振翅航行器的制作方法

本发明涉及航行器领域，具体涉及一种在流体中，例如在空气或水中航行的振翅航行器。

背景技术：

目前的振翅机方案很多，现有振翅多采用直线往复的运动方式，振翅的运动是一个直线方向上反复加减速的过程，振翅机在飞行中由于振翅惯量的客观存在，直线的往复运动使振翅受到很大的交变力矩，尤其是行程的最大值处，振翅受到的交变力矩最大，就像往返式活塞，在往复运动中，受到的较大交变力矩一样。因此，振翅机对机翼材料要求极为苛刻，振翅的频率很难提高；另外，振翅本身的惯量及直线往复运动，使振翅在不断的加速减速中做了很多无用功，浪费很多能源。

综上所述，现有技术中存在以下问题：目前的振翅机对机翼材料要求极为苛刻，而且振翅能量损耗大。

技术实现要素：

本发明提供一种振翅航行器，以解决目前的振翅机对机翼材料要求高，振翅能量损耗大的问题。

为此，本发明提出一种振翅航行器，包括：机身和至少一个振翅，振翅至少包括：翅杆和翅面，所述振翅航行器还包括：至少一个运动合成系统，运动合成系统有三种与机身及振翅联接的连接轴；三种连接轴分别是：具有自转和公转自由度的输出轴、驱动输出轴公转的输入轴、控制输出轴自转的控制轴，其中，三种连接轴的一端通过运动链的连接构成运动合成系统，并且输入轴的另一端和控制轴的另一端直接或间接与机身联接，输出轴的另一端与振翅固定联接，翅杆与输出轴的夹角为0到45度任一数值；进一步，所述运动链分为刚性运动链、柔性运动链、刚柔混合运动链；进一步的，输入轴和控制轴通过转动副与机身联接，进一步的，运动合成系统是：控制振翅自转的控制轴，具有自转和公转自由度的输出轴，控制轴与输出轴通过双自由度联轴器固定联接，双自由度联轴器是具有公转和自转自由度的联轴器。

所述运动合成系统还包括：原动机以及曲柄或动态曲柄，原动机与控制轴固定联接，原动机的输出轴与曲柄或动态曲柄的一端固定联接，曲柄或动态曲柄的另一端通过转动副与输出轴联接；或者，运动合成系统是：控制振翅自转的控制轴，具有自转和公转自由度的输出轴，控制轴与输入轴通过双自由度联轴器固定联接，曲柄或动态曲柄与输出轴通过转动副联接。动态曲柄：是通过转动副约束的质心偏离转动轴线的转动件，转动件可对同轴线上的约束件产生径向力。

进一步的，与输入轴固定联接的偏心轴、与偏心轴并联设置在控制轴与输出轴之间的双自由度联轴器，偏心轴与双自由度联轴器通过转动副联接，并且双自由度联轴器的两端分别与控制轴和输出轴固定联接。

进一步的，所述运动合成系统包括：与输入轴固定联接的弹性偏心轴，翅杆与输出轴为一体的管状双自由度联轴器；弹性偏心轴置于管状双自由度联轴器之中；弹性偏心轴与管状双自由度联轴器通过转动副相互约束，控制轴与所述管状双自由度联轴器构件固定联接。

进一步的，所述运动合成系统至少包括：一个双曲柄机构或平行多曲柄机构，所述双曲柄机构或平行多曲柄机构至少包括：一个四杆保持架、至少两个曲柄，至少一个连杆，及与四杆保持架固定联接的控制轴，与连杆固定联接的输出轴，及至少一个与曲柄固定联接的输入轴。

进一步的，所述运动合成系统至少包括：一个曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构至少包括一个曲柄，至少一个连杆，至少一个四杆保持架，及与至少一个曲柄一端固定联接的输入轴，与连杆固定联接的输出轴，与四杆保持架固定联接的控制轴。

进一步的，所述运动合成系统包括：一端与输入轴相连接、另一端与翅杆相连接并至少具有两个转动自由度的联轴器。

进一步的，振翅航行器还包括：设置在机身上并连接所述控制轴的角度调整机构，所述角度调整机构为蜗轮蜗杆机构、齿轮机构、或步进电机。

进一步的，所述振翅航行器还包括：设置在翅面上的配重，所述配重靠近翅杆上的翅梢，远离翅杆上的翅根。

进一步的，所述输入轴为双输出轴电机，多个所述振翅左右对称设置，多个所述振翅分别连接在双输出轴电机的两侧。

进一步的，所述振翅航行器还包括：原动机，其中，控制轴与输出轴通过双自由度联轴器固定联接，原动机与控制轴固定联接，输入轴与原动机机体通过转动副联接，输入轴与偏心块通过双自由度联轴器固定联接，且输出轴与输入轴通过转动副联接。

进一步的，控制轴与输出轴通过双自由度联轴器固定联接，输入轴的左侧通过转动副与机身联接，输入轴的右侧与动态曲柄通过所述双自由度联轴器固定联接，且输出轴与输入轴通过转动副联接。

输出轴在运动合成系统的作用下，将输入轴的动力转化为所述翅杆进行公转做圆周运动，在圆周运动过程中，所述翅杆的运动轨迹为以翅杆为母线的圆柱面(翅杆为刚性条件下，且在真空状态下)或(翅杆为弹性材料的条件下，且在真空状态下)所述翅杆的运动轨迹为以翅杆为母线的圆锥面；当振翅机在流体中运动时，具有自转自由度的输出轴使得所述翅杆在圆周运动过程中自转锁死或自转受限。由于翅杆做公转、做圆周运动而不是往复的直线运动，只需克服流体阻力完成运动做工，而不需要克服翅杆的惯性力矩做无用功浪费能源，由于翅杆为弹性构件做圆锥运动，由于离心力的作用使翅杆受到一个持续的轴向拉力，因而振翅的强度可以降低要求，因而降低了材料要求，降低了重量，降低了成本。

翅杆本身可以由具有弹性的材料制成，即振翅可以实现一定幅度的摆动，以产生一定的升力。振翅在离心力及空气阻力的共同作用下，使输入的单纯转动转变为振翅的空间锥体运动，也就是翅杆上的质点的运动轨迹为大小不一的封闭曲线。

再就是，现有技术有些设计方案实现了振翅的空间三维运动的方式，但在传动系统中存在往复直线运动构件，且结构复杂自重很大，增加了振翅机的能耗；因而，很难大型化、实用化。本发明在翅杆做公转运动的基础上，采用较为简单的双自由度联轴器、曲柄连杆、联轴器、平行多曲柄机构作自转限制构件，使得整个航行器结构简单、重量轻，减少能耗，降低了对材料的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的振翅航行器结构示意图；

图2为本发明实施例2的振翅航行器结构示意图；

图3为图2的b-b方向的剖视图；

图4为本发明实施例3的振翅航行器结构示意图；

图5为本发明实施例4的振翅航行器结构示意图；

图6为本发明实施例5的振翅航行器结构示意图；

图7为本发明实施例6的振翅航行器结构示意图；

图8为本发明实施例7的振翅航行器结构示意图；

图9为本发明实施例8的振翅航行器结构示意图。

附图标号说明：

1、机身；2、振翅；21、翅杆；22、翅面；25、配重；3、运动合成系统；31、输出轴；32、输入轴；33、控制轴；41、蜗杆；42、涡轮；

301、曲柄；302、连杆；303、滑动件；

304、软轴；

306、偏心轴；

307、机架(四杆保持架)

308、原动机；

309、弹簧；

311、偏心块。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

实施例1：运动合成系统包括双自由度联轴器和偏心轴

如图1所示，本实施例的振翅航行器包括：机身1和至少一个振翅2、以及运动合成系统。振翅2包括翅杆21和与翅杆21位于一个平面内的翅面22。翅面22可以由塑料或金属或碳纤维制成。运动合成系统有三种与机身及振翅联接的连接轴；三种连接轴分别是：具有自转和公转自由度的输出轴31、驱动输出轴公转的输入轴32、控制输出轴31自转的控制轴33。控制轴33可以为空心轴，输入轴32设置在控制轴33内。

该实施例中，所述运动合成系统包括：与输入轴连接的偏心轴306、与偏心轴306并联设置在控制轴33与输出轴31之间的双自由度联轴器。双自由度联轴器是，轴线可移动或弯曲传动的联轴器。用于联接不同轴线和不在同一方向或有相对运动的两轴以传递旋转运动和扭矩；能把旋转运动和转矩灵活地传到任何位置。双自由度联轴器可以是实心或空心轴，双自由度联轴器分为刚性联轴器、包含柔性或弹性材料的联轴器，单一柔性或弹性材料的联轴器，或者是，串联多构件通过运动副或弹性构件联接构成；例如：软轴联轴器、弹性轴联轴器、万向节联轴器、十字滑块联轴器、囚笼万向联轴器、簧片联轴器、轮胎联轴器、sfc联轴器等.双自由度联轴器在本发明中的使用条件是，当同时出现两个双自由度联轴器时，其中必须有一个是弹性联轴器。

输出轴31与偏心轴306通过转动副联接。

输入轴31、控制轴33直接或间接与机身1联接。

图1中，双自由度联轴器采用软轴304，软轴是刚性很小具有弹性可自由弯曲传动的轴。用于联接不同轴线和不在同一方向或有相对运动的两轴以传递旋转运动和扭矩。能把旋转运动和转矩灵活地传到任何位置。软轴304可以由具有柔性的材料制成，例如为金属，在重力作用下，能弯曲但不断开。软轴304可以套设在偏心轴306之外；软轴304也可以不套设在偏心轴306之外，与偏心轴306形成两条并列的线路，即偏心轴306与软轴304并列设置。除此之外，可以用具有公转和自转自由度的联轴器代替软轴304，这样的联轴器可以为十字轴联轴器、十字滑块联轴器、弹簧联轴器、软轴联轴器、桶状空心软轴联轴器，及其它柔性联轴器。

如图1所示，翅杆21的左端与输出轴31固定连接，翅杆的右端为自由端。偏心轴306的右端与软轴304的右端通过转动副联接。软轴的右端就是输出轴31。

翅杆21的左端和软轴304的右端固定连接，偏心轴306的右端通过转动副与软轴304的右端连接。即翅杆21的左端与输出轴31固定连接，因而所述翅杆绕输入轴32进行公转做圆周运动。

输入轴32通过转动副与机身1联接，并与机身上的动力装置(例如为电机，马达)连接，获得驱动动力。

该输出轴31有公转自由度，且该输出轴31还具有自转自由度，在稳定的航行状态下，该输出轴31自转锁死或不自转或小角度的自转，以不影响振翅的正常运动，实现稳定航行。在航行姿态需要调整的时候，通过控制轴33调整输出轴31自转的角度，以实现振翅在介质(空气、水)中的角度调整，实现不同的飞行或航行姿态。

控制轴33通过转动副与机身1联接，输入轴32右侧固定连接的偏心轴306通过转动副与控制轴33的右侧相连接。可以通过手动或机械调整机构，调整或改变所述控制轴33的角度。机械调整机构例如为：设置在机身上并连接所述控制轴33的角度调整机构，所述角度调整机构可以为蜗轮蜗杆机构、齿轮机构、或步进电机。角度调整机构调整控制轴33转动的角度，以便使振翅以不同的角度形成不同的飞行或航行姿态。蜗轮蜗杆机构包括：设置在机身上的蜗杆41和与蜗杆配合的涡轮42。涡轮42与控制轴33固定连接，涡轮42带动控制轴33转动一定角度，从而带动输出轴31转动一定角度，对振翅进行航行角度调整。

实施例2：运动合成系统包括偏心轴

如图2和图3所示，本实施例的振翅航行器包括：机身和至少一个振翅、以及运动合成系统。运动合成系统有三种与机身及振翅联接的连接轴；三种连接轴分别是：具有自转和公转自由度的输出轴、驱动输出轴公转的输入轴、控制输出轴自转的控制轴。该实施例与实施例1的主要区别在于运动合成系统的构成。运动合成系统的之外的其他结构、角度调整机构、以及输入轴、控制轴、输出轴的连接关系，动作关系可以参照实施例1。

该实施例中，所述运动合成系统包括：与输入轴32固定连接的偏心轴306。

如图2和图3所示，偏心轴306可以由圆形轴一体制成。偏心轴是在一根圆形轴上去掉一部分，例如去掉一半或一多半，形成截面为半圆或小半圆的轴，这样，利用一根圆形轴即可加工出圆形的连接轴部分和偏心轴部分，圆形的连接轴部分作为连接部。这样，便于加工，结构简单，适合航行中机构简单的理念，而且一体式结构的偏心轴能有较好强度。

偏心轴306为弹性或柔性构件，翅杆与输出轴31为一体的弹性或柔性管状构件；偏心轴306置于管状构件之中；通过转动副相互约束，控制轴33与所述管状构件固定联接。

输入轴32通过转动副与机身联接，并与机身上的动力装置连接，获得驱动动力。

偏心轴306具有公转和自转自由度。在稳定的航行状态下，该输出轴31自转锁死或不自转，连接在偏心轴306上的翅杆和振翅也就自转锁死或不自转，以不影响振翅的正常运动，实现稳定航行。在航行姿态需要调整的时候，通过控制轴33调整输出轴31自转的角度，以实现振翅在介质(空气、水)中的角度调整，实现不同的飞行或航行姿态。

控制轴33通过转动副与机身1联接。可以通过手动或机械调整机构，调整或改变所述控制轴33的角度。机械调整机构例如为：设置在机身上并连接所述控制轴33的角度调整机构，所述角度调整机构可以为蜗轮蜗杆机构、齿轮机构、或步进电机。角度调整机构调整控制轴33转动的角度，以便使振翅以不同的角度形成不同的飞行或航行姿态。

实施例3：运动合成系统包括曲柄连杆(偏心轴连杆)机构

本实施例的振翅航行器包括：机身和一个振翅或多个振翅、以及运动合成系统。运动合成系统有三种与机身及振翅联接的连接轴；三种连接轴分别是：具有自转和公转自由度的输出轴、驱动输出轴公转的输入轴、控制输出轴自转的控制轴。输入轴通过转动副与机身联接，并与机身上的动力装置连接，获得驱动动力。该实施例与实施例1的主要区别在于运动合成系统的构成。运动合成系统的之外的其他结构、角度调整机构、以及输入轴、控制轴、输出轴的连接关系，动作关系可以参照实施例1。

如图4所示，本实施例中，所述运动合成系统3至少包括：一个曲柄连杆(偏心轴连杆)机构。

曲柄连杆机构中，包括设置在机身1上的至少一个机架(四杆保持架)307、设置在机架307上的至少一个曲柄301、连接曲柄的至少一个连杆302和连接在连杆上做平移运动的滑动件303(例如为滑块、滑杆)，其中，曲柄301与输入轴32连接，曲柄301与滑动件303之间通过连杆302连接，在输入轴32的带动下，曲柄301实现公转，滑动件303相对于机架307平移运动，连杆302则为受制约的转动及摆动的复合运动，发生一定角度的自转。一个连杆302上可以连接多个翅杆21。每个翅杆21的左端与连杆302连接，每个翅杆的右端为自由端。

翅杆21的左端和连杆302固定连接，曲柄301的左端与输入轴32固定连接，曲柄301的右端通过转动副与连杆302的一端连接，连杆302的另一端则与滑动件303连接。曲柄301的两端分别通过转动副与四杆保持架307及连杆302的一端联接，连杆302的另一端与滑动件303通过转动副联接，滑动件303与四杆保持架307通过移动副联接。

曲柄连杆机构中，输出轴31连接在连杆302上或与翅杆21为同一构件，有公转自由度，因而所述翅杆21绕输入轴32进行公转做圆周运动。另外，该输出轴31还具有自转自由度，在稳定的航行状态下，该输出轴31为受限定的转动，翅杆21和振翅也就在小范围或小角度自转，这个转动角度以不影响振翅的正常航行为准。在航行姿态需要调整的时候，还可以通过控制轴调整输出轴31自转的角度，以实现振翅在介质(空气、水)中的角度调整，实现不同的飞行或航行姿态。

控制轴33与机架(四杆保持架)307固定连接，并且机架(四杆保持架)307通过转动副与机身1联接，输入轴32右侧固定连接的曲柄301通过转动副与控制轴33的右侧相连接。可以通过手动或机械调整机构，调整或改变所述控制轴33的角度，实现曲柄301角度的同步调整，从而实现连杆角度的变化，最终实现翅杆21和振翅角度的改变。机械调整机构例如为：设置在机身上并连接所述控制轴33的角度调整机构，所述角度调整机构可以为蜗轮蜗杆机构、齿轮机构、或步进电机。角度调整机构调整控制轴33转动的角度，以便使振翅以不同的角度形成不同的飞行或航行姿态。

实施例4：运动合成系统包括至少一个双曲柄机构或平行多曲柄机构(也是平行多偏心轴机构)，例如双曲柄机构、平行双曲柄机构、或平行三曲柄机构等。

本实施例的振翅航行器包括：机身和一个振翅或多个振翅、以及运动合成系统。运动合成系统有三种与机身及振翅联接的连接轴；三种连接轴分别是：具有自转和公转自由度的输出轴、驱动输出轴公转的输入轴、控制输出轴自转的控制轴。输入轴通过转动副与机身联接，并与机身上的动力装置连接，获得驱动动力。该实施例与实施例1的主要区别在于运动合成系统的构成。运动合成系统的之外的其他结构、角度调整机构、以及输入轴、控制轴、输出轴的连接关系，动作关系可以参照实施例1。

本实施例中，所述运动合成系统至少包括：以机身为机架、并与输入轴连接的平行多曲柄机构。

如图5所示，平行多曲柄机构，例如平行双曲柄机构、或平行三曲柄机构，包括在机身1上的机架(四杆保持架)307，至少两个设置在机架(四杆保持架)307上的曲柄301和连接在曲柄301之间的至少一个连杆302，及与四杆保持架307固定联接的控制轴33，与连杆302固定联接的输出轴31，及至少一个与曲柄301固定联接的输入轴32。所述多个曲柄301的两端分别通过转动副与四杆保持架307及连杆302联接。至少一个曲柄301与输入轴32固定连接，曲柄301之间通过连杆302连接，在输入轴32的带动下，各曲柄301实现同步的公转，连杆302则为受制约的平移运动，不发生自转。一个连杆302上可以固定连接多个翅杆21。每个翅杆21的左端与连杆302连接，每个翅杆21的右端为自由端。

以平行双曲柄机构为例，两个长度相等的曲柄301一端同时连接输入轴32，两个曲柄301的另一端通过连杆302相连，连杆302上可以连接有一个或多个振翅。连杆或连杆的右侧就是向振翅输出运动的输出轴。本实施例中，翅杆21和输出轴为一个构件或一体式结构。

翅杆21的左端和连杆302固定连接，至少一个曲柄301的左端与输入轴32固定连接，各曲柄301的右端通过转动副与连杆302连接。

平行多曲柄机构中，根据曲柄连杆的运动特性，可以得知，该输出轴，即连杆有公转自由度，且该输出轴还具有自转自由度，在稳定的航行状态下，该输出轴自转锁死或不自转，翅杆和振翅相对于机身也就自转锁死或不自转，实现稳定航行。在航行姿态需要调整的时候，通过控制轴调整输出轴的角度，以实现振翅在介质(空气、水)中的角度调整，实现不同的飞行或航行姿态。

控制轴33与机架(四杆保持架)307固定连接，并且机架(四杆保持架)307通过转动副与机身1联接，输入轴32右侧固定连接至少一个曲柄301，各曲柄301通过转动副与控制轴33的右侧相连接。可以通过手动或机械调整机构，调整或改变所述控制轴33的角度，实现各曲柄301角度的同步调整，从而实现连杆302角度的变化，最终实现翅杆21和振翅角度的改变。机械调整机构例如为：设置在机身1上并连接所述控制轴33的角度调整机构，所述角度调整机构可以为蜗轮蜗杆机构、齿轮机构、或步进电机。角度调整机构调整控制轴转动的角度，以便使振翅以不同的角度形成不同的飞行或航行姿态。

实施例5

本实施例的振翅航行器包括：机身和一个振翅或多个振翅、以及运动合成系统。本实施例与实施例1的主要区别是：如图6所示，运动合成系统是：控制振翅自转的控制轴33、以及具有自转和公转自由度的输出轴31，控制轴33与输出轴31通过软轴304固定联接，翅杆21连接在输出轴31上。所述运动合成系统还包括：原动机308，与控制轴33固定联接，输入轴32与原动机308的输出轴为同一构件，输入轴32通过转动副与原动机机体相连接。输入轴32与曲柄301固定联接，曲柄301的另一端通过转动副与输出轴31联接，输入轴带动曲柄301做公转，同时软轴304也随曲柄301的动作而进行公转并且软轴304在公转中自转锁死。与实施例1相比，本实施例可以有效降低机身的振动。

实施例6

本实施例的振翅航行器包括：机身和一个振翅或多个振翅、以及运动合成系统。本实施例与实施例1的主要区别是：如图7所示，运动合成系统是：控制振翅自转的控制轴33、以及具有自转和公转自由度的输出轴31，控制轴33与输出轴31通过弹簧309固定联接，所述振翅航行器还包括：动态曲柄装置，与输出轴31固定联接。动态曲柄装置例如为原动机308输出轴固定联接有偏心块311的振动装置。输出轴31与翅杆21连接，输入轴32与原动机308的输出轴为同一构件，输入轴32与动态曲柄(偏心块311)固定联接，原动机308通过带动动态曲柄转动，实现输出轴31相对于机身的公转，同时翅杆21也相对于机身的公转。将原动机308设置在翅杆21的根部与机身之间，有利于在简单结构下，增加翅杆21的公转幅度，节能降耗，减轻振翅航行器的总体重量。

实施例7

如图8所示，该实施例的运动合成系统有三种与机身及振翅联接的连接轴；三种连接轴分别是：具有自转和公转自由度的输出轴31、驱动输出轴公转的输入轴32、控制输出轴自转的控制轴33，其中，控制轴33与输出轴31通过双自由度联轴器(弹性轴或软轴304)固定联接，输入轴32的左侧通过转动副与机身1联接，输入轴32的右侧与动态曲柄(偏心块311)通过弹性轴或软轴304固定联接，且输出轴31与输入轴32通过转动副联接，翅杆21与输出轴31固定连接，翅杆21能够进行公转。进一步的，联接控制轴33与输出轴31和输入轴32与动态曲柄(偏心块311)时至少有一个弹性轴。

实施例8

如图9所示，该实施例的运动合成系统有三种与机身及振翅联接的连接轴；三种连接轴分别是：具有自转和公转自由度的输出轴31、驱动输出轴公转的输入轴32、控制输出轴自转的控制轴33，其中，控制轴33与输出轴31通过双自由度联轴器(弹性轴或软轴)固定联接，原动机308与控制轴33固定联接，输入轴32与原动机308的机体通过转动副联接，输入轴32与动态曲柄(偏心块311)通过弹性轴或软轴固定联接，且输出轴31与输入轴32通过转动副联接，进一步的，联接控制轴33与输出轴31和输入轴32与动态曲柄(偏心块311)时至少有一个弹性轴。

除上面实施例之外，运动合成系统还可以用联轴器来代替。联轴器一端与输入轴相连接、另一端与翅杆相连接并至少具有两个转动自由度。这样的联轴器可以为十字轴联轴器、十字滑块联轴器、弹簧联轴器、软轴联轴器、桶状空心软轴联轴器，及其它柔性联轴器。这种结构的振翅航行器，翅杆做公转、做圆周运动，并且自转受限或锁死，能够稳定航行。

进一步的，如图1所示，所述振翅航行器还包括：设置在翅面上的配重25，所述配重25例如为块状，靠近翅杆的翅梢，远离翅杆的翅根，以形成有助于航行的翅面的振动。

进一步的，所述输入轴为双输出轴电机，多个所述振翅左右对称设置，多个所述振翅分别连接在双输出轴电机的两侧。这样，一个电机可以驱动两侧的振翅运动，有利于航行器整体结构的简化，也有利于对称和平衡。

进一步的，所述振翅航行器还包括：连接所述输入轴的传动系统，所述传动系统为链轮、皮带轮、或减速机。动力装置，例如电机、马达，通过传动系统可以实现动力的有效、平稳的传递。

本发明降低了对振翅材料性能方面的要求，结构简单，重量轻便，成本低，适合大规模推广。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。