一种仿生蜂鸟飞行器的制作方法

本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种仿生蜂鸟飞行器。

背景技术：

目前国外有关于仿生机器人的研究，但是我国在这方面起步晚、成果极少、效果差，另一方面未来战场将是以无人作战、信息战、低损耗零伤亡为主要发展趋势，催生了“蜂群”式的仿生弹药，致力于实现全方位、超近距、精准作战。

微型飞行器尺寸在20㎝以内，是一个学科交叉的产物，应用微机电、仿生学、加密无线通讯、仿生空气动力学基础、柔性翼、制导装置以及微型控制技术，可以仿鸟类飞行，并自主巡航，进行目标识别自主决策和回传数据。微型飞行器包括仿鸟类飞行器和仿昆虫飞行器等多种类型，这种微型飞行器最容易发展成仿生弹药。微型飞行器的发展为打造“蜂群”式的仿生武器提供了基础，这将大大促进国防事业的发展，将这项技术应用于探险救灾和有毒气体探测，可以体现出微型飞行器的广阔民用前景。

电子科技大学冯振宇等人在《类蜂鸟扑翼微型飞行机器人羽翼设计与优化》一文中提出了一种类蜂鸟飞行器，该飞行器使用四连杆机构传动，机翼自由度只有翅根在竖直方向上的旋转，与真实的蜂鸟翅膀相差太大，不能完成前进、后退等操作，也不能控制自身的横摇，所以对外界干扰的敏感度很高，稳定性很差。虽然翼面为弹性材料，但是翼面在机翼扑动过程中变形有限，故产生升力的效率很低，当升力足以对抗重力时，系统的噪音较大。以上所述结构上的缺陷直接导致了该蜂鸟飞行器最多只能悬停很短的时间，稍有干扰便失稳，所以该飞行器并不可控，并不具备发展成“蜂群”式飞行器的潜质。

蜂鸟可以悬停，还有高超的空中飞行技巧，但是当今的蜂鸟飞行器的相关研究与自然界中的蜂鸟相比有很大的缺陷：蜂鸟飞行器并不能稳定悬停，其机翼远不及蜂鸟翅膀灵活，且机翼材料及结构不能使机翼在质量很小时产生很大的升力，驱动机翼扑动的机械结构与其材料上的缺陷导致蜂鸟飞行器尺寸较大，且不易控制，负载能力低以及能量利用率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种仿生蜂鸟微型飞行器，解决了蜂鸟飞行器的机翼不够灵活的问题，使得机翼的运动方式更加贴近真实的蜂鸟，更符合仿生学的理论。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种仿蜂鸟扑翼飞行器，包括电机、动力传递机构、电池、双舵机机构、机架和一对翅膀；电机固连在机架上，一对翅膀对称设置在机架两侧；双舵机机构固定在传动机构的下方；电池位于双舵机机构下方，且固定在机架上，为蜂鸟飞行器提供动力。本发明的飞行器翅膀的低频摆动，提供了足够大的力使得蜂鸟飞行器完成悬浮、前进和后退等动作。仅通过一个电机提供的力通过齿轮组和连杆使得翅膀同时煽动，又通过两个舵机协同控制两根弹性杆，弹性杆形态及位置的变化改变了两个翅膀的状态，使得一对翅膀产生的合力的大小和方向可控，实现蜂鸟飞行器的直线和变向飞行。蜂鸟飞行器使用能量密度较大的锂电池提供动力，电池的及其挠性电池连接杆可以协助控制系统平衡重心，并减少系统震动，使系统平稳可靠。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明用最少的舵机达到了最佳的姿态控制效果，并减轻了质量。

（2）两根翅膀根部边缘杆使得机翼扑动、扭转和翼面气动形态都可控，蜂鸟飞行器顺利完成悬停、横飞、转向等飞行操作。

（3）在飞行过程中的噪音及振动很小，机构的固有频率完美避开机翼的工作频率，从而避免了谐振带来的破坏。

（4）机翼（翅膀）的质量很轻，随着扑动频率由0开始的增加，升力持续增加，但是频率达到一定值时，升力开始下降，此时的频率即为最佳工作频率。用同一方法连续制作了多个相同的机翼，每各机翼之间的升力误差不超过5%，已经满足使用要求。

（5）利用高速摄像机拍摄飞行器飞行过程中的机翼，机翼的状态与预估情况极其相似，悬浮梁的惯性作用使得翼面微调，翼面倾斜一定角度，与fluent仿真中最佳状态相符，做到了用最轻的质量产生最大的升力。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明的机架图。

图3为本发明的驱动机构图。

图4为本发明的双舵机机构图。

图5为本发明的飞行器翅膀图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种仿蜂鸟扑翼飞行器，包括电机1、动力传递机构2、电池4、双舵机机构5、机架6和一对翅膀3；其中，机架6为整台飞行器提供了整体框架，电机1固连在机架6上形成统一整体，一对翅膀3对称设置在机架6两侧，通过翅根轴套101与机架6连接；双舵机机构5置于传动机构2的下方，并与机架6下方的两根电池连接杆603相连，使得其与翅膀3以间隙配合的方式相连；电池4位于双舵机机构5下方，电池4通过两根电池连接杆603固定在机架6上，为蜂鸟飞行器提供动力。

如图2所示，机架6包括主承力平台601、电机保持架604、一对翅膀根部边缘杆602和两根电池连接杆603，动力传递机构2设置在主承力平台601上，翅膀根部边缘杆602是弹性杆，通过轴套对称固定在主承力平台601底面，翅膀根部边缘杆602的变形可以使翅膀3处于不同的形态产生不同所需要的力，电池连接杆603是挠性杆，通过轴套对称固定在主承力平台601底面，电池连接杆603用于连接电池减小整个机构振动，使系统固有频率远离工作频率，电机保持架604设置在主承力平台601顶面，用来固定电机1，电机保持架604与电机1过盈配合。

进一步地，一对翅膀根部边缘杆602和两根电池连接杆603沿周向交替间隔布置，翅膀根部边缘杆602和电池连接杆603相互平行，且一对翅膀根部边缘杆602之间的连线与两根电池连接杆603之间的连线呈十字交叉布置。

如图3所示，动力传递机构2包括三级减速齿轮组、第一连杆102和两个三连杆结构。三级减速齿轮组包括依次啮合的第一齿轮105、第二齿轮106、第三齿轮107和第四齿轮108，第一齿轮105与电机1的输出轴相连，第二齿轮106为第一齿轮105的下级齿轮，第三齿轮107为第二齿轮106的下级齿轮，第四齿轮108为第三齿轮107的下级齿轮，三级减速齿轮组置于主承力平台601底面。两个三连杆结构对称布置，三连杆机构包括依次连接的第二连杆103、第三连杆104和翅根轴套101，第一连杆102的一端与第四齿轮108铰接，第一连杆102的另一端与第二连杆103的一端铰接，第二连杆103的中部有孔，通过销轴固定在机架6上，第二连杆103的另一端与第三连杆104的一端铰接，第三连杆104的另一端与翅根轴套101铰接，翅根轴套101另一端通过销轴与机架6相连。翅根轴套101可以在水平方向上摆动。

其中第二连杆103为z形杆，通过两个z形杆，使得翅根轴套101向机架6两侧展开。

如图4所示，双舵机机构5包括上层支持架501、直线舵机502、下层支持架503和单轴舵机504，上层支持架501顶面固连单轴舵机504，上层支持架501外侧壁上设有三个支耳，靠近直线舵机502两侧的支耳分别为第一支耳和第二支耳，靠近直线舵机502尾部的支耳为第三支耳。下层支架503包括底板、左支耳和右支耳，左支耳和右支耳间隔对称设置在底板顶面，底板一端开有左端孔，另一端开有右端孔，左支耳和右支耳相对的侧壁上分别开有长条形凹槽。上层支架501的第三支耳与机架6上的一根电池连接杆603的上部固连，单轴舵机504的轴与机架6上另一根电池连接杆603的上部固连，实现了双舵机机构与机架6的连接，上层支持架501通过第一支耳和第二支耳分别与下层支持架503的左支耳和右支耳以间隙配合的方式连接，上层支持架501的底面固连直线舵机502，直线舵机502的输出端销轴置于下层支架503长条形凹槽中，一对翅膀根部边缘杆602分别插入左端孔和右端孔，与左端孔和右端孔间隙配合。在单轴舵机504的作用下上层支持架501可以偏转一个角度，带动下层支持架503偏转一个角度，此时两个翅膀3的根部边缘杆便会向一个方向弯曲，改变了两个翅膀3的表面状态，造成左右升力的差异。直线舵机502工作时，输出端可以使下层支持架503摆动一个角度，可以使翅膀3倾斜一个角度，进而改变升力的方向，实现蜂鸟飞行器的飞行控制。

如图5所示，翅膀3包括悬浮梁301、弹性翼面302、薄膜翼面303、横梁304和竖梁305，悬浮梁301、横梁304和竖梁305均设置在薄膜翼面303上，其中，横梁304与根部边缘杆602垂直，横梁304上靠近根部边缘杆602的一端连接翅根轴套101，浮梁301斜置于翼面上，且不与横梁304、根部边缘杆602接触，竖梁305与根部边缘杆602平行，且顶端与浮梁301顶端连接，弹性翼面302设置在竖梁305和根部边缘杆602之间。

横梁304用于传递驱动装置的力，带动翅膀3煽动，并使翼面形成升力；在翅膀3煽动时，悬浮梁301在惯性力的作用下使得翼面303绕横梁304偏转一定角度，使翼面提供的升力更大；根部边缘杆602是弹性的，根部边缘杆602的上部与机架6固连，根部边缘杆602的横向拉扯可以改变翼面的形态，使左右两个翼面产生的力的大小不同，是实现侧飞和转向的基础，根部边缘杆602的纵向拉扯可以使得翼面的方向发生改变，改变了升力的方向，进而实现蜂鸟的俯仰和前进后退。

机架6、双舵机机构5的上下层支持架以及传动机构2等是由光敏树脂3d打印成型的，翅膀3的横梁304、悬浮梁301和竖梁305均是由碳纤维制成的，根部边缘杆602是以橡胶为原材料制成，弹性翼面302的材料是针织弹性纤维织物，薄膜翼面303的材料是凯夫拉纤维，电池4为锂电池。