一种翼展面积可调式扑翼机器人

本发明涉及机器人领域，更具体地说，涉及一种翼展面积可调式扑翼机器人。

背景技术：

微型飞行器体积小携带方便，且具有良好的机动性和隐蔽性。因此微型飞行器适于在狭窄空间和恶劣环境下完成勘探、侦查、救援等任务。正是由于微型飞行器在特殊条件下的应用需求和空缺，使得微型飞行器成为近二十年来航空领域的研究热点根据飞行方式的不同，微型飞行器大致分为三类：固定翼飞行器、旋翼飞行器及扑翼飞行器。这三类飞行器各有优缺点，简单来说，固定翼飞行器具有高速飞行的传统优势，但是难以实现悬停或是垂直起降；旋翼飞行器能够实现垂直起降和悬停，但其为了平衡自身扭矩导致结构上较为复杂，而且也存在低雷诺数下气动效率低的缺点。

扑翼飞行器是一种符合仿生学原理的新型飞行器，它具有高气动效率，高机动性的优点，能够实现垂直起降和悬停，因此微型扑翼飞行器是发展高效微型可垂直起降悬停飞行器极有潜力的方向。然而在目前的研究中，扑翼在上拍过程中翼面会带来很大的负升力，如何减小上拍过程中的负升力仍是扑翼飞行器的研究重点之一，为此我们提出一种翼展面积可调式扑翼机器人来解决以上问题。

技术实现要素：

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种翼展面积可调式扑翼机器人，可以通过驱动单元驱动拉杆及主驱动杆同步往复运动，进而带动扑翼结构上下做仿鸟的扑翼飞行运动，在高空高空气流的情况下，扑翼结构下移过程中，空气从进气仓进入气囊，气囊受气压鼓起，此时气囊提供复位杆向上支持力，使复位杆克服弹性复位筋的弹力，带动副翼骨绕主翼骨尾端下移旋转，使扑翼结构下移时形成聚拢结构，能从其底部空气获取高效的上升力，在扑翼结构上移过程中，气囊内气体从辅助窗口内的排气口排出，复位杆在弹性复位筋的作用下复位，带动副翼骨与主翼骨形成一体的流线形，此时结合排气口排出的空气，能使扑翼结构具有更好的滑翔能力和行程，本发明结合辅助窗口的扑翼结构设计，在相等能耗的情况下，能有效提升扑翼机器人的上升力度和滑翔能力，具有市场前景，适合推广。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种翼展面积可调式扑翼机器人，包括机架和安装在机架上的驱动单元、扑翼结构及尾翼，两组所述扑翼结构对称设置在机架两侧，所述扑翼结构包括主驱动杆，所述主驱动杆转动连接在机架上，所述主驱动杆的一端转动连接有副驱动杆，所述副驱动杆的底部转动连接有拉杆，所述拉杆及主驱动杆在驱动单元的驱动下同步往复运动，所述主驱动杆及副驱动杆上等距均分设有若干主翼骨，所述主翼骨的尾部一端转动连接设有副翼骨，所述副翼骨与主翼骨间设有复位杆，所述复位杆的一端与副翼骨顶端转动连接，所述复位杆的另一端设有往复槽，所述主翼骨的一侧固定有与往复槽相匹配的滑轮，所述滑轮与副翼骨的顶端间套接设有弹性复位筋，所述副翼骨与主翼骨的顶侧包覆有上翼膜，所述副翼骨与主翼骨的底侧包覆有下翼膜，所述下翼膜的尾部等距均分设有若干辅助窗口，所述辅助窗口内设有排气口，所述上翼膜与下翼膜间设有气囊，所述气囊穿插设置在副翼骨与主翼骨间，所述气囊与排气口连通设置，所述机架前端设有进气仓，所述进气仓的输出端通过气管与气囊连通设置。本方案通过驱动单元驱动拉杆及主驱动杆同步往复运动，进而带动扑翼结构上下做仿鸟的扑翼飞行运动，在高空高空气流的情况下，扑翼结构下移过程中，空气从进气仓进入气囊，气囊受气压鼓起，此时气囊提供复位杆向上支持力，使复位杆克服弹性复位筋的弹力，带动副翼骨绕主翼骨尾端下移旋转，使扑翼结构下移时形成聚拢结构，能从其底部空气获取高效的上升力，在扑翼结构上移过程中，气囊内气体从辅助窗口内的排气口排出，复位杆在弹性复位筋的作用下复位，带动副翼骨与主翼骨形成一体的流线形，此时结合排气口排出的空气，能使扑翼结构具有更好的滑翔能力和行程，本发明结合辅助窗口的扑翼结构设计，在相等能耗的情况下，能有效提升扑翼机器人的上升力度和滑翔能力，具有市场前景，适合推广。

进一步的，所述驱动单元为驱动电机，所述驱动单元的输出端固定有驱动齿轮，所述机架上转动连接设有两个对称设置的从动齿轮，两个所述从动齿轮相啮合，所述驱动齿轮与一侧的从动齿轮相啮合，所述从动齿轮的一侧偏心转动连接有第一传动杆，所述第一传动杆的一端与主驱动杆转动连接，所述第一传动杆的中部与拉杆转动连接。通过驱动单元的驱动齿轮带动两个从动齿轮相反方向旋转，在第一传动杆的带动下，主驱动杆上下往复运行，拉杆左右往复运行，进而形成主驱动杆下移时副驱动杆内折、主驱动杆上移时副驱动杆平直的扑翼运行轨迹，进一步提升了扑翼机器人的上升力。

进一步的，所述从动齿轮的一侧圆心位置固定有同步轮，两个所述进气仓对称设置，所述进气仓的输入端设有滑槽，所述滑槽内滑动连接设有与其相匹配的仓门，所述同步轮的一侧偏心转动连接有第二传动杆，所述第二传动杆远离同步轮的一端与仓门顶部转动连接。

进一步的，所述同步轮与第二传动杆的连接点旋转轴、从动齿轮与第一传动杆的连接点旋转轴同轴设置。通过旋转对称设置的连接点设置，使从动齿轮的连接点下移至最低点时，同步轮的连接点也下移至最低点，此时主驱动杆在杠杆作用下呈上移状态，即扑翼结构上移，同时第二传动杆在同步轮带动下推动仓门完全下移闭合，使进气仓进气及闭合的时机与扑翼结构下移和上移动作同步，满足气囊进气及排气的同步性。

进一步的，所述弹性复位筋为往复化学肌肉结构，所述弹性复位筋具有驱动复位杆沿往复槽往主翼骨前端位移的弹力。通过弹性复位筋的设置，能在气囊无持续压强进入时，即仓门闭合时，有效利用弹性复位筋的弹力复位副翼骨与主翼骨，使二者形成一体的流线形，在此过程中能利用二者的合并压力压迫气囊，使气囊内的空气能快速从排气口排出。

进一步的，所述辅助窗口设置在两个相邻的主翼骨间，所述气囊通过排气管与排气口连通设置，所述排气口上固定有与其轮廓相匹配的弹性夹。通过弹性夹的设计，使气囊进入空气时，利用弹性夹的弹力闭合排气口，使气囊能从进气仓接受足够压强的空气，在进气仓闭合时，在弹性复位筋的压力作用下，加压的空气迫使弹性夹开启，从而提供有效的排气通道。

进一步的，所述机架上安装设有舵机，所述舵机的输出端与尾翼传动连接。通过舵机及尾翼的设置，能有效控制扑翼机器人的飞行方向及角度，提升飞行灵敏度。

进一步的，所述上翼膜、下翼膜、气囊均为天然橡胶薄膜结构。通过天然橡胶薄膜结构的设计，减轻自重的同时，利用天然橡胶薄膜的弹力能在扑翼结构下移过程中兜住更多空气，从而提供更有效的上升力。

进一步的，所述机架、主翼骨、副翼骨、主驱动杆、副驱动杆及拉杆均为碳纤维结构制作。通过碳纤维结构的设计，提升结构强度的同时进一步降低了自重。

进一步的，所述机架上安装设有蓄电池、空速计、gps定位模块和接收机，所述接收机内置飞控系统，所述接收机通过导线连接蓄电池，所述空速计、gps定位模块及驱动单元均通过导线与接收机电性连接。通过接收机、空速计等结构设计，可使使用者利用遥控装置控制扑翼机器人，结合gps定位模块能有效定位寻回，提升操作实用性。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本方案通过驱动单元驱动拉杆及主驱动杆同步往复运动，进而带动扑翼结构上下做仿鸟的扑翼飞行运动，在高空高空气流的情况下，扑翼结构下移过程中，空气从进气仓进入气囊，气囊受气压鼓起，此时气囊提供复位杆向上支持力，使复位杆克服弹性复位筋的弹力，带动副翼骨绕主翼骨尾端下移旋转，使扑翼结构下移时形成聚拢结构，能从其底部空气获取高效的上升力，在扑翼结构上移过程中，气囊内气体从辅助窗口内的排气口排出，复位杆在弹性复位筋的作用下复位，带动副翼骨与主翼骨形成一体的流线形，此时结合排气口排出的空气，能使扑翼结构具有更好的滑翔能力和行程，本发明结合辅助窗口的扑翼结构设计，在相等能耗的情况下，能有效提升扑翼机器人的上升力度和滑翔能力，具有市场前景，适合推广。

（2）通过驱动单元的驱动齿轮带动两个从动齿轮相反方向旋转，在第一传动杆的带动下，主驱动杆上下往复运行，拉杆左右往复运行，进而形成主驱动杆下移时副驱动杆内折、主驱动杆上移时副驱动杆平直的扑翼运行轨迹，进一步提升了扑翼机器人的上升力。

（3）通过旋转对称设置的连接点设置，使从动齿轮的连接点下移至最低点时，同步轮的连接点也下移至最低点，此时主驱动杆在杠杆作用下呈上移状态，即扑翼结构上移，同时第二传动杆在同步轮带动下推动仓门完全下移闭合，使进气仓进气及闭合的时机与扑翼结构下移和上移动作同步，满足气囊进气及排气的同步性。

（4）通过弹性复位筋的设置，能在气囊无持续压强进入时，即仓门闭合时，有效利用弹性复位筋的弹力复位副翼骨与主翼骨，使二者形成一体的流线形，在此过程中能利用二者的合并压力压迫气囊，使气囊内的空气能快速从排气口排出。

（5）通过弹性夹的设计，使气囊进入空气时，利用弹性夹的弹力闭合排气口，使气囊能从进气仓接受足够压强的空气，在进气仓闭合时，在弹性复位筋的压力作用下，加压的空气迫使弹性夹开启，从而提供有效的排气通道。

（6）通过舵机及尾翼的设置，能有效控制扑翼机器人的飞行方向及角度，提升飞行灵敏度。

（7）通过天然橡胶薄膜结构的设计，减轻自重的同时，利用天然橡胶薄膜的弹力能在扑翼结构下移过程中兜住更多空气，从而提供更有效的上升力。

（8）通过碳纤维结构的设计，提升结构强度的同时进一步降低了自重。

（9）通过接收机、空速计等结构设计，可使使用者利用遥控装置控制扑翼机器人，结合gps定位模块能有效定位寻回，提升操作实用性。

附图说明

图1为本发明的正面结构示意图；

图2为本发明的底面结构示意图；

图3为本发明中提出的扑翼结构的剖面结构示意图；

图4为本发明中提出的上翼膜及下翼膜内部结构示意图；

图5为本发明中提出的主翼骨及副翼骨的结构示意图；

图6为本发明的内部结构示意图；

图7为本发明中提出的进气仓爆炸结构示意图；

图8为本发明中提出的气囊的结构示意图。

图中标号说明：

机架1、主驱动杆11、副驱动杆12、拉杆13、尾翼2、驱动单元3、驱动齿轮31、从动齿轮32、第一传动杆321、扑翼结构4、上翼膜41、下翼膜42、辅助窗口421、气囊43、排气管431、弹性夹432、排气口44、主翼骨45、副翼骨451、复位杆452、往复槽453、弹性复位筋454、滑轮455、副扑翼5、进气仓6、滑槽61、仓门62、同步轮63、第二传动杆64、气管7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-6，一种翼展面积可调式扑翼机器人，包括机架1和安装在机架1上的驱动单元3、扑翼结构4及尾翼2，两组扑翼结构4对称设置在机架1两侧，扑翼结构4包括主驱动杆11，主驱动杆11转动连接在机架1上，主驱动杆11的一端转动连接有副驱动杆12，副驱动杆12的底部转动连接有拉杆13，拉杆13及主驱动杆11在驱动单元3的驱动下同步往复运动，主驱动杆11及副驱动杆12上等距均分设有若干主翼骨45，主翼骨45的尾部一端转动连接设有副翼骨451，副翼骨451与主翼骨45间设有复位杆452，复位杆452的一端与副翼骨451顶端转动连接，复位杆452的另一端设有往复槽453，主翼骨45的一侧固定有与往复槽453相匹配的滑轮455，滑轮455与副翼骨451的顶端间套接设有弹性复位筋454，副翼骨451与主翼骨45的顶侧包覆有上翼膜41，副翼骨451与主翼骨45的底侧包覆有下翼膜42，下翼膜42的尾部等距均分设有若干辅助窗口421，辅助窗口421内设有排气口44，上翼膜41与下翼膜42间设有气囊43，气囊43穿插设置在副翼骨451与主翼骨45间，气囊43与排气口44连通设置，机架1前端设有进气仓6，进气仓6的输出端通过气管7与气囊43连通设置，上翼膜41、下翼膜42、气囊43均为天然橡胶薄膜结构。通过天然橡胶薄膜结构的设计，减轻自重的同时，利用天然橡胶薄膜的弹力能在扑翼结构4下移过程中兜住更多空气，从而提供更有效的上升力，机架1、主翼骨45、副翼骨451、主驱动杆11、副驱动杆12及拉杆13均为碳纤维结构制作。通过碳纤维结构的设计，提升结构强度的同时进一步降低了自重。机架1上安装设有蓄电池、空速计、gps定位模块和接收机，接收机内置飞控系统，接收机通过导线连接蓄电池，空速计、gps定位模块及驱动单元3均通过导线与接收机电性连接。通过接收机、空速计等结构设计，可使使用者利用遥控装置控制扑翼机器人，结合gps定位模块能有效定位寻回，提升操作实用性。

请参阅图6，驱动单元3为驱动电机，驱动单元3的输出端固定有驱动齿轮31，机架1上转动连接设有两个对称设置的从动齿轮32，两个从动齿轮32相啮合，驱动齿轮31与一侧的从动齿轮32相啮合，从动齿轮32的一侧偏心转动连接有第一传动杆321，第一传动杆321的一端与主驱动杆11转动连接，第一传动杆321的中部与拉杆13转动连接。通过驱动单元3的驱动齿轮31带动两个从动齿轮32相反方向旋转，在第一传动杆321的带动下，主驱动杆11上下往复运行，拉杆13左右往复运行，进而形成主驱动杆11下移时副驱动杆12内折、主驱动杆11上移时副驱动杆12平直的扑翼运行轨迹，进一步提升了扑翼机器人的上升力。

请参阅图7，从动齿轮32的一侧圆心位置固定有同步轮63，两个进气仓6对称设置，进气仓6的输入端设有滑槽61，滑槽61内滑动连接设有与其相匹配的仓门62，同步轮63的一侧偏心转动连接有第二传动杆64，第二传动杆64远离同步轮63的一端与仓门62顶部转动连接，同步轮63与第二传动杆64的连接点旋转轴、从动齿轮32与第一传动杆321的连接点旋转轴同轴设置。通过旋转对称设置的连接点设置，使从动齿轮32的连接点下移至最低点时，同步轮63的连接点也下移至最低点，此时主驱动杆11在杠杆作用下呈上移状态，即扑翼结构4上移，同时第二传动杆64在同步轮63带动下推动仓门62完全下移闭合，使进气仓6进气及闭合的时机与扑翼结构4下移和上移动作同步，满足气囊43进气及排气的同步性。

请参阅图5，弹性复位筋454为往复化学肌肉结构，弹性复位筋454具有驱动复位杆452沿往复槽453往主翼骨45前端位移的弹力。通过弹性复位筋454的设置，能在气囊43无持续压强进入时，即仓门62闭合时，有效利用弹性复位筋454的弹力复位副翼骨451与主翼骨45，使二者形成一体的流线形，在此过程中能利用二者的合并压力压迫气囊43，使气囊43内的空气能快速从排气口44排出。

请参阅图3、图4和图8，辅助窗口421设置在两个相邻的主翼骨45间，气囊43通过排气管431与排气口44连通设置，排气口44上固定有与其轮廓相匹配的弹性夹432。通过弹性夹432的设计，使气囊43进入空气时，利用弹性夹432的弹力闭合排气口44，使气囊43能从进气仓6接受足够压强的空气，在进气仓6闭合时，在弹性复位筋454的压力作用下，加压的空气迫使弹性夹432开启，从而提供有效的排气通道。

请参阅图1和图2，机架1上安装设有舵机，舵机的输出端与尾翼2传动连接。通过舵机及尾翼2的设置，能有效控制扑翼机器人的飞行方向及角度，提升飞行灵敏度。

本方案通过驱动单元3驱动拉杆13及主驱动杆11同步往复运动，进而带动扑翼结构4上下做仿鸟的扑翼飞行运动，在高空高空气流的情况下，扑翼结构4下移过程中，空气从进气仓6进入气囊43，气囊43受气压鼓起，此时气囊43提供复位杆452向上支持力，使复位杆452克服弹性复位筋454的弹力，带动副翼骨451绕主翼骨45尾端下移旋转，使扑翼结构4下移时形成聚拢结构，能从其底部空气获取高效的上升力，在扑翼结构4上移过程中，气囊43内气体从辅助窗口421内的排气口44排出，复位杆452在弹性复位筋454的作用下复位，带动副翼骨451与主翼骨45形成一体的流线形，此时结合排气口44排出的空气，能使扑翼结构4具有更好的滑翔能力和行程，本发明结合辅助窗口421的扑翼结构4设计，在相等能耗的情况下，能有效提升扑翼机器人的上升力度和滑翔能力，具有市场前景，适合推广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。