一种可悬停扑翼飞行器的制作方法

本发明属于扑翼飞行器领域，具体涉及一种可悬停扑翼飞行器。

背景技术：

扑翼飞行器相较于其他类型的飞行器一大技术优势是能够实现悬停飞行，拥有悬停功能的飞行器可以实现垂直起降、悬停、后退等运动方式，为执行特殊作业如凝视侦查、定点落地监听等提供了较大的方便。

目前，可实现悬停飞行的微型扑翼飞行器主要有荷兰delft大学研制的delfly和加拿大多伦多大学的mentor等。该类飞行器主要通过机身顶端的一对或两对扑动翼的水平扑动提供飞行所需升力，利用机身下端的十字形舵面控制飞行方向和姿态。发明人发现，虽然上述飞行器实现了悬停飞行，但由于其扑动翼仅为单自由度水平扑动，依靠扑动翼的弦向扭转变形提供的升力(等同于水平飞行的扑翼提供的推力)较小，因此delfly等飞行器的起飞质量很小，所携载荷有限，并且不易拆卸，难以携带。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，本发明提供一种可悬停扑翼飞行器，通过将上下扑打的结构改为前后挥摆，在整个周期上都能产生向上的正升力，从而实现了稳定的悬停功能，并且缓解了扑翼产生的抖动现象。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可悬停扑翼飞行器，包括一个基体，所述基体上安装有扑翼机构，所述扑翼机构包括驱动机构和翼板，所述翼板包括相对的第一面和第二面，第一面在翼板向第一方向运动时能够在空气的作用下产生升力，第二面在翼板向第二方向运动时能够在空气的作用下产生升力，所述驱动机构带动翼板做第一方向和第二方向交替的运动。

通过翼板在第一方向和第二方向不断交替的往复运动，使翼板在两个方向上均能提供上升力，从而能够在一个周期内提供更大的升力。

更进一步地，所述基体上设有滑槽，所述驱动机构包括电机、曲柄、连杆和滑轮，所述滑轮的外侧连接有对接块，所述电机的输出端连接曲柄的一端，曲柄的另一端连接连杆的一端，连杆的另一端连接对接块，电机驱动曲柄转动从而带动滑轮相对于滑槽运动。

更进一步地，所述滑轮通过传动机构带动翼板运动，所述的传动机构包括万向联轴器、传动杆和支架，所述传动杆的一端通过万向联轴器连接对接块，另一端连接翼板，所述支架安装在基体上，传动杆中段通过铰链安装在支架上，翼板在滑轮的带动下做往复摆动的同时，翼板也在传动杆的带动下绕传动杆轴线转动。

更进一步地，所述的铰链为球形铰链。

更进一步地，所述的扑翼机构有两组，对称安装在基体的两侧。

更进一步地，所述两组扑翼机构的两个曲柄采用同一个电机同步驱动，两个滑轮从轴向上连接，共同沿滑槽运动，两个翼板在电机的驱动下，同步做第一方向或第二方向的运动。

更进一步地，所述的滑槽为贯穿基体的腰形孔，两个滑轮分别从滑槽的两侧连接对接块，滑槽与滑轮的接触面上铺设有光滑锡纸薄膜。

更进一步地，所述的基体上还设有尾翼，用于调节整体的运动状态。

更进一步地，所述的尾翼包括尾板、尾板舵机和舵机连杆，所述舵机固定在集体上，舵机的输出端通过舵机连杆连接尾板，尾板舵机的驱动尾板摆动。

更进一步地，所述的对接块通过轴承安装在滑轮上。

本发明和现有技术相比，拥有以下有益技术效果：

1.本发明能够通过翼板在两个方向上运动持续获得升力，从而实现稳定悬停功能，避免了传统扑翼飞行器只有一个方向运动获得升力引起的抖动现象；

2.通过将传统的上下扑打获取升力改为前后挥摆，在往返运动的整个周期内都能产生向上的正升力，与上下扑打的扑翼飞行器相比较，在一个周期内能够获取更大的升力，避免了上下扑翼飞行器在进行上扑翼动作时产生的负升力；

3.通过滑轮与滑槽的配合，对翼板的动作范围进行约束，配合万向联轴节的传动作用，驱动翼板做往返摆动并不断改变与水平方向的夹角；

4.翼板向前挥摆过程中受到的水平向前的分力和向后挥摆过程中受到的水平向后的分力相抵消，消除了水平方向上的气动力分量，保持了产生竖直向上的驱动力，增大了驱动效率。

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是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明驱动机构和传动机构的示意图；

图3是本发明传动机构部分的万向联轴器的结构示意图；

图4是本发明滑轮的结构示意图；

图5是本发明翼板在前挥时的结构示意图；

图6是本发明翼板在后挥时的结构示意图；

图7是本发明尾翼上翘时的结构示意图；

图8是本发明尾翼下摆时的结构示意图。

其中：1、翼板，2、基体，3、尾板，4、曲柄，5、轴承，6、连杆，7、滑轮，8、万向联轴器，9、球形铰链，10、传动杆，11、支架，12、支架底座，13、尾板舵机，14、舵机连杆，8-1、万向联轴器主动轴，8-2、万向块，8-3、万向联轴器从动轴。

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。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有扑翼飞行器的扑动翼仅为单自由度水平扑动，依靠扑动翼的弦向扭转变形提供的升力(等同于水平飞行的扑翼提供的推力)较小，因此其起飞质量很小，所携载荷有限，并且不易拆卸，为了解决上述技术问题，本申请提出了一种可悬停扑翼飞行器。

实施例1

本发明的一种典型实施例：如图1-6所示，一种可悬停扑翼飞行器。

如图1所示，包括基体、驱动机构、翼板和尾翼，所述的驱动机构和翼板共同组成了扑翼机构，所述翼板通过驱动机构安装在基体上，尾翼安装在基体尾部，所述翼板在驱动机构的带动下，能够前后摆动，从而实现获取升力，带动飞行器整体的上升或实现悬停，并能够通过尾翼调节飞行器的形态。

当然，可以理解的是，所述的翼板仅仅代表飞行器的机翼组成，对于翼板的形状、大小并不进行限制，按照所需要的升力要求和其他要求，对翼板的形状、构造、大小进行按需配置即可，只要能够满足翼板在前后摆动的过程中，均能获取升力即可。

在本实施例中，对于尾翼的结构并不作出限制，能够满足调节飞行器姿态的需求的结构即可。

如图2、图3、图4所示，所述的基体2上还开有滑槽和电机安装孔，所述的滑槽为直线型滑槽，所述的驱动机构通过传动机构连接翼板1，所述的驱动机构包括电机、曲柄4、连杆和滑轮7，所述滑轮与滑槽配合安装，所述电机安装在电机安装孔内，输出端带动曲柄4转动，曲柄远离电机的一端通过轴承5配合安装有一个连杆6，所述的传动机构包括万向联轴器8和传动杆10，所述连杆的另一端安装在万向联轴器主动轴的侧面上，万向联轴器主动轴8-1的一端通过轴承与滑轮同轴安装，另一端通过万向块8-2与万向联轴器从动轴8-3的一端连接，万向联轴器从动轴远离万向块的一端安装有传动杆，传动杆远离万向联轴器的一端安装有翼板，传动杆的中段安装有铰链，用于支撑传动杆；电机带动曲柄转动，通过连杆带动滑轮沿滑槽平动的同时，连杆带动万向联轴器转动，进而通过传动杆带动翼板边摆动边转动。

当然，可以理解的是，此处所述的电机为电动机，其型号并不受限制，采用质量、体积及输出功率等参数均能满足飞行器需求的现有电动机即可；此处的万向联轴器也是采用现有的结构，即联轴器的主动轴和从动轴两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。

需要特别指出的是，所述的扑翼机构有两组，对称安装在基体的两侧，两组扑翼机构的动作过程相关联；两个滑轮从轴向连接为一体，共同沿滑槽运动，也可以采用一个电机，同时驱动两个曲柄同步转动。

进一步的，所述的基体上设有支架底座12，支架底座上安装有支架11，所述支架通过铰链与传动杆连接，从而实现对支撑杆的稳定支撑；

优选的，所述的铰链优选为球形铰链9，使传动杆能够绕其轴线自转和绕铰接点转动。

进一步的，所述基体上的滑槽能够便于滑轮在滑槽内进行滑动，滑槽与滑轮的接触面上贴敷有光滑锡纸薄膜，达到减小摩擦的效果；同时，所述滑槽留有余量，当需要更改翼板的挥摆角度和扭转角度时，通过调节曲柄和连杆的长度即可实现。

优选的，所述连杆和曲柄通过一个滚动轴承连接，所述滑轮外侧通过平面推力球轴承连接万向联轴器主动轴，减小摩擦同时有效实现滑轮在滑槽内的前后滑动。

当然，可以理解的是，所述的支架为一个固定长板，基体上开有固定槽和固定孔，固定长板穿过固定槽和固定孔，所述机架沿机身对称设置，支架底座与固定孔配合安装，从而限制固定长板的运动；固定长板的两端设有球形铰链，用于连接翼板；所述球形铰链限制翼板三个移动自由度和沿竖直方向旋转的自由度，从而实现了挥摆和扭转；

如图4所示，所述的两个滑轮也可以替换为一个滑轮，将滑轮的轴向延长，将一端设置为可拆卸的结构，一端从滑槽穿过后将可拆卸结构安装在滑轮上，从而形成能够在滑槽上稳定滑动的滑轮结构。

下面，结合图5和图6，对本发明的动作过程和悬停原理做进一步介绍：

如图5所示，当曲柄远离电机的一端低于电机的水平高度时，电机带动曲柄逆时针转动，连杆带动滑轮沿滑槽向右平动，万向联轴器带动传动杆杆的一端向右运动，传动杆安装有翼板的一端向左摆动，翼板的第一面在摆动的过程中受到向上的升力和向后的推力作用，在连杆带动滑轮向右平动的同时，还带动万向联轴器绕其轴线转动，从而通过传动杆带动翼板转动，随着滑轮逐渐向右平动，翼板从最右侧的竖直方向状态逐渐逆时针转动倾斜，倾斜到最大角度后改为顺时针转动逐渐回复竖直状态，当滑轮到达右端的极限位置时，曲柄处于水平状态，翼板恰好到达最左端位置且处于竖直状态；

曲柄继续逆时针转动，如图6所示，此时连杆带动滑轮沿滑槽向左平动，万向联轴器带动传动杆的一端向右运动，传动杆安装有翼板的一端向右摆动，翼板的与第一面相对的第二面在摆动的过程中受到向上的升力和向前的推力作用，在连杆带动滑轮向左平动的同时，还带动万向联轴器绕其轴线转动，从而传动杆带动翼板转动，随着滑轮逐渐向右平动，翼板从最左侧的竖直状态逐渐顺时针转动倾斜，倾斜到最大角度后改为逆时针转动逐渐回复竖直状态，当滑轮到达左端极限位置时，曲柄处于水平状态，翼板恰好到达最右端且处于竖直状态。

本发明能够实现稳定悬停功能，有效缓解了扑翼飞行器扑翼产生的抖动现象，同时也更接近于蜂鸟的真实飞行状态。

需要特别指出的是，所述万向联轴器的一端连接滑轮，另一端连接传动杆，起到铰链的作用，从而能够带动传动杆的摆动；万向联轴器主动轴的侧面设有一个固定孔，连杆的一端插入并固定在固定孔中，从而能够带动万向联轴器进行扭转，从而能够使翼板随着曲柄的转动进行扭转运动；

由于翼板向前挥摆过程中同时做扭转运动，使得机翼产生了垂直于机翼面的气动力，其产生的气动力不仅有竖直向上的分量，还有水平向后的气动力分量，为了消除水平方向的气动力分量，令翼板在向后挥摆时，产生沿竖直方向对称的扭转运动，产生向上和向前的气动力，由于前向和后向气动力大小相等方向相反，又由于机翼扑打的一个周期时间相对较短，因此，这样前后挥摆时的前后气动力分量相互抵消，缓解了扑翼运动过程汇总产生的抖动现象，同时保留了竖直向上的气动力，增大了气动效率。

本发明将传统扑翼的上下扑打更改为前后挥摆，在整个周期内都能产生向上的正升力，与上下扑打的扑翼飞行器相比较，在一个周期内能够提供更大的升力，避免了上下扑翼机器人在进行扑打的同时上扑翼所产生的负升力。

进一步的，所述翼板具有不同的规格，翼板上均设有对接部，通过对接部连接传动杆，在需要不同规格大小的翼板时，将对接部从传动杆上拔下即可更换另一翼板，同时也方便了后续的拆卸及携带。

实施例2

本发明的另一典型实施例中，如图2、图7和图8所示，一种可悬停扑翼机器人。

包括一个基体，所述基体上安装有扑翼机构，所述扑翼机构包括驱动机构和翼板，所述翼板包括相对的第一面和第二面，第一面在翼板向第一方向运动时能够在空气的作用下产生升力，第二面在翼板向第二方向运动时能够在空气的作用下产生升力，所述驱动机构带动翼板做第一方向和第二方向交替的运动；所述基体上设有滑槽，所述驱动机构包括电机、曲柄、连杆和滑轮，所述滑轮的外侧连接有对接块，所述的对接块通过轴承安装在滑轮上，所述电机的输出端连接曲柄的一端，曲柄的另一端连接连杆的一端，连杆的另一端连接对接块，电机驱动曲柄转动从而带动滑轮相对于滑槽运动；所述滑轮通过传动机构带动翼板运动，所述的传动机构包括万向联轴器、传动杆和支架，所述传动杆的一端通过万向联轴器连接对接块，另一端连接翼板，所述支架安装在基体上，传动杆中段通过球形铰链安装在支架上，翼板在滑轮的带动下做第一方向和第二方向交替摆动的同时，翼板也在传动杆的带动下绕传动杆轴线转动。

更进一步地，所述的扑翼机构有两组，对称安装在基体的两侧；所述两组扑翼机构的两个曲柄采用同一个电机同步驱动，两个滑轮从轴向上连接，共同沿滑槽运动，两个翼板在电机的驱动下，同步做第一方向或第二方向的运动；所述的滑槽为贯穿基体的腰形孔，两个滑轮分别从滑槽的两侧连接对接块，滑槽与滑轮的接触面上铺设有光滑锡纸薄膜。

优选的，区别于实施例1，所述的基体上还设有尾翼，用于调节整体的运动状态；所述的尾翼包括尾板3、尾板舵机13和舵机连杆14，所述舵机固定在集体上，舵机的输出端通过舵机连杆连接尾板，尾板舵机的驱动尾板摆动。

通过舵机控制尾板的相对于水平面的角度，从而改变尾板在飞行器悬停时的受力，若尾板下压，则在竖直向上的升力作用下，尾板还受到水平向前的气动分力，从而能够实现前进；若尾板上翘，在水平向上的升力作用下，尾板还受到水平向后的分力，从而能够实现后退；若尾板水平，则水平方向上没有分力，飞行器保持悬停状态。

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。