一种用于扑旋翼飞行器的驱动机构的制作方法

本发明属于飞行器设计技术领域，具体涉及一种用于扑旋翼飞行器的驱动机构。

背景技术：

当前无人机系统在民用以及军用领域正发挥着越来越大的作用，在各种类型的无人飞行器中，特别是微型飞行器是目前国际航空领域的一个研究热点。国内外的研究一般根据飞行方式将微型飞行器划分为：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器和微型扑翼飞行器。微型固定翼飞行器具有飞行速度快、气动效率高等优点，但无法实现悬停且起降条件要求较高。微型旋翼飞行器最大的优点是可以垂直起降和悬停，不需要大面积的起降场地，比较适合于较复杂的环境中使用。但旋翼飞行器旋翼系统较为复杂，可靠性较低，且通常需要尾桨抵消旋翼对机体产生的反扭矩，气动效率较低。微型扑翼飞行器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，但是运动实现机构复杂，难于控制。

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反对称安装的机翼扑动，扑动产生升力和推力，其中推力驱动机翼旋转，机翼旋转产生升力，因此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机翼扑动产生的推力驱动，因此对机身不产生反扭矩，不需要尾桨来抵消旋转力矩。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。

目前存在的扑旋翼飞行器，如专利公开号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”中提出了一种扑旋翼飞行器的驱动机构，存在着较为明显的驱动机构振动和稳定性差，传动效果不够理想等问题，同时双翼面设计不够合理，产生升力效果不够理想。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中提到的扑旋翼飞行器驱动机构稳定性差，传动效果不够理想等问题，本发明提出了一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构，满足扑旋翼飞行器稳定可控飞行的需要。本发明通过采用三翼面布局方式的新型驱动机构，可以使传动更为平稳，同时该驱动机构的零件集成度高，便于装配制作。三翼面布局方式也可以提高整机对各单翼面质量不平衡的包容性，提高其稳定性。为整机进行可控飞行提供了较好的条件。

本发明所提供的一种用于扑旋翼飞行器的驱动机构，包括机翼、机身、传动装置和动力装置。机翼固定于传动装置的机翼安装架上，传动装置和动力装置均固定在机身上，动力装置与传动装置相连，进而驱动机翼。

所述的机翼包括机翼主梁、机翼辅梁和薄膜，机翼主梁根部固定于传动装置的机翼安装架；三根机翼辅梁分别与机翼主梁粘接在一起；薄膜裁剪成一定形状，粘贴于机翼主梁和机翼辅梁之上，形成翼面。

所述的机身采用3d打印一体结构，包括安装电机侧平板结构、安装齿轮侧平板结构、套筒、套筒支撑架、支撑杆、支撑桥和飞控板平台，安装电机侧平板结构和安装齿轮侧平板结构竖直平行固定在底部的飞控板平台上，主要用于安装电机与传动装置零件，为保证强度，安装电机侧平板结构和安装齿轮侧平板结构的侧面增加了加强筋结构。套筒通过两个套筒支撑架竖直固连于安装电机侧平板结构和安装齿轮侧平板结构之间；三根支撑杆安装在安装电机侧平板结构和安装齿轮侧平板结构之间的靠近底部位置，既作为支撑杆也作为电机安装的定位杆。支撑桥安装在安装齿轮侧平板结构外侧，二者平行，用于安装传动齿轮；飞控板平台为机身最下方的底座，用于放置飞控板和固定微型电源。

所述的传动装置包括大齿轮、双层齿轮、电机齿轮、圆柱滑杆、滑轨、内杆、机翼安装架、机翼连杆、套筒轴承、内杆轴承、内杆铰链支座、套筒铰链支座、小轴承、摇臂和法兰轴承，电机齿轮固定在微型无刷电机输出轴上，可以同轴转动；大齿轮和双层齿轮安装在安装齿轮侧平板结构和支撑桥之间，大齿轮与其自身转轴固连一同转动，双层齿轮则不与其自身转轴固连，电机齿轮和双层齿轮的外侧齿轮啮合，大齿轮和双层齿轮的内侧齿轮啮合；圆柱滑杆一端安装两个摇臂的孔内，圆柱滑杆中部置于滑轨内，能够在滑轨内水平运动；所述两个摇臂，一个固定在大齿轮的转轴上，另一个安装电机侧平板结构上，通过法兰轴承连接；所述大齿轮的转轴分别与支撑桥和安装齿轮侧平板结构之间连接有小轴承和法兰轴承。所述内杆置于在套筒内，能够在套筒内垂直滑动；滑轨固连在内杆底端且与内杆垂直；套筒轴承安装于套筒顶部；内杆轴承安装于内杆顶部；内杆轴承通过内杆铰链支座与机翼安装架的一端圆孔铰接，机翼安装架的另一端与机翼连杆一端铰接，机翼连杆另一端通过套筒铰链支座与套筒轴承铰接。所述内杆轴承与内杆铰链支座粘接，所述套筒轴承与套筒铰链支座粘接。

所述的动力装置包括微型电源、飞控板、微型无刷电机、电机轴承，所述微型电源、微型无刷电机与飞控板用导线连成动力控制回路；飞控板安装于机身下部的飞控板平台上，微型电源安装在飞控板平台下表面，微型无刷电机固定在安装电机侧平板结构上，通过三个支撑杆的伸出部进行定位，微型无刷电机输出轴一侧通过小轴承连接在安装齿轮侧平板结构上，并与传动装置中的电机齿轮固连；微型电源用于给微型无刷电机和飞控板供电，微型无刷电机用于驱动机翼的运动，飞控板用于控制微型无刷电机的输出功率及转速。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明的驱动机构整体结构紧凑、简洁，较之以往的扑旋翼驱动机构，动力充足、升力较大，有利于实现灵活飞行和带一定负载飞行，且易于加工制造；

(2)本发明的传动机构采用滑轨-滑杆形式带动翼面上下扑动，使传动更为顺畅，并可传递更大的载荷；

(3)本发明的机体采用双平板支撑结构，克服了现有技术中单侧平板结构的机体刚度不足、振动剧烈的问题，使飞行器更为牢固，飞行更加平稳；

(4)本发明采用三翼面布局方式提高了整机对各单翼面质量不平衡的包容性，提高整机稳定性并使升力得到大幅度提升。

附图说明

图1是本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的整体结构示意图；

图2是本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的单个机翼结构示意图；

图3a和图3b是本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的机身结构图；

图4a、图4b和4c分别是本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的传动装置和动力装置结构示意图；

图5是本发明中大齿轮、双层齿轮和电机齿轮的传动关系示意图。

图中：

1-机翼；2-机身；3-传动装置；4-动力装置；

101-机翼主梁；102-机翼辅梁；103-薄膜；

201a-安装电机侧平板结构；201b-安装齿轮侧平板结构；

202-套筒支撑架；203-套筒；204-支撑杆；205-支撑桥；

206-飞控板平台；207-加强筋；208-横板；

301-大齿轮；302-双层齿轮；303-电机齿轮；

304-圆柱滑杆；305-滑轨；306-内杆；307-机翼安装架；

308-机翼连杆；309-套筒轴承；310-内杆轴承；311-内杆铰链支座；

312-套筒铰链支座；313-小轴承；314-摇臂；315-法兰轴承；

401-微型电源；402-飞控板；403-微型无刷电机；404-电机轴承；

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。

如图1所示，为本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的整体结构示意图，本发明提出的一种用于扑旋翼飞行器的驱动机构，包括机翼1、机身2、传动装置3和动力装置4。机翼1固定于传动装置3的机翼安装架307上，传动装置3和动力装置4均固定在机身2上，传动装置3与动力装置4相连，进而驱动机翼1。

如图2所示，为本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的机翼，机翼1包括机翼主梁101、机翼辅梁102和薄膜103，机翼主梁101根部固定于传动装置3的机翼安装架307上，机翼辅梁102的一端与机翼主梁101粘接，另一端为自由端。所述机翼辅梁102有三个，每个机翼辅梁102与机翼主梁101之间的角度为60°。所述薄膜103覆盖于机翼主梁101和机翼辅梁102之上。三根机翼辅梁102等间距分布，并分别与机翼主梁101成60度夹角粘连在一起；薄膜103裁剪成一定形状，粘连在机翼主梁101和机翼辅梁102之上。

如图3所示，为本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的机身。机身2包括安装电机侧平板结构201a、安装齿轮侧平板结构201b、套筒203、套筒支撑架202、支撑杆204、支撑桥205和飞控板平台206；安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b为两个竖直平行的平板结构，作为机身2主体，固定在底部的飞控板平台206上；飞控板平台206为机身2最下方的底座。套筒203通过两个套筒支撑架202竖直固定在安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b之间，套筒203顶端高于安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b的顶端；三根支撑杆204垂直于安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b，安装在安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b之间的的底部位置，用于支撑安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b，同时也作为微型无刷电机403安装的定位杆。支撑桥205是一个竖直的板状结构，安装齿轮侧平板结构201b外侧，底部固定在飞控板平台206上，底部和顶部分别通过一个横板208与安装齿轮侧平板结构201b连接，保证支撑桥205的竖直状态，与安装齿轮侧平板结构201b平行，如图3b所示，所述的支撑桥205和安装齿轮侧平板结构201b之间的空间用于安装传动齿轮，传动齿轮指的是大齿轮301、双层齿轮302和电机齿轮303，固定在支撑桥205上。安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b由3d打印制作。为保证安装电机侧平板结构201a和安装齿轮侧平板结构201b的强度，外侧分别增加了加强筋207，如图3b。

如图4a和4b所示，为本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的传动装置和动力装置结构。所述的传动装置3包括大齿轮301、双层齿轮302、电机齿轮303、圆柱滑杆304、滑轨305、内杆306、三个机翼安装架307、三个机翼连杆308、套筒轴承309、内杆轴承310、内杆铰链支座311、套筒铰链支座312、小轴承313、摇臂314和法兰轴承315；大齿轮301、双层齿轮302和电机齿轮303安装在机身安装齿轮侧平板结构201b和支撑桥205之间，所述的电机齿轮303固定在微型无刷电机403输出轴上，可以与所述的输出轴同步转动。如图5，所述电机齿轮303上方依次为双层齿轮302和大齿轮301，所述电机齿轮303与双层齿轮302的外侧齿轮啮合，所述大齿轮301与双层齿轮302的内侧齿轮啮合。所述大齿轮301的转轴a外侧与支撑桥205之间通过小轴承313连接，转轴a内侧穿过安装齿轮侧平板结构201b，与安装齿轮侧平板结构201b内侧的一个摇臂314固连。另一个摇臂314通过转轴b连接在安装电机侧平板结构201a上，所述转轴a与安装齿轮侧平板结构201b之间、转轴b与安装电机侧平板结构201a之间连接有法兰轴承315。所述的转轴a与转轴b的轴心共线。大齿轮301与自身转轴a固连一同转动。双层齿轮302包括同轴的两个大小齿轮，转轴固定在安装齿轮侧平板结构201b和支撑桥205上，即转轴不动，双层齿轮302可以绕转轴转动。其中，如图5所示，双层齿轮302的外侧齿轮直径大于内侧齿轮直径；所述圆柱滑杆304两端分别固定在两个摇臂314之间，在两个摇臂314之间设置有滑轨305，所述圆柱滑杆304中部置于滑轨305中部开槽内，能够在滑轨305中部开槽内水平运动。内杆306置于套筒203内，能够在套筒203内垂直滑动。滑轨305为直线滑轨，固连在内杆306底端且与内杆306垂直。套筒轴承309安装于套筒203顶部；内杆轴承310安装于内杆306顶部；内杆轴承310通过内杆铰链支座311与机翼安装架307根部圆孔铰接；机翼连杆308一端通过套筒铰链支座312与套筒轴承309铰接，另一端与机翼安装架307的端部圆孔铰接。所述机翼安装架307的端部固定有机翼1的机翼主梁101根部。

动力装置4包括微型电源401、飞控板402、微型无刷电机403和电机轴承404，所述微型电源401、微型无刷电机403与飞控板402用导线连成动力控制回路；飞控板402安装于机身2下部的飞控板平台206上，微型电源401安装在飞控板平台206底部，微型无刷电机403固定在安装电机侧平板结构201a内侧，通过三个支撑杆204进行定位。所述微型无刷电机403的输出轴穿过安装齿轮侧平板结构201b，与安装齿轮侧平板结构201b外侧的电机齿轮303固连，所述的微型无刷电机403的输出轴与安装齿轮侧平板结构201b之间为电机轴承404。微型电源401用于给微型无刷电机403、飞控板402供电，所述飞控板402用于控制微型无刷电机403的输出功率及转速。飞控板402为带有无线接收机、姿态传感器、信号输出端的控制电路板。

根据上述的驱动机构，微型电源401给电后，微型无刷电机403的输出轴带动电机齿轮303的转动，随之啮合传动的双层齿轮302和大齿轮301依次转动，大齿轮301带动一个摇臂314同轴转动，因为圆柱滑杆304带动，另一个摇臂314随动，同时圆柱滑杆304在滑轨305的中部开槽内水平位移滑动，同时带动滑轨305的上下位移，进而带动内杆306的上下滑动，实现对机翼1扑动的控制。

本发明提供的一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构安装流程如下：

步骤一：制作机翼；

机翼1为三个相同的薄膜翼，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稍细于机翼主梁101；薄膜103选用的是聚乙烯薄膜；机翼辅梁102分布连接于机翼主梁101中部，与机翼主梁101呈60°度角；薄膜102裁剪成昆虫翼面形，粘连在机翼主梁101和三根机翼辅梁102所成平面上；

步骤二：制作机身；

机身2整体通过3d打印成型，包括安装电机侧平板结构201a、安装齿轮侧平板结构201b、两个套筒支撑架202、套筒203、三根支撑杆204、支撑桥205和飞控板平台206，安装电机侧平板结构201a上固定微型无刷电机403；为保证强度与精度，均采用聚乳酸材料，按照三维设计图纸一体加工而成；如图3所示，为本发明一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的机身。

步骤三：制作动力装置；

动力装置4包括微型电源401、飞控板402、微型无刷电机403和电机轴承404；微型电源401采用可充电式锂电池，飞控板402采用带有无线接收机、姿态传感器、信号输出端的控制电路板，微型无刷电机403采用带三腿安装基座的微型无刷电机，电机轴承404为内径适配于微型无刷电机输出端的微型轴承；将电机轴承404套入微型无刷电机403的输出轴；微型电源401、飞控板402与微型无刷电机403用导线连成动力控制回路；

步骤四：制作传动装置；

传动装置3包括大齿轮301、双层齿轮302、电机齿轮303、圆柱滑杆304、滑轨305、内杆306、三个机翼安装架307、三个机翼连杆308、套筒轴承309、内杆轴承310、内杆铰链支座311、套筒铰链支座312、小轴承313、两个摇臂314和两个法兰轴承315，单层大齿轮301和双层齿轮302为塑料材质，电机齿轮303为铜齿轮；三个机翼连杆308、套筒铰链支座312和内杆铰链支座311均通过3d打印的方式，使用聚乳酸材料，按照设计图纸加工而成；滑轨305、机翼安装架307和摇臂314采用1mm厚度碳纤维板切割而成；圆柱滑杆304为金属短杆；在套筒轴承309以及内杆轴承310的外圈上分别粘贴套筒铰链支座312和内杆铰链支座311；大齿轮301和双层齿轮302安装在机身安装齿轮侧平板结构201b和支撑桥205之间，电机齿轮303和双层齿轮302外侧齿轮啮合在同一平面，大齿轮301和双层齿轮302内侧齿轮啮合在同一平面；大齿轮301的转轴通过一个法兰轴承315和小轴承313连接到机身安装齿轮侧平板结构201b和支撑桥205上，大齿轮301与其自身转轴a固连，转轴a穿过安装齿轮侧平板结构201b后与一个摇臂314同轴固连；另一个摇臂314通过转轴b连接在安装电机侧平板结构201a上；所述转轴a与安装齿轮侧平板结构201b之间设置一个法兰轴承315，所述转轴b与安装电机侧平板结构201a之间也设置一个法兰轴承315。两个摇臂314可以在圆柱滑杆304的带动下同步转动；圆柱滑杆304两端安装于两个摇臂314的预留孔中固定，中部穿过滑轨305中部开槽，能够在滑轨305内水平运动；内杆306置于在套筒203内，能够在套筒203内垂直滑动；滑轨305固连在内杆306底端且与内杆306垂直；套筒轴承309安装于套筒203顶部，套筒轴承309外环与套筒铰链支座312连接；内杆轴承310安装于内杆306顶部，内杆轴承310外环与内杆铰链支座311连接；内杆轴承310通过内杆铰链支座311与机翼安装架307根部的圆孔铰接；机翼连杆308一端与套筒铰链支座312铰接，另一端与机翼安装架307的端部圆孔处铰接；机翼安装架307上固定三个机翼1。

步骤五：驱动机构整体装配；

驱动机构整体装配即将机翼1、机身2、传动装置3和动力装置4进行装配，在传动装置3的制作时传动装置3就已经装配在机身2上；微型无刷电机403固定在机身安装电机侧平板结构201a预留的电机安装位上；电机轴承404外圈粘连在安装齿轮侧平板结构201b的预留孔洞内；微型无刷电机403输出轴穿过电机轴承404，与安装齿轮侧平板结构201b外侧的电机齿轮303固定连接；电机齿轮303和双层齿轮302外侧齿轮啮合在同一平面；大齿轮301和双层齿轮302的内侧齿轮啮合在同一平面；飞控板402安装在机身2的飞控板平台206上部；微型电源401安装在飞控板平台206底部；机翼主梁101根部按照同一旋向固定于机翼安装架307预留位置上，使翼面与水平面夹角呈30°。

实施例：

本实施例给出一种用于扑旋翼飞行器的新型驱动机构的尺寸参数。本实施例中，单个机翼展长130mm，动力装置高度(不包含翼面)为77.4至89.4mm，微型无刷电机403为4000kv版ap03微型外转子无刷电机，所有齿轮模数为0.3，其中电机齿轮303齿数为9，双层齿轮302齿数为12和36，大齿轮301齿数为70，翼面拉杆作用长度21mm，摇臂314作用长度6mm，舵机型号为平政pz-15320型超微型低压数码舵机。

经模拟验证，本发明的一种用于扑旋翼飞行器新型驱动机构可以实现正常的翼面扑动与旋转运动，扑动范围达±35°左右，最大升力约为38g。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所做的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。