一种共轴反向双扑旋翼机构的制作方法

本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体是指一种共轴反向双扑旋翼机构。

背景技术：

飞行器的微型化是当前世界航空领域研究的重要方向，现今微型飞行器根据不同的飞行方式被划分为：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器、微型扑翼飞行器。这其中，微型旋翼飞行器方面的研究最为丰富，其相较于固定翼飞行器，最大的优点是可以在较小的空间内完成垂直起降和悬停，比较适合于较复杂的环境中使用。但现有的微型旋翼飞行器都需要电机或油机驱动旋翼主动旋转，需要使用尾桨或增加旋翼数量来抵消单个旋翼对机体产生的扭力，导致结构复杂、质量大且气动效率低。微型扑翼飞行器则是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，能够在低雷诺数下产生相对较大的升力，是较为理想的微型飞行器构型，但是其运动形式较为复杂、微小零件的加工难度较大，且难以进行控制。

在此背景下，一种结合了扑翼和旋翼的新概念飞行器，微型扑旋翼飞行器，进入了人们的视野。微型扑旋翼飞行器通过一定的驱动形式使几片旋向安装的机翼扑动，扑动产生推力让机翼旋转，飞行器所需的升力由机翼的扑动和旋转运动共同提供。由于机翼旋转运动由反对称安装的机翼的扑动运动产生的推力提供，没有常规旋翼的扭矩输出，所以不需要额外的尾桨即额外的能量消耗来抵消旋转力矩。微型扑旋翼飞行器具有垂直起降、悬停以及低速飞行的能力，具有良好的应用前景。

目前存在的扑旋翼，如：公布号为cn105539839a的中国专利申请在2015年12月30日公开了一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，该文献提出的扑旋翼飞行器的形式，存在着电机动力未充分利用、空间利用率低和升力偏小等问题。而且对于微型扑旋翼飞行器来说，尽可能的充分发挥动力装置的效能，有利于飞行器的微型化。而产生升力与自身重力比例越大，越有利于飞行。

技术实现要素：

本发明针对目前微型扑旋翼飞行器电机动力未充分利用、空间利用率低及升力偏小等问题，提供了一种共轴反向双扑旋翼机构。本发明采用叠加与反向布置扑旋翼翼面的方式，将电机动力充分利用到两组翼面上，进而增加了升力。同时，本发明结构紧凑简洁，空间利用率较高，更加有利于扑旋翼飞行器微型化的实现。

本发明提出的一种共轴反向双扑旋翼机构，主要包括机翼和传动机构。所述机翼有两组，每组三片，两组机翼采用共轴反向布置方式。所述机翼对应安装在机翼安装架上；所述传动机构包括套筒、内杆、机翼安装架和机翼连杆；所述机翼安装架和机翼连杆有两组。传动机构的套筒固连于电机本体，内杆与电机输出端连接，电机启动后，套筒和内杆之间进行往复运动，机翼扑动，实现飞行操控。

所述套筒包括上部、中部和下部三段，上段和下段的横截面为圆环形；中间段为三个辐条，每个辐条的截面为梯形，也称滑槽段，将上下两段连接，套筒为一体成型结构。

所述内杆位于套筒内，内杆长度大于套筒长度，内杆两端伸出。所述内杆中间段设置有三个滑块，也称下部内杆轴承托；下部内杆轴承托用于连接下部内杆轴承，并与套筒中间段的滑槽段配合实现滑动。

所述内杆顶端连接第一组的三个机翼安装架，套筒顶端连接第一组的三个机翼连杆，所述第一组的三个机翼安装架与三个机翼连杆对应铰接。所述内杆的中间段的三个滑块上连接第二组的三个机翼安装架，套筒的底端连接第二组的三个机翼连杆，所述第二组的三个机翼安装架和三个机翼连杆对应铰接。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明实现了扑旋翼飞行器的扑旋翼结构的同轴反向叠加；

(2)本发明设计了一种共轴反向双扑旋翼机构，机构整体结构紧凑、简洁，较之一般扑旋翼机构空间利用率更高，仅垂直高度有所增加；

(3)本发明将扑旋翼飞行器使用的驱动电机的动力得到了充分的利用；

(4)本发明将扑旋翼飞行器产生的升力与自身重量比例增大，更有利于飞行。

附图说明

图1是本发明共轴反向双扑旋翼机构的整体结构示意图；

图2是本发明共轴反向双扑旋翼机构的机翼和传动机构连接布局示意图；

图3是本发明共轴反向双扑旋翼机构的单个机翼结构示意图；

图4是本发明共轴反向双扑旋翼机构的传动机构示意图；

图5a和图5b分别是本发明共轴反向双扑旋翼机构的套筒与内杆的结构示意图。

图中：

1-机翼；2-传动机构；3-电机；4-操纵部分；

101-机翼主梁；102-机翼辅梁；103-薄膜；

201-套筒；202-内杆；203-机翼安装架；

204-机翼连杆；205-上部内杆轴承；206-上部内杆铰链支架；

207-上部套筒轴承；208-上部套筒铰链支架；209-下部内杆轴承；

210-下部内杆铰链支架；211-下部套筒轴承；212-下部套筒铰链支架；

213-下部内杆轴承托；214-内杆顶端轴承托。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明提出了一种共轴反向双扑旋翼机构，该机构结构紧凑简洁，空间利用率较高，更加有利于飞行器微型化的实现。同时，本发明将尽可能的充分发挥动力装置的效能，有利于飞行器的微型化。该套机构所产生升力与自身重力比例较大，有利于扑旋翼飞行器飞行性能的提升。

如图1所示，为本发明提供的一种共轴反向双扑旋翼机构的整体结构示意图，本发明的共轴反向双扑旋翼机构包括：机翼1、传动机构2。所述机翼1有两组，采用共轴反向布置方式。

如图4所示，所述的传动机构2包括套筒201、内杆202、机翼安装架203、机翼连杆204，所述机翼安装架203和机翼连杆204有两组。所述套筒201包括三段，中间段为三个辐条，将上下两段连接，套筒201为一体成型结构。所述的内杆202位于套筒201内，内杆202长度大于套筒201长度，内杆202两端伸出。所述内杆202中间段有三个滑块，也称下部内杆轴承托213，分别与套筒201中间段的三个辐条相配合实现滑动。所述内杆202顶端连接第一组的三个机翼安装架203，套筒201顶端连接第一组的三个机翼连杆204，所述第一组的三个机翼安装架203与三个机翼连杆204对应铰接。所述内杆202的中间段的三个滑块上连接第二组的三个机翼安装架203，套筒201的底端连接第二组的三个机翼连杆204，所述第二组的三个机翼安装架203和三个机翼连杆204对应铰接。

具体的，所述的传动机构2还包括上部内杆轴承205、上部内杆铰链支架206、上部套筒轴承207、上部套筒铰链支架208、下部内杆轴承209、下部内杆铰链支架210、下部套筒轴承211和下部套筒铰链支架212。所述上部内杆轴承205安装于内杆顶端轴承托214上，上部内杆轴承205通过上部内杆铰链支架206与机翼安装架203铰接；所述的上部套筒轴承207安装于套筒201顶端，上部套筒轴承207连接上部套筒铰链支架208，上部套筒铰链支架208上铰接第一组的三个机翼连杆204。下部套筒轴承211安装于套筒201底端，下部套筒轴承211外部连接下部套筒铰链支架212，下部套筒铰链支架212上铰接第二组的三个机翼连杆204；下部内杆轴承209安装于内杆202中部的下部内杆轴承托213上，下部内杆轴承209通过下部内杆铰链支架210与第二组的三个机翼安装架203铰接。

如图2所示，机翼1总共分为两组，每组三片，如图3所示，以单个机翼结构为例，所述单个机翼1包括机翼主梁101、机翼辅梁102和薄膜103。机翼安装架203两组，每组三个共六个、机翼连杆204两组，每组三个共六个，所述机翼1对应安装在机翼安装架203上。机翼主梁101根部固定于机翼安装架203上，传动机构2竖直位置时，翼面与水平面呈30度攻角；机翼辅梁102有三个，一端固定连接在机翼主梁101上，另一端为自由端。薄膜103裁剪成一定形状，覆盖并粘接在机翼主梁101和机翼辅梁102之上，并粘接，形成翼膜。三根不同长度的机翼辅梁102与机翼主梁101成60度角固定连接在一起；所述机翼辅梁102的长度、位置和数量可以根据设计需要进行调整。

传动机构2的套筒201固连于电机3本体，内杆202与电机3输出端连接，电机3启动后，套筒201和内杆202之间进行往复运动，机翼扑动，实现飞行操控。

如图5a所示，为本发明共轴反向双扑旋翼机构的套筒201，套筒201由3d打印制成，套筒结构上分为三段，分别是为上段、中间段和下段；上段和下段的横截面为圆环形，中间段为三个辐条，每个辐条的截面为梯形，也称滑槽段，滑槽段与内杆202的滑块即下部内杆轴承托213对应，二者可以相对滑动。

如图5b，内杆202由3d打印制成，内杆202整体是一个圆杆结构，中间位置设置三个滑块，也称下部内杆轴承托213，用于连接下部内杆轴承209，并与套筒201上的滑槽段配合滑动；内杆202顶端为一个内杆顶端轴承托214，用于连接上部内杆轴承205；所述下部内杆轴承托213与内杆202底端的距离，要满足大于滑块滑动行程，保证内杆202与套筒201的滑动配合。

内杆202置于在套筒201内，下部内杆轴承托213在套筒201滑槽段内可直滑动，内杆202整体也在套筒201内滑动；

本发明提出的一种共轴反向双扑旋翼机构的设计方法，所述设计方法关键在于套筒201与内杆202的装配方式，以及各零件的安装顺序，所述设计方法具体步骤如下：

步骤一：制作机翼；

机翼1为两组旋向相反的薄膜翼，每组有三个机翼，所有机翼1所使用的零件相同，仅两组机翼1因旋向相反而安装方向相反。每个机翼1包括一根机翼主梁101、三根机翼辅梁102和薄膜103。机翼主梁101和机翼辅梁102均采用碳纤维杆制作，而机翼辅梁102细于机翼主梁101；薄膜103选用的是聚乙烯薄膜；三根机翼辅梁102连接于机翼主梁101中部，与机翼主梁101呈60°角度；薄膜103裁剪成外缘较大根部减小的半水滴状，粘接在机翼主梁101和机翼辅梁102所成平面上。三根机翼辅梁102呈等间距分布，并参照薄膜103形状截取相应长度。

步骤二：制作套筒与内杆；

如图5a和图5b所示，套筒201与内杆202均采用3d打印制作，但鉴于内杆202的下部内杆轴承托213需要套入到套筒201中间的滑槽段，因此套筒201在滑槽段的上边缘或下边缘位置划分为两部分进行3d打印制作，如图5a中直线ab表示的是滑槽段下边缘的位置；内杆202在下部内杆轴承托213的上边缘或下边缘位置划分为两部分进行3d打印制作，如图5b中直线cd表示的是下部内杆轴承托的上边缘位置；具体制作时：

先将下部内杆轴承209装到下部内杆轴承托213上，通过下部内杆轴承托213与下部内杆轴承209之间的空隙将内杆202的下部内杆轴承托213装入套筒201的滑槽段，之后将套筒201两部分进行粘接，将内杆202的滑动范围限制在滑槽段长度内；最后将上部内杆轴承托214粘接到内杆202顶端。

步骤三：扑旋翼传动机构装配；

扑旋翼机构装配即将机翼1、传动机构2装配在一起；将上部内杆轴承205安装在内杆顶端轴承托214上，将上部套筒轴承207和下部套筒轴承211分别套入套筒201的相应位置，再将上部内杆铰链支架206粘接到上部内杆轴承205上，将上部套筒铰链支架208粘接到上部套筒轴承207上，将下部内杆铰链支架210粘接到下部内杆轴承209上，将下部套筒铰链支架212粘接到下部套筒轴承211上。上述所有铰链支架(206、208、210和212)均采用3d打印方式制造，使用聚乳酸材料，按照设计图纸加工而成；上部内杆铰链支架206和下部内杆铰链支架210分别与两组机翼安装架203的一端铰接；机翼连杆204一端与上部套筒铰链支架208和下部套筒铰链支架212铰接，另一端与机翼安装架203的另一端铰接；机翼主梁101分两组将根部按相同旋向固定于上下两组共六个机翼安装架203预留位置上，上下两组机翼1旋向相反，机翼1翼面均与水平面呈30°夹角。

步骤四：扑旋翼整机装配；

套筒201与电机3的本体固连，内杆202与电机3的输出端固连，电机启动驱动内杆202相对于套筒201的往复运动，带动机翼扑动。最后再完成与操控部分4的连接，完成扑旋翼整机的装配工作。所述的操纵部分4的连接包括俯仰安定面、偏航安定面、一个大舵面、两个小舵面及三个驱动舵机的制作与安装，根据所属领域内的常规方式安装。

本发明采用了共轴反向的方式，通过一套驱动机构带动两层扑旋翼运动；套筒201与内杆202的独特形式使其可带动两个内杆202、铰链支架完成纵向往复运动，并保持两个套筒铰链支架固定不动。该结构使驱动电机的动力得到了充分的利用。

经实验效果证实，共轴反向双扑旋翼机构的悬停效率提升至少20％，下洗流的流速增加并且更为平顺，环向分力得以大幅度减小。