本发明公开了一种多层微型仿生扑翼飞行器，属于机械设计领域。所述的多层微型仿生扑翼飞行器包括双层双曲柄摇杆机构、驱动机构和柔性翼机构；驱动机构产生驱动力并传递给双层双曲柄摇杆机构，双层双曲柄摇杆机构产生相应的扑动轨迹以及主动翻转，带动与双层双曲柄摇杆机构相连的柔性翼机构，实现同时扑动和翻转运动的功能。通过设置上下两层机构的摇杆长度，曲柄长度，连杆长度等参数来改变两层双曲柄摇杆机构运动时的相位差，从而使柔性翼在扑动的同时进行旋转，产生攻角，同时柔性翼产生大变形，形成被动翻转，保证产生较大升力。该机构具有同时实现扑动和扭转翅膀等功能，具有结构紧凑、体积小巧、质量极轻、机构灵活等特点。
1.一种多层微型仿生扑翼飞行器，其特征在于，包括双层双曲柄摇杆机构、驱动机构和柔性翼机构；
驱动机构产生驱动力并传递给双层双曲柄摇杆机构，双层双曲柄摇杆机构产生相应的扑动轨迹以及主动翻转，带动与双层双曲柄摇杆机构相连的柔性翼机构，实现同时扑动和翻转运动；
所述的双层双曲柄摇杆机构包括机架、四个偏置齿轮、四个连杆和四个摇杆；
四个偏置齿轮分为上下两层固定在机架上，机架对称线的顶端通过机架中间孔连接上下两层摇杆；每个摇杆分别连接一个连杆；每个连杆同时连接一个偏置齿轮；其中左上的偏置齿轮啮合右上的偏置齿轮；左下的偏置齿轮啮合右下的偏置齿轮；同时，上层的偏置齿轮通过销钉连接下层的偏置齿轮；每层互相啮合的两个偏置齿轮构成了一个曲柄；
所述的驱动机构包括空心杯电机、电机齿轮、传动轴和两个传动齿轮；
空心杯电机安装在机架的中心位置，电机轴与电机齿轮连接，输出动力；电机齿轮啮合一个传动齿轮，同时该传动齿轮固连在传动轴的一端，传动轴垂直布置在机架上，传动轴的另一端对称固连另一个传动齿轮；每个传动齿轮分别啮合一个偏置齿轮，且两个偏置齿轮位于同侧；
所述的柔性翼机构包括对称的两个翅根和两个柔性翼；每个柔性翼固定在翅根的一侧；每个翅根另一侧与双层双曲柄摇杆机构的上下两层摇杆相连接，翅根上部通过销钉连接摇杆构成转动副，使柔性翼能够自由转动，翅根下部开有凹槽，下层摇杆在凹槽内来回移动构成滑动副，使柔性翼的攻角发生变化；
所述的上下两层的四个摇杆长度和四个连杆的长度参数不同，导致上下两层摇杆的扑动角度不同，与摇杆相连的翅根在不同的时间产生不同的翻转运动；同时柔性翼在运动的同时由于空气阻力，柔性部分产生较大变形，能够同时起到类似于翻转的作用，即被动翻转，最终使得整套机构同时实现扑动和翻转。
2.如权利要求1所述的一种多层微型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的机架由3D打印材料打印，制成三角形框架结构，在三角形的底边框架上分别连接四个偏置齿轮；三角形的顶点位置通过机架中间孔连接上下两层摇杆；两层摇杆分别为左上摇杆、左下摇杆、右上摇杆和右下摇杆；四个连杆分为上部连杆和下部连杆。
3.如权利要求1所述的一种多层微型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的摇杆与连杆的连接采取过盈配合，连杆与偏置齿轮的连接采取间隙配合，保证传动平稳性。
4.如权利要求1所述的一种多层微型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的偏置齿轮上设有曲柄定位孔，所有摇杆上设有摇杆定位孔，通过设定连杆的长度，曲柄定位孔、摇杆定位孔的位置，确定出摇杆的转角范围，进而确定出机翼扑动角的范围。
5.如权利要求1所述的一种多层微型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的柔性翼机构采用双叉犀金龟翅膀作为仿生对象，翼脉为碳纤维3D一体化打印成型；
每个柔性翼位于两层摇杆间，采用聚酰亚胺膜通过强力胶粘贴在翅根的一侧凹槽中，与翅根固接。
6.如权利要求1所述的一种多层微型仿生扑翼飞行器，其特征在于，所述的主动翻转，通过双层双曲柄摇杆机构的运动相位差进而确定机翼在翻转过程中攻角的变化范围。
一种多层微型仿生扑翼飞行器
技术领域
[0001] 本发明属于机械设计领域，具体是一种多层微型仿生扑翼飞行器。
背景技术
[0002] 目前，仿生微型扑翼飞行器已经引起了广泛关注，由于小巧的体积和高效的飞行机理使其在军事等方面的领域发挥着重要的作用。
[0003] 虽然目前关于微型仿生扑翼飞行器的研究中，已经有很多机构设计被提出，比如单曲柄摇杆机构，双曲柄摇杆机构等等，但这些机构大部分仅能实现扑动动作，很难同时进行扑动和扭转；如只能驱动翅膀做单自由度运动，并不能实现像昆虫或鸟类那样在扑动的同时翻转翅膀，不能利用翻转效应来产生升力和推力，因此很难达到昆虫或者鸟类的飞行方式，导致飞行效率低下。
发明内容
[0004] 本发明针对现有的仿生微型扑翼飞行器机构在飞行运动过程中存在的问题和不足，提出了一种多层微型仿生扑翼飞行器，该机构能同时实现扑动和扭转翅膀等功能，具有结构紧凑、体积小巧、质量极轻以及机构灵活等特点。
[0005] 所述的多层微型仿生扑翼飞行器，包括双层双曲柄摇杆机构、驱动机构和柔性翼机构。驱动机构产生驱动力并传递给双层双曲柄摇杆机构，双层双曲柄摇杆机构产生相应的扑动轨迹以及主动翻转，带动与双层双曲柄摇杆机构相连的柔性翼机构，实现同时扑动和翻转运动。
[0006] 所述的双层曲柄摇杆机构包括机架、偏置齿轮、上部连杆、下部连杆、左下摇杆、左上摇杆、右上摇杆和右下摇杆。
[0007] 机架呈三角形框架结构，在三角形的底边框架上分别连接四个偏置齿轮，四个偏置齿轮分为上下两层；三角形的顶点位置通过机架中间孔连接上下两层摇杆；两层摇杆分别为左上摇杆、左下摇杆、右上摇杆和右下摇杆。每个摇杆通过销钉分别连接一个连杆；四个连杆分为上部连杆和下部连杆；每个连杆同时通过销钉连接一个偏置齿轮；其中左上的偏置齿轮啮合右上的偏置齿轮；左下的偏置齿轮啮合右下的偏置齿轮；同时，上层的偏置齿轮通过销钉连接下层的偏置齿轮；
[0008] 每层互相啮合的两个偏置齿轮构成了一个曲柄。每个摇杆与连杆的连接采取过盈配合，连杆与偏置齿轮的连接采取间隙配合，保证传动平稳性。
[0009] 所述的驱动机构包括空心杯电机、电机齿轮、传动轴和两个传动齿轮。
[0010] 空心杯电机安装在机架的中心位置，电机轴与电机齿轮连接，输出动力；电机齿轮啮合一个传动齿轮，两个传动齿轮分别固连在传动轴的两端，传动轴垂直布置在机架上；每个传动齿轮分别啮合一个偏置齿轮，且两个偏置齿轮位于同侧；
[0011] 所述的柔性翼机构包括对称的两个翅根和两个柔性翼；每个柔性翼固定在翅根的一侧。每个翅根另一侧与双层曲柄摇杆机构的上下两层摇杆相连接，翅根上部通过销钉连接摇杆构成转动副，使柔性翼能够自由转动，翅根下部开有凹槽，下层摇杆在凹槽内来回移动构成滑动副，使柔性翼的攻角发生变化。
[0012] 所述的多层微型仿生扑翼飞行器的工作原理如下：
[0013] 飞行器在运动过程中，空心杯电机产生动力，电机齿轮进行动力输出，接着传动轴和传动齿轮将动力分别传送到每层的双曲柄摇杆机构上，驱动偏置齿轮运动，分别带动上部连杆和下部连杆运动，从而带动四个摇杆的运动，进而导致翅根带动柔性翼的运动；
[0014] 由于左上摇杆、左下摇杆、右上摇杆、右下摇杆、上部连杆、下部连杆的尺寸参数不同，使得上下两层摇杆的扑动角度不同，与摇杆相连的翅根在不同的时间产生不同的翻转运动，同时柔性翼在运动的同时由于空气阻力，柔性部分产生较大变形，能够同时起到类似于翻转的作用，即被动翻转，最终使得整套机构同时实现扑动和翻转。
[0015] 本发明优点在于：
[0016] (1)一种多层微型仿生扑翼飞行器，具有结构简单紧凑，体积小巧，质量极轻，机构灵活等特点，能够实现仿生扑翼功能；
[0017] (2)一种多层微型仿生扑翼飞行器，大部分零部件采用3D打印技术制成，降低了整机质量，且易于修改优化；
[0018] (3)一种多层微型仿生扑翼飞行器，采用了市场上较为多见的塑料齿轮，减轻重量，降低了成本，易于实物加工装配；
[0019] (4)一种多层微型仿生扑翼飞行器，同时实现了扑动和翻转的动作，产生主动攻角；
[0020] (5)一种多层微型仿生扑翼飞行器，采用了柔性翼设计，在产生主动翻转的同时产生被动翻转，克服了主动翻转的不足，产生足够大的升力。
附图说明
[0021] 图1是本发明一种多层微型仿生扑翼飞行器的结构示意图；
[0022] 图2是本发明一种多层微型仿生扑翼飞行器的双层双曲柄摇杆结构示意图；
[0023] 图3是本发明一种多层微型仿生扑翼飞行器的驱动机构结构示意图；
[0024] 图4是本发明一种多层微型仿生扑翼飞行器的柔性翼机构结构示意图；
[0025] 图中：
[0026] 1-柔性翼 2-左上摇杆 3-偏置齿轮[0027] 4-机架 5-上部连杆 6-空心杯电机[0028] 7-传动齿轮 8-传动轴 9-右上摇杆[0029] 10-翅根 11-右下摇杆 12-左下摇杆[0030] 13-下部连杆 14-电机齿轮
具体实施方式
[0031] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0032] 本发明一种多层微型仿生扑翼飞行器，具有同时实现扑动和扭转翅膀等功能；如图1所示，整体包括双层双曲柄摇杆机构、驱动机构和柔性翼机构。
[0033] 所述的驱动机构产生驱动力并传递给双层双曲柄摇杆机构，双层双曲柄摇杆机构用来传递动力，通过设置上下两层机构的摇杆长度，曲柄长度，连杆长度等参数来改变两层双曲柄摇杆机构运动时的相位差，从而使柔性翼机构产生相应的扑动轨迹，以及在扑动的同时进行主动翻转，产生攻角，由于运动时产生的主动翻转两侧对称，前半程运动产生升力，后半程产生阻力，因此采用的柔性翼机构产生大变形，导致被动翻转，保证产生较大升力。
[0034] 所述的双层曲柄摇杆机构，如图2所示，包括机架4、偏置齿轮3、上部连杆5、下部连杆13、左下摇杆12、左上摇杆2、右上摇杆9和右下摇杆11。
[0035] 机架4由3D打印材料打印制成三角形框架结构，减轻整体质量，用于连接各个部件并且进行固定。机架4内有数根加强筋，用于保证机架强度，同时起定位作用。
[0036] 机架4的三角形底边框架上分别连接四个偏置齿轮3，四个偏置齿轮3分为上下两层；三角形框架的顶点位置通过机架中间孔连接上下两层摇杆；两层摇杆分别为左上摇杆2、左下摇杆12、右上摇杆9和右下摇杆11。
[0037] 摇杆均采用树脂由3D打印制成，打印精度较高，带有多个连接孔；每个摇杆通过销钉分别连接一个连杆；四个连杆分为上部连杆5和下部连杆13；每个连杆同时通过销钉连接一个偏置齿轮3；其中左上的偏置齿轮3啮合右上的偏置齿轮3；左下的偏置齿轮3啮合右下的偏置齿轮3；同时，上层的偏置齿轮3通过销钉连接下层的偏置齿轮3；
[0038] 每层互相啮合的两个偏置齿轮3构成了一个曲柄，减轻零部件质量；两套偏置齿轮3安装在机架4上，同时连杆的一端与偏置齿轮3相连，另一端与摇杆相连，传递动力。
[0039] 每一层双曲柄摇杆机构都处在同一高度，保证运动过程中的对称性和平稳性。每个摇杆与连杆的连接采取过盈配合，连杆与偏置齿轮3的连接采取间隙配合，保证传动平稳性；有利于保证双曲柄摇杆机构相同的传动比，保证运动的对称性。
[0040] 所述的偏置齿轮3上设有曲柄定位孔，所有摇杆上设有摇杆定位孔，通过设定连杆的长度，曲柄定位孔、摇杆定位孔的位置，确定出摇杆的转角范围，进而确定出机翼扑动角的范围。
[0041] 所述的驱动机构如图3所示，包括空心杯电机6、电机齿轮14、传动轴8和两个传动齿轮7。
[0042] 空心杯电机6安装在整个4的中心位置，减小体积，使结构更加紧凑；电机轴与电机齿轮14连接，输出动力，电机齿轮14啮合一个传动齿轮7，两个传动齿轮7分别固连在传动轴8的两端，传动轴8垂直布置在机架4上；每个传动齿轮7分别啮合一个偏置齿轮3，且两个偏置齿轮3位于同侧；如两个传动齿轮7分别啮合左上的偏置齿轮3和左下的偏置齿轮3；或者两个传动齿轮7分别啮合右上的偏置齿轮3和右下的偏置齿轮3。
[0043] 空心杯电机6产生动力，经过电机齿轮14传递到传动齿轮7上，传动轴8带动另一端的传动齿轮7转动，之后将两者的动力传递到偏置齿轮3上，进行驱动。每层的偏置齿轮3相互啮合的同时与传动齿轮7相互啮合，保证运动的对称性与精准性。
[0044] 所述的柔性翼机构如图4所示，包括对称的两个翅根10和两个柔性翼1；采用双叉犀金龟翅膀作为仿生对象，所述的翼脉为碳纤维3D一体化打印成型。
[0045] 每个柔性翼1位于两层摇杆间，采用聚酰亚胺膜通过强力胶粘贴在翅根10的一侧凹槽中，与翅根固接。每个翅根10另一侧与双层曲柄摇杆机构的上下两层摇杆相连接，翅根10上部通过销钉连接摇杆构成转动副，使柔性翼1能够自由转动，翅根10下部开有凹槽，下层摇杆在凹槽内来回移动构成滑动副，使柔性翼1的攻角发生变化，实现主动翻转。
[0046] 所述的主动翻转机构中，通过双层双曲柄摇杆机构的运动相位差进而确定机翼在翻转过程中攻角的变化范围。
[0047] 采用柔性翼方案，即在运动的同时由于空气阻力的缘故是柔性部分产生较大变形，能够同时起到类似于翻转的作用，产生运动攻角，增大升力。
[0048] 所述的多层微型仿生扑翼飞行器的工作原理如下：
[0049] 飞行器在运动过程中，先由空心杯电机6产生动力，电机齿轮14进行动力输出，接着由传动轴8和传动齿轮7将动力分别传送到每层的双曲柄摇杆机构上，驱动偏置齿轮3运动，分别带动上部连杆5和下部连杆13运动，从而带动四个摇杆的运动，进而导致翅根10带动柔性翼1的运动；
[0050] 由于左上摇杆2、左下摇杆12、右上摇杆9、右下摇杆11、上部连杆5、下部连杆13的尺寸参数不同，使得上下两层摇杆的扑动角度不同，即在使与摇杆相连的翅根10在不同的时间产生不同的翻转运动，同时柔性翼1在运动的同时由于空气阻力，柔性部分产生较大变形，能够同时起到类似于翻转的作用，也产生被动翻转，使得整套机构同时实现扑动和翻转的功能。
[0051] 在运动过程中，通过设置上下两层机构的摇杆长度，曲柄长度，连杆长度等参数来改变两层双曲柄摇杆机构运动时的相位差，从而使翅膀在扑动的同时进行旋转，产生攻角，由于运动时产生的主动翻转两侧对称，前半程运动产生升力，后半程产生阻力，因此采用的柔性翼产生大变形，产生被动翻转，保证产生较大升力。
