仿生蜂鸟扑翼飞行器转让专利
申请号 : CN202110673392.8
文献号 : CN113306701B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 宋加雷 , 宋奥科 , 武静 , 尹玲 , 汪超
申请人 : 东莞理工学院
摘要 :
权利要求 :
1.仿生蜂鸟扑翼飞行器,包含机架(1)、尾翼(3)和两个扑翼(2),两个扑翼(2)布置在机架(1)的前端两侧,尾翼(3)布置在机架(1)的尾部,其特征在于:还包含扑翼动力模块(4)、扑翼驱动模块(5)和尾翼驱动模块(6);
扑翼驱动模块(5)由扑翼动力模块(4)提供动力,且二者均布置在机架(1)的前端,两个扑翼(2)的摆动由扑翼驱动模块(5)控制,尾翼(3)的上下摆动及开合运动由尾翼驱动模块(6)控制;
所述尾翼驱动模块(6)包含尾翼舵机(61)、传动机构(62)、尾翼连接轴(63)、尾翼支架(64)和联动机构(65);
所述联动机构(65)包含连接板(651)、销杆(652)、摆杆(653)和两根腰形杆(654);
连接板(651)安装在尾翼连接轴(63)上,连接板(651)上开有垂直于尾翼连接轴(63)长度方向的长条滑孔,两根腰形杆(654)分别具有腰形孔并交叉叠放布置,两根腰形杆(654)分别与连接板(651)铰接,销杆(652)穿设在长条滑孔及两个腰形孔内,销杆(652)的一端被轴向限位,销杆(652)的另一端与摆杆(653)的一端转动连接,摆杆(653)的另一端与尾翼支架(64)转动连接,尾翼(3)固定在两根腰形杆(654)上;
尾翼支架(64)安装在机架(1)上,尾翼舵机(61)安装在尾翼支架(64)上,尾翼连接轴(63)可转动地设置在尾翼支架(64)上,尾翼(3)通过联动机构(65)与尾翼连接轴(63)固接,尾翼(3)与尾翼支架(64)可转动连接,尾翼舵机(61)通过传动机构(62)带动尾翼连接轴(63)转动,以实现尾翼(3)的上下摆动,所述联动机构(65)用于在尾翼(3)上下摆动的同时,实现尾翼(3)的开合运动。
2.根据权利要求1所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:所述扑翼驱动模块(5)包含曲柄滑块机构,所述曲柄滑块机构包含原动件(511)、连杆一(512)、滑块(513)和两根连架杆(514);连杆一(512)的一端与原动件(511)铰接,连杆一(512)的另一端与滑块(513)铰接,滑块(513)布置在机架(1)上的滑槽内,两个连架杆(514)分别通过一个可调位置轴(515)与机架(1)转动连接,两个连架杆(514)的一端均与滑块(513)铰接,两个连架杆(514)的另一端与扑翼支撑杆(21)的一端铰接。
3.根据权利要求2所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:所述扑翼驱动模块(5)还包含连杆机构,所述连杆机构包含连杆二(521)和连杆三(522);连杆二(521)的一端与连架杆(514)铰接,连杆二(521)的另一端与连杆三(522)铰接,连杆三(522)的一端与机架(1)铰接,扑翼支撑杆(21)与连杆三(522)的另一端固接。
4.根据权利要求3所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:所述扑翼动力模块(4)包含电机(41)、第一齿轮(42)、第二齿轮(43)、第三齿轮(44)和第四齿轮(45);电机(41)安装在机架(1)的前端,电机(41)的输出轴与第一齿轮(42)连接,第二齿轮(43)和第三齿轮(44)同轴固接连为一体,第二齿轮(43)和第四齿轮(45)可转动地设置在机架(1)上,第一齿轮(42)与第二齿轮(43)啮合,第三齿轮(44)与第四齿轮(45)啮合,第四齿轮(45)为原动件,与连杆一(512)铰接。
5.根据权利要求4所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:第一齿轮(42)的齿数小于第三齿轮(44)的齿数,第四齿轮(45)的齿数小于第二齿轮(43)的齿数,第三齿轮(44)的齿数小于第二齿轮(43)的齿数。
6.根据权利要求4或5所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:还包含姿态控制模块(7),所述姿态控制模块(7)包含两个极轴调整装置和两个径向调整装置(72);
每个所述径向调整装置(72)包含直线舵机(721)、大齿轮(722)、小齿轮(723)、丝杠副和位置连接件(725);
每个所述极轴调整装置包含旋转舵机(711)和舵机盘(712);
每个径向调整装置(72)布置在对应的舵机盘(712)上,两个旋转舵机(711)安装在机架(1)上,每个旋转舵机(711)的输出端连接相对应的舵机盘(712);
在其中一个径向调整装置(72)中,直线舵机(721)的输出端连接大齿轮(722),小齿轮(723)安装在设置于丝杠副的丝杠(7241)上,该丝杠(7241)可转动地设置在舵机盘(712)上,位置连接件(725)与丝杠副的丝母(7242)连接,该位置连接件(725)与相对应的可调位置轴(515)相连;
在另一个径向调整装置(72)中,直线舵机(721)的输出端连接小齿轮(723),大齿轮(722)安装在设置于丝杠副(724)的丝杠(7241)上,该丝杠(7241)可转动地设置在舵机盘(712)上,位置连接件(725)与丝杠副(724)的丝母(7242)连接,该位置连接件(725)与相对应的可调位置轴(515)相连。
7.根据权利要求6所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:所述扑翼(2)的摆动角度范围为±75°。
8.根据权利要求6所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:还包含电池(8),电池(8)固定在机架(1)上,为扑翼动力模块(4)、尾翼驱动模块(6)和姿态控制模块(7)提供动力。
9.根据权利要求1所述仿生蜂鸟扑翼飞行器,其特征在于:所述传动机构(62)为带传动机构。
说明书 :
仿生蜂鸟扑翼飞行器
技术领域
背景技术
结构,研制出不同形状的扑翼飞行器。扑翼飞行器在国防军事和民用领域均有广泛的应用
前景。在国防领域中,扑翼飞行器搭载传感设备和攻击性武器后,将在侦察敌情、传输情报、
机动攻击、信号干扰等军事行为中发挥重要作用;在民用领域中,它可以对如桥梁、高压电
塔、悬臂吊、风力发电机等工农业的高危平台设施进行检测,同时,它也可在新冠疫情、洪涝
灾害、地震等危险环境发挥重要的作用。
在无法调整翅膀的运动学尺寸或者调整机制十分复杂的问题。
发明内容
驱动模块包含尾翼舵机、传动机构、尾翼连接轴、尾翼支架和联动机构;尾翼支架安装在机
架上,尾翼舵机安装在尾翼支架上,尾翼连接轴可转动地设置在尾翼支架上,尾翼通过联动
机构与尾翼连接轴固接,尾翼与尾翼支架可转动连接,尾翼舵机通过传动机构带动尾翼连
接轴转动,以实现尾翼的上下摆动,所述联动机构用于在尾翼上下摆动的同时,实现尾翼的
开合运动。
调。在尾翼驱动方面,为了减轻整机质量与简化结构,使用了单舵机控制尾翼摆动和开合两
个动作。
附图说明
具体实施方式
5和尾翼驱动模块6;
可转动地设置在尾翼支架64上,尾翼3通过联动机构65与尾翼连接轴63固接,尾翼3与尾翼
支架64可转动连接,尾翼舵机61通过传动机构62带动尾翼连接轴63转动,以实现尾翼3的上
下摆动,所述联动机构65用于在尾翼3上下摆动的同时,实现尾翼3的开合运动。通过结合空
气动力学、仿生学、机械工程学进行改进,设计这种可调整扑翼幅度和平均位置、飞行稳定
的微型扑翼飞行器。本实施方式的飞行器可以高度模仿蜂鸟的扑翼运动,极大提高了飞行
器的飞行效率。扑翼2相对机架1转动。
架1‑1通过连接杆与扑翼驱动支架1‑2相连,扑翼驱动支架1‑2通过连接杆与姿态控制支架
1‑3相连,尾翼支架64通过连接杆与姿态控制支架1‑3相连,机架形成一个整体。
尾翼的控制机制十分简便。为了将上述尾翼开合和摇摆的动作联动起来,设计了一个联动
机构,其实现原理为,在尾翼主动摇摆的过程中,使得尾翼被动地在槽内直线移动,再通过
销槽副驱动,即可同时使得尾翼进行开合动作,实现两动作的联动。
接板651铰接,销杆652穿设在长条滑孔及两个腰形孔内,销杆652的一端被轴向限位,销杆
652的另一端与摆杆653的一端转动连接,摆杆653的另一端与尾翼支架64转动连接,尾翼3
固定在两根腰形杆654上。
开合的实现是通过滑杆652被动地往复滑动,利用销槽副(腰形杆和腰形孔)使得摆杆653实
现一定角度的摆动,即可实现尾翼3的开合动作。尾翼3的上下摇摆是通过带传动实现的,带
轮带动尾翼连接轴63的旋转,尾翼连接轴63再带动连接板651实现一定角度的摆动,即可实
现尾翼3的绕轴摇摆的动作。
动力。如图6所示,所述扑翼驱动模块5包含曲柄滑块机构,所述曲柄滑块机构包含原动件
511、连杆一512、滑块513和两根连架杆514;
两个连架杆514的一端均与滑块513铰接,两个连架杆514的另一端与扑翼支撑杆21的一端
铰接,曲柄滑块机构具有确定的运动。
述扑翼驱动模块5还包含连杆机构,所述连杆机构包含连杆二521和连杆三522;连杆二521
的一端与连架杆514铰接,连杆二521的另一端与连杆三522铰接,连杆三522的一端与机架1
铰接,尾翼支撑杆21与连杆三522的另一端固接。连杆二521、连杆三522、连架杆514和机架1
构成一个四杆机构,该部分可以将曲柄滑块机构产生的低振幅的摆动放大,得到扑翼2的摆
角范围为150°的摆动。也即,扑翼2的摆动角度范围为±75°(扑翼支撑杆21与机架1垂直的
水平状态为零度基准,如图1所示状态)。扑翼2通过翼侧套2‑1插在机架1上的侧杆1‑2上实
现转动。
三齿轮44和第四齿轮45;电机41安装在机架1的前端,电机41的输出轴与第一齿轮42连接,
第二齿轮43和第三齿轮44同轴固接连为一体,第二齿轮43和第四齿轮45可转动地设置在机
架1上,第一齿轮42与第二齿轮43啮合,第三齿轮44与第四齿轮45啮合,第四齿轮45为原动
件,与连杆一512铰接。为提高齿轮寿命设计了一定关系的各级齿轮,第一齿轮42的齿数小
于第三齿轮44的齿数,第四齿轮45的齿数小于第二齿轮43的齿数,第三齿轮44的齿数小于
第二齿轮43的齿数。
齿轮43设计成一体,可采用数控铣床或者3D打印的方式加工。
通过调整标记的铰链的可调位置轴515,进而改变部分连杆的位置,通过连杆的传递运动就
可以使得连杆机构的末端摇动幅度和平均位置发生改变。根据空气动力学知识,上述两边
不对称的扑翼2的摆动会产生力矩,也就可以对飞行器的位姿进行调整。
布置在对应的舵机盘712上,两个旋转舵机711安装在机架1上,每个旋转舵机711的输出端
连接相对应的舵机盘712;
725与丝杠副的丝母7242连接,该位置连接件725与相对应的可调位置轴515相连;
件725与丝杠副724的丝母7242连接,该位置连接件725与相对应的可调位置轴515相连。可
选地是,该位姿控制模块7将使被控制可调位置轴515在直径为1mm的圆内进行调整,运动依
照极坐标系进行。在姿态控制机构方面,为方便设计,以改变扑翼机构的运动学尺寸为目
的,创新性地设计了直线舵机和旋转舵机相结合的调整机构。选用旋转舵机和直线舵机进
行组合完成可调位置轴515的调整,旋转舵机711实现极轴的转动,直线舵机721实现极径的
调整。
改变,进而实现曲柄滑块机构和连杆机构中连杆位置发生变化,使扑翼2的摆动会产生力
矩,实现了飞行器姿态调整。如图3所示,为了保证飞行器续航能力,采用电池8实现供电,电
池8固定在机架1上,为扑翼动力模块4、尾翼驱动模块5和姿态控制模块7提供动力。设置控
制板实现对电机和舵机的控制。
出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例,均仍属本发明技术方案范围。