翼5连接；扑动电机同时驱动左扑动驱动单元和右扑动驱动单元动作，进而带动左扑动翼4和右扑动翼5同时进行扑动动作；其中，扑动电机可采用直流无刷电机，例如，使用kv值为900-1400的无刷电机。

左扑动驱动单元和右扑动驱动单元的结构相同，均包括：齿轮减速器、圆锥套筒摇臂2.4和十字扑动轴2.5；齿轮减速器安装于机架1上，齿轮减速器直接与扑动电机连接；十字扑动轴2.5包括呈十字形交叉设置的扑动长轴2.5.1和扑动短轴2.5.2；圆锥套筒摇臂2.4为长度可自适应调节的摇臂；圆锥套筒摇臂2.4的一端与齿轮减速器的末级齿轮的偏心轴孔铰接，圆锥套筒摇臂2.4的另一端具有上下两个夹头，上下夹头各与扑动短轴2.5.2的上下两端铰接；同时，扑动短轴2.5.2的两端与扑动翼的翼根铰接，作为扑动翼扑动的扑动轴；当扑动电机带动齿轮减速器旋转时，旋转运动使圆锥套筒摇臂2.4在空间中的轨迹形成一个圆锥面，其中，圆锥面的锥顶角为扑动短轴2.5.2所在位置，并将旋转运动转换为扑动短轴2.5.2的上下扑动运动；当扑动短轴2.5.2做上下扑动运动时，带动扑动翼进行上下扑动运动；

在具体实现上，齿轮减速器采用两级平行齿轮减速机构，扑动电机通过两级平行齿轮减速机构减速以增大扭矩，具体的，两级平行齿轮减速机构减速比为19-30。

参考图3，两级平行齿轮减速机构包括齿轮架2.1、初级齿轮2.2和二级齿轮2.3，为铝合金材质；齿轮架2.1安装于机架1上，在齿轮架2.1上安装相互啮合的初级齿轮2.2和二级齿轮2.3；初级齿轮2.2直接与扑动电机连接；二级齿轮2.3的偏心轴孔与圆锥套筒摇臂2.4的一端铰接。

还包括滑翔锁6；滑翔锁6用于卡住或释放二级齿轮2.3。滑翔锁为一个位于末级齿轮特定位置的单向机构，适时切断动力后可令机构锁止于该位置。作用为：滑翔锁能保证机翼在水平位置时与之轮上的特定位点卡住，使机翼锁定于此，进入滑翔状态。

由于本发明中，十字扑动轴的扑动长轴作为扑动轴位于机架的左右两侧，其与机身的相对位置可受变幅扫掠伺服机构控制；十字扑动轴的扑动短轴与套筒摇臂铰接，套筒摇臂又与减速机构末级齿轮上的偏心轴孔连接。因此，为辅助实现十字扑动轴与机身的相对位置可调，需要将套筒摇臂设计为长度可自适应调节的摇臂。

因此，参考图4，套筒摇臂5可设计为以下结构：圆锥套筒摇臂2.4包括底座2.4.1、光轴2.4.2和y形夹头2.4.3；光轴2.4.2的一端伸入底座2.4.1的内部，光轴2.4.2的另一端伸入到y形夹头2.4.3的内部，使y形夹头2.4.3可相对于底座2.4.1伸长或缩短；底座2.4.1的尾端与二级齿轮2.3的偏心轴孔铰接，y形夹头2.4.3的上下夹头各与扑动短轴2.6.2的上下两端铰接。

圆锥套筒摇臂的光轴端与齿轮的连接方式可以为单自由度的普通铰链，也可以是两自由度的万向节。

可见，套筒摇臂与铰接在二级齿轮上的摇臂光轴构成转动-滑动副，因而整个套筒摇臂的长度是可变的。当十字扑动轴的旋转点位置相对于机身的垂直距离发生变化时，套筒摇臂会自适应伸长或缩短，从而使套筒摇臂的圆锥轨迹的锥顶角大小发生改变，从而使扑动幅度发生改变。

(二)变幅扫掠伺服机构

变幅扫掠伺服机构3包括对称安装于机架1左右两侧的左变幅扫掠伺服单元和右变幅扫掠伺服单元；在机架1的中部安装前变幅扫掠伺服电机和后变幅扫掠伺服电机；左变幅扫掠伺服单元的输出端与左扑动翼4连接，右变幅扫掠伺服单元的输出端与右扑动翼5连接。

对于左变幅扫掠伺服单元和右变幅扫掠伺服单元，均为受丝杠伺服电机驱动的双滑块机构。伺服电机通过丝杠传动，调整机构输出端相对于机身的位置。机构输出端约束着十字扑动轴的扑动长轴，即该变幅扫掠伺服机构用于控制扑动长轴相对于机身的位置。

具体的，参考图5，左变幅扫掠伺服单元和右变幅扫掠伺服单元均包括对称安装于扑动长轴2.5.1的前后两侧的前变幅扫掠伺服装置3.1和后变幅扫掠伺服装置3.2；前变幅扫掠伺服装置3.1和后变幅扫掠伺服装置3.2即组成双滑块机构。由于前变幅扫掠伺服装置3.1和后变幅扫掠伺服装置3.2各被一个独立的变幅扫掠伺服电机驱动，因此，可独立对前变幅扫掠伺服装置3.1和后变幅扫掠伺服装置3.2进行调节控制。

前变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的前变幅扫掠伺服装置3.1动作，进而改变十字扑动轴2.5的前端距离机架1的距离；后变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的后变幅扫掠伺服装置3.2动作，进而改变十字扑动轴2.5的后端距离机架1的距离；

其中，前变幅扫掠伺服装置3.1和后变幅扫掠伺服装置3.2均包括：连杆板3a、摇臂板3b、滑块导轨槽3c、丝杠滑块3d和扑动轴承3e，均为铝合金材质，连杆板3a与摇臂板3b所代表的连杆与摇臂的长度比例为2：1。

滑块导轨槽3c固定安装于机架1上面；丝杠滑块3d设置于滑块导轨槽3c中，且与对应的变幅扫掠伺服电机连接，通过变幅扫掠伺服电机驱动丝杠滑块3d沿滑块导轨槽3c进行前后方向的直线运动；

连杆板3a的顶部通过摇臂板3b与滑块导轨槽3c铰接；连杆板3a的一侧与丝杠滑块3d铰接，丝杠滑块3d的另一侧与固定于扑动长轴2.5.1上的扑动轴承3e铰接；当丝杠滑块3d进行前后方向的直线运动时，带动扑动轴承3e进行左右方向的直线运动，进而带动扑动长轴2.5.1的一端进行左右方向的直线运动，也即远离或靠近机身的运动。

因此，当十字扑动轴2.5的前后两端同时向远离机架1方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂2.4运动轨迹的锥顶角变小，机翼的扑动幅度变小；当十字扑动轴2.5的前后两端同时向靠近机架1方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂2.4运动轨迹的锥顶角变大，机翼的扑动幅度变大；当十字扑动轴2.5的前后两端被作用于相反方向的作用力时，即前后机构差动控制，此时十字扑动轴2.5沿水平面发生旋转，不再与机身体轴线平行，此时扑动翼的掠角发生变化，从而实现对扑动翼的扫掠控制。

本发明中，变幅扫掠伺服机构对扑动幅度的控制范围为60°～90°，对扫掠幅度的控制范围为-10°～+10°。

本发明提供的基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构具有以下设计特点：

(1)由于使用了圆锥套筒摇臂与十字轴铰链的驱动机构，因此，将齿轮的旋转动力转换为扑动运动；又通过设计变幅扫掠伺服机构，实现了扑动幅度和扫掠幅度的调节，从而实现扑动的幅度、扫掠等参数的有效控制。该机构通过以上方式即可实现对扑翼多自由度多变量的控制，功能完善而结构简单，重量轻，有良好的使用寿命与可维护性。

(2)本发明中的两级齿轮减速机构，末级使用模数较大的齿轮，能有效承受扑翼传递的载荷。末级齿轮适当位置安装有滑翔锁，可在适时时切断动力，从而在该位置锁止，从而实现扑翼的滑翔功能。

(3)本发明能以较为简单的结构实现模仿鸟类的复杂扑动运动，具有结构简单，重量轻，可靠性高，使用寿命长等优势，适用于在微型扑翼飞行器上应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。