微型扑翼飞行器

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微型扑翼飞行器
申请号	CN201710541697.7	申请日	2017-07-05	公开(公告)号	CN107416202B	公开(公告)日	2020-11-10
申请人	北京航空航天大学;			发明人	邓慧超; 周文娟;
摘要	本发明公开了一种微型扑翼飞行器，属于仿生飞行机器人设备领域。包括机翼架、扑翼机构、减速机构、机翼、被动旋转机构，扑翼机构包括连杆和机翼架，连杆通过销钉连接在减速机构的齿轮上，两翼架与机架中心相连并分别两侧。被动旋转机构包括旋转块与挡杆，挡杆位于机翼架上，旋转块随机翼轴进行旋转。机翼通过被动旋转机构连接到翼架上，机翼轴穿过翼架孔，并与旋转块相连。减速机构的齿轮分别连接到机架相应位置处，由微型电机带动小齿轮，形成二级减速机构。本发明具有体积小、重量轻、能耗小，可同时实现机翼的拍打与被动旋转，更加有利于飞行器的飞行。
权利要求	1.一种微型扑翼飞行器，包括机架、连杆、机翼架、旋转块、机翼、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和电机；电机位于机架的中心，第三齿轮与第四齿轮同轴设置，第一齿轮、第二齿轮、第四齿轮位于机架上，两个机翼架与机架相连并分别位于机架的两侧；第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮构成减速机构，第三齿轮与电机的电机轴连接，电机带动第三齿轮旋转，第三齿轮带动第四齿轮旋转，进行一级减速，第四齿轮分别带动第一齿轮和第二齿轮旋转，进行二级减速；第一齿轮、第二齿轮、连杆和机翼架构成扑翼机构，扑翼机构为双曲柄摇杆机构，一个连杆的一端连接第一齿轮，另一端连接机翼架，构成曲柄摇杆机构的曲柄，另一个连杆的一端连接第二齿轮，另一端连接机翼架，构成曲柄摇杆机构的摇杆；机翼包括翼脉和翼膜，翼膜固定在翼脉上，翼脉选取双叉犀金龟翅膀作为仿生对象，并对其翅膀进行形状上的仿制，通过采集翅膀边缘的数据点，并进行曲线拟合，得到所需机翼的整个外形曲线；翼脉上设有机翼轴；挡杆、旋转块与机翼的机翼轴构成被动旋转机构，挡杆位于机翼架的机翼孔附近，机翼轴与机翼孔间隙配合，机翼轴在机翼孔中自由旋转；而机翼轴与旋转块之间过盈配合，旋转块跟随机翼一起旋转；旋转块两边设定了固定角度的两个凸块，当机翼旋转到位时，会被挡杆卡住；旋转块的角度设定即规定了机翼在旋转过程中机翼攻角的变化范围；在初始位置时，机翼以一定的攻角进行拍打飞行，在飞行过程中，机翼根据风力的变化转化攻角以适应飞行状态，当转化到一定角度时，旋转块就会被机翼架上的挡杆挡住，机翼攻角不能继续变大，由此机构进行控制机翼的被动旋转；所述的扑翼机构中，第一齿轮上设有曲柄定位孔，第二齿轮上设有摇杆定位孔，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。 2.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器，所述的机翼中的翼膜采用聚酰亚胺膜。 3.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器，所述的翼脉为碳纤维3D一体化打印成型。
说明书全文	微型扑翼飞行器技术领域 [0001] 本发明涉及一种仿昆虫的微小型扑翼飞行器，属于仿生飞行机器人设备领域。背景技术 [0002] 在自然界，无论鸟类还是昆虫的飞行，都是靠扑翼进行的。这种通过扑翼上下扑动的飞行方式除了能够提供较大的推力，提高飞行效率外，还可使小型飞行器实现更加灵活的飞行动作。近年来，随着空气动力学和MENS等技术的飞速发展，微型飞行器已经发展成为一种广受国内外关注的新型飞行器。由于其体积小、便于携带、飞行灵活和隐蔽性好等一些优点，故在民用和国防领域都具有十分广泛的应用前景。而相对于固定翼、旋翼飞行器而言，扑翼式飞行器具有无需螺旋桨或喷气装置，可原地或小场地快速起飞、加速、悬停等优点，在研究领域占也据越来越重要的地位。 [0003] 在军用方面，微型飞行器主要用于低空侦察、通信、电了干扰和对地攻击等任务。微型飞行器可用于城市、山林和战场前沿的细节侦察，将侦察到的图像和信息传递给战士手中的监视器，及时提供战场信息给指挥部门，可大大提高作战效率。 [0004] 在民用方面，微型飞行器可用于通信中继、环境研究、自然灾害的监视与支援。微型飞行器还可用于边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测，并在未来大型牧场和城区监视等将具有广阔的市场和应用前景。 [0005] 国内外微型扑翼飞行器的研究现状： [0006] 目前，国内外不少研究机构已经全面展开了对于微型扑翼飞行器的设计研究。美国佐治亚技术研究所和英国剑桥大学利用往复式化学肌肉共同研制了微型扑翼飞行器“Entomopter”，该扑翼飞行器具有类似于蝴蝶翅膀的两对机翼，结构紧凑，有较高的能量转化效率。美国加利福尼亚大学采用PZT压电驱动器和双摇杆四连杆机构自主研制了机械苍蝇“MFI”，可以实现类似昆虫的大幅度扑翼振动，其中的振动频率高达150HZ。加州理工学院和航空环境公司利用微电机带动单曲柄双摇杆机构联合研制出世界上第一种手掌大小的电动扑翼机“微蝙蝠MicroBat”，其机体骨架和机翼采用新型超强复合材料，机翼采用MEMS技术进行加工制作。哈尔滨工业大学利用椭圆圆柱凸轮驱动机构与机翼扭转整机机构设计的微型扑翼飞行器，减少了机翼上扑过程中的负升力作用，从而改善了飞行能力。由于目前所设计的扑翼飞行器总体的目标质量都在几十到几百克，而作为主要能源的锂电池不能提供足够的能量来供飞行器飞行，所以需要将扑翼飞行器微型化，轻量化。发明内容 [0007] 本发明的目的是为了解决现有技术的缺陷，提供了一种体积小、重量轻、能耗小，能够同时实现机翼拍打与旋转的新型多自由度微型扑翼飞行器。 [0008] 一种微型扑翼飞行器，包括机架、连杆、机翼架、旋转块、机翼、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和电机； [0009] 电机位于机架的中心，第三齿轮与第四齿轮同轴设置，第一齿轮、第二齿轮、第四齿轮位于机架上，两个机翼架与机架相连并分别位于机架的两侧； [0010] 第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮构成减速机构，第三齿轮与电机的电机轴连接，电机带动第三齿轮旋转，第三齿轮带动第四齿轮旋转，进行一级减速，第四齿轮分别带动第一齿轮和第二齿轮旋转，进行二级减速； [0011] 第一齿轮、第二齿轮、连杆和机翼架构成扑翼机构，扑翼机构为双曲柄摇杆机构，一个连杆的一端连接第一齿轮，另一端连接机翼架，构成曲柄摇杆机构的曲柄，另一个连杆的一端连接第二齿轮，另一端连接机翼架，构成曲柄摇杆机构的摇杆； [0012] 机翼包括翼脉和翼膜，翼膜固定在翼脉上，翼脉上设有机翼轴，机翼轴穿过机翼架连接旋转块，旋转块随机翼轴进行旋转； [0013] 挡杆、旋转块与机翼的机翼轴构成被动旋转机构，旋转块设有凸块，当机翼旋转到特定角度时，挡杆卡住旋转块。 [0014] 本发明的有益效果是： [0015] 相比现有技术，本发明采用双曲柄双摇杆机构作为扑翼机构，结构简单易于实现，并且两翅运动无相位差，便于控制，稳定性高。本发明还设计了被动旋转机构，可以实现飞行过程中机翼的旋转，更加有利于扑翼飞行器的自适应飞行。本扑翼飞行器的整体机构选择所能达到的齿轮的最小模数，结构足够简单紧凑，使得整体结构的尺寸非常小，重量也只有不到10g,达到了微型化，轻量化的目的，使得扑翼飞行器的飞行更加灵活。附图说明 [0016] 图1是本发明整体结构立体图； [0017] 图2是本发明机翼翼脉结构图； [0018] 图3是本发明所述被动旋转机构机构图； [0019] 图4是本发明所述减速机构机构图； [0020] 图5是本发明所述扑翼机构的结构图； [0021] 图6是本发明机架的整体结构图； [0022] 图7是第一齿轮的基本结构图； [0023] 图8是机翼架的结构图； [0024] 图中： [0025] 1-机架 2-连杆 3-机翼架 [0026] 4-旋转块 5-机翼 6-销钉 [0027] 7-第一齿轮 8-第二齿轮 9-第三齿轮 [0028] 10-第四齿轮 11-电机 12-挡杆 [0029] 1.1-翼架孔 1.2-电机孔 1.3第一齿轮连接孔[0030] 1.4-第二齿轮连接孔 1.5-第四齿轮连接孔 [0031] 3.1-连接孔 3.2-摇杆定位孔 3.3-机翼孔 [0032] 5.1-支脉 5.2-机翼轴 [0033] 7.1-固定孔 7.2-曲柄定位孔具体实施方式 [0034] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 [0035] 本发明的一种微型扑翼飞行器，如图1所示，包括机架1、连杆2、机翼架3、旋转块4、机翼5、第一齿轮7、第二齿轮8、第三齿轮9、第四齿轮10和电机11； [0036] 如图1、4所示，机架1的中心设有电机11，电机11可以采用微小型空心杯电机，电机11由锂电池或者外接电源驱动，微型扑翼飞行器的动力来源于电机11； [0037] 如图4所示本发明所述的减速机构，减速机构包括第一齿轮7、第二齿轮8、第三齿轮9、第四齿轮10。其中第三齿轮9与电机11的电机轴连接，二者为过盈配合；电机11带动第三齿轮9旋转，第三齿轮9继而带动第四齿轮10旋转，并进行一级减速。第四齿轮10分别带动第一齿轮7和第二齿轮8旋转，并完成电机11的二级减速。 [0038] 如图5所示本发明所述的扑翼机构，扑翼机构包括第一齿轮7、第二齿轮8、连杆2和机翼架3，扑翼机构采用的是双曲柄摇杆机构，其中一个连杆2的一端通过销钉6固定在第一齿轮7上的曲柄定位孔7.2中，如图7所示，构成曲柄摇杆机构的曲柄，销钉6与定位孔7.2之间为间隙配合，销钉6与连杆孔之间也为间隙配合；连杆2的另一端通过销钉6与机翼架3的摇杆定位孔3.2相连，如图8所示，构成曲柄摇杆机构的摇杆，销钉6与连杆2和摇杆定位孔3.2之间都为间隙配合。通过曲柄定位孔7.2、连杆2、摇杆定位孔3.2位置与尺寸的设计，确定出摇杆的转角范围，从而确定出机翼5拍动角的范围。 [0039] 如图6所示，机架1上分别设有翼架孔1.1、电机孔1.2、第一齿轮连接孔1.3、第二齿轮连接孔1.4、第四齿轮连接孔1.5。机架1上的各个孔之间都有严格的尺寸要求，以便连接到机架1上的各个部件都能够严密配合。翼架孔1.1通过销钉6分别与两个机翼架3的连接孔3.1连接，销钉6与翼架孔1.1之间为过盈配合；电机孔1.2用于固定电机11，电机孔1.2与电机11之间为过盈配合；第一齿轮连接孔1.3与第一齿轮的固定孔7.1通过销钉6连接，销钉6与第一齿轮7连接孔1.3之间为过盈配合；第二齿轮连接孔1.4与第二齿轮8的固定孔7.1通过销钉6连接，销钉6与第一齿轮连接孔1.4之间为过盈配合；第四齿轮连接孔1.5与第四齿轮10的固定孔7.1通过销钉6连接，销钉6与第一齿轮连接孔1.5之间为过盈配合。 [0040] 如图3所示本发明所述的被动旋转机构，被动旋转机构包括挡杆12、旋转块4与机翼轴5.2。如图8所示，挡杆12位于机翼架3的机翼孔3.3附近的一定位置处，挡杆12的作用是当机翼5旋转到一定位置时，阻挡机翼5继续旋转，防止机翼5翻转过大而失去升力。其中，如图2、3所示，机翼轴5.2与机翼孔3.3之间为间隙配合，机翼轴5.2可以在机翼孔3.3中自由旋转。而机翼轴5.2与旋转块4之间为过盈配合，旋转块4跟随机翼5一起旋转。旋转块4两边设定了固定角度的两个凸块，当机翼5旋转到一定位置时，会被挡杆12卡住。旋转块4的角度设定就规定了机翼5在旋转过程中机翼5攻角的变化范围。在初始位置时，机翼5以一定的攻角进行拍打飞行，在飞行过程中，机翼5可以根据风力的变化转化攻角以适应飞行状态，当转化到一定角度时，旋转块4就会被机翼架上的挡杆12挡住，机翼5攻角不能继续变大，由此机构进行控制机翼5的被动旋转。 [0041] 如图1所示，机翼5包括翼脉和翼膜，翼膜采用聚酰亚胺膜，固定在翼脉上。如图2所示本发明所述机翼5的翼脉部分，此翼脉选取双叉犀金龟翅膀作为仿生对象，并对其翅膀进行形状上的仿制，通过采集翅膀边缘的数据点，并进行曲线拟合，得到所需机翼的整个外形曲线。本翼脉使用碳纤维3D打印机进行一体化打印，设有支脉5.1和机翼轴5.2，机翼轴5.2为固定尺寸的，机翼轴5.2与机翼架3的机翼孔3.3进行间隙配合，与旋转块4的孔之间进行过盈配合。 [0042] 实施例： [0043] 如图1所示，一种微型扑翼飞行器，包括用于飞行的机翼5部分以及扑翼机构、减速机构和被动旋转机构。其中微型扑翼飞行器的动力来源于固定于机架1中心的微小型空心杯电机11，电机11由锂电池或者外接电源驱动。 [0044] 如图2所示，本发明所述机翼5的翼脉部分。此翼脉选取双叉犀金龟翅膀作为仿生对象，并对其翅膀进行形状上的仿制，通过采集翅膀边缘的数据点，并进行曲线拟合，得到所需机翼的整个外形曲线。本翼脉使用碳纤维打印机进行打印，并设计出固定尺寸的机翼轴5.2，与机翼架3相连。 [0045] 如图3所示，本发明所述的被动旋转机构。被动旋转机构包括挡杆12、旋转块4和机翼轴5.2。挡杆12的作用是当机翼5旋转到一定位置时，阻挡机翼5继续旋转，防止机翼5翻转过大而失去升力，掉落。其中机翼轴5.2与机翼孔3.3之间为间隙配合，机翼轴5.2可以在机翼孔3.3中自由旋转。而机翼轴5.2与旋转块4之间为过盈配合，旋转块4跟随机翼5一起旋转。旋转块4两边设定了固定角度两个凸块，当机翼5旋转到一定位置时，会被挡杆12卡住。旋转块4的角度设定就规定了机翼5在旋转过程中机翼5攻角的变化范围。在初始位置时，机翼5以一定的攻角进行拍打飞行，在飞行过程中，机翼5可以根据风力的变化转化攻角以适应飞行状态，当转化到一定角度时，旋转块4就会被机翼架3上的挡杆12挡住，机翼5攻角不能继续变大，由此机构进行控制机翼5的被动旋转。 [0046] 如图4所示本发明所述的减速机构。减速机构包括第一齿轮7(驱动轮)、第二齿轮8(传动轮)、第三齿轮(左减速齿轮)9、第四齿轮10(右减速齿轮)，其中驱动轮与空心杯电机11相连，电机带动驱动轮旋转，驱动轮继而带动传动轮旋转，并进行一级减速。传动轮分别带动左减速齿轮与右减速齿轮旋转，并完成电机的二级减速。 [0047] 如图5所示本发明所述的扑翼机构。此扑翼机构包括左右减速齿轮、连杆2和机翼架3。其中连杆2一端通过销钉6固定在减速齿轮上，构成曲柄摇杆机构的曲柄；另一端通过销钉6固连到机翼架3上，构成曲柄摇杆机构的摇杆。通过曲柄、连杆、摇杆的尺寸选择，确定出摇杆的转角范围，从而确定出机翼拍动角的范围。