一种微型扑翼飞行器

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一种微型扑翼飞行器
申请号	CN202410011594.X	申请日	2024-01-04	公开(公告)号	CN117622485A	公开(公告)日	2024-03-01
申请人	东北大学;			发明人	王延庆; 高强; 杨丰柳; 王璐瑶; 孙文; 王雲锋; 郑建树;
摘要	本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种微型扑翼飞行器，包括扑动机构、姿态调节机构，翅翼、整体框架和控制微型扑翼飞行器飞行的控制器，扑动机构固定在整体框架的顶端，姿态调节机构连接扑动机构的底部且固定在整体框架上，翅翼通过扑动机构和姿态调节机构固定；所述扑动机构包括机架、传动结构、变速结构，机架安装在整体框架的顶端，变速结构固定在机架的上表面，传动结构连接变速结构且固定在机架的下表面；所述翅翼包括两前缘杆、多个翅脉、翼膜和两翼根轴；本飞行器合理设计了微型扑翼飞行器整体架构，其重心近似位于平均气动力中心，来自重力的水平和垂直力臂几乎为零，减少寄生力矩，因此具有飞行姿态平稳，飞行时间长等优点。
权利要求	1.一种微型扑翼飞行器，其特征在于，包括扑动机构(1)、姿态调节机构(2)，翅翼(3)、整体框架(4)和控制微型扑翼飞行器飞行的控制器，所述扑动机构(1)固定在整体框架(4)的顶端，姿态调节机构(2)连接扑动机构(1)的底部且固定在整体框架(4)上，翅翼(3)通过扑动机构(1)和姿态调节机构(2)固定。 2.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述扑动机构(1)包括机架(10)、传动结构(11)、变速结构(12)，机架(10)安装在整体框架(4)的顶端，变速结构(12)固定在机架(10)的上表面，传动结构(11)连接变速结构(12)且固定在机架(10)的下表面。 3.根据权利要求2所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述传动结构(11)包括机构曲柄(111)，所述机构曲柄(111)固定在机架(10)底部中轴线上，机构曲柄(111)的中心连接变速结构(12)，机构曲柄(111)的底部连接摆杆(112)的一端，摆杆(112)的另一端连接中心齿轮(113)，中心齿轮(113)的转轴固定在机架(10)上，中心齿轮(113)一侧与左端齿轮(114)咬合，左端齿轮(114)固定在左端杆件(115)上，左端杆件(115)与机架(10)铰接，中心齿轮(113)另一侧咬合转向齿轮(116)，转向齿轮(116)的转轴固定在机架(10)的右肩侧，转向齿轮(116)咬合右端齿轮(117)，右端齿轮(117)固定在右端杆件(118)上，右端杆件(118)与机架(10)铰接。 4.根据权利要求2所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述机架(10)的左、右边缘分别固定在左肩平台(101)、右肩平台(102)，左肩平台(101)、右肩平台(102)中心杆端分别连接左端齿轮(114)、右端齿轮(117)的转轴；所述机架(10)上设有一弯曲槽口(104)，摆杆(112)与中心齿轮(113)的连接铆钉滑动连接在机架(10)的弯曲槽口(104)中。 5.根据权利要求2所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述变速结构(12)包括双联齿轮(122)，双联齿轮(122)固定在机架(10)上，双联齿轮(122)的大齿轮与电机齿轮(124)咬合，双联齿轮(122)的小齿轮与长轴齿轮(123)咬合，电机齿轮(124)的顶端安装在电机(121)的输出轴上，电机(121)利用设置在机架(10)上的电机架固定，长轴齿轮(123)的转轴通过机架(10)上的第一滚动轴承(119)与机构曲柄(111)固定连接。 6.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述整体框架(4)包括框架支撑杆(401)，所述框架支撑杆(401)的中部和底部分别固定上支撑架(402)、下支撑架(403)，下支撑架(403)的凹槽内安装有电池(406)，框架支撑杆(401)的顶端固定在连接杆(103)的下端，框架转轴(404)通过过盈配合安装在第二滚动轴承(405)内，第二滚动轴承(405)嵌固在连接杆(103)中部，连接杆(103)顶端固定在机架(10)上。 7.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述翅翼(3)包括两前缘杆(301)、多个翅脉(302)、翼膜(303)和两翼根轴(304)，所述两前缘杆(301)分别固定在左端杆件(115)和右端杆件(118)上，两翼根轴(304)顶端通过过盈配合固定在万向节(201)底部，万向节(201)顶端分别固定在左肩平台(101)、右肩平台(102)底端；翼膜(303)顶部和侧面卷附在前缘杆(301)和翼根轴(304)上，翼膜(303)上均匀分布多个增加翅翼(3)刚度的翅脉(302)。 8.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述姿态调节机构(2)包括两直线舵机(202)和旋转舵机(204)，两直线舵机(202)和旋转舵机(204)对称分布，所述两直线舵机(202)通过直线舵机安装架(206)固定在框架转轴(404)上，两直线舵机(202)的侧面对称设有两直线舵机舵盘(203)，直线舵机舵盘(203)固定翼根轴(304)的底端，旋转舵机(204)固定在整体框架(4)的上支撑架(402)上，旋转舵机舵盘(205)的一端通过过盈配合固定在旋转舵机(204)上，另一端连接旋转舵机舵盘连接轴(207)，旋转舵机舵盘连接轴(207)连接传动杆(208)，传动杆(208)铰接固定在上支撑架(402)的固定插件(209)上，传动杆(208)转动连接直线舵机安装架(206)底部。 9.根据权利要求8所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述姿态调节机构(2)调节姿态操作具体表现为，当旋转舵机舵盘(205)保持竖直向上的状态，两个对称直线舵机舵盘(203)同时驱动翼根轴(304)往里或往外移动相同的距离可进行向前和向后俯仰姿态调节；当直线舵机(202)使得翼根轴(304)保持竖直向上的状态时，旋转舵机舵盘(205)通过旋转舵机舵盘连接轴(207)驱动直线舵机安装架(206)向两侧倾斜一个角度，驱动翼根轴(304)也随之向两侧倾斜一个角度，此时可进行向左和向右滚转姿态调节；当旋转舵机舵盘(205)保持竖直向上的状态，两个直线舵机舵盘(203)驱动翼根轴(304)往相反的方向移动相同的距离可进行顺时针和逆时针偏航姿态调节。 10.根据权利要求7所述的一种微型扑翼飞行器，其特征在于，所述翼膜(303)的材质为Icarex PC31面料，翅脉(302)为直径是0.2‑0.4mm的碳棒。
说明书全文	一种微型扑翼飞行器技术领域 [0001] 本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种微型扑翼飞行器。背景技术 [0002] 扑翼飞行器是一种模仿飞行生物(如鸟类、蝙蝠、昆虫)在自然和人造环境中进行自主飞行的飞行器。近年来随着微电子技术等新型技术的诞生和高速发展，扑翼飞行器的研究迅速扩大，现在是一个活跃且整合良好的研究领域。 [0003] 微型扑翼飞行器是扑翼飞行器的一种，它的主要特点是能够输出高频扑动来实现爬升、悬停、前飞等多种功能。同时，相比其他飞行器，它具有能耗低，体积小，高机动性等优势，能够在狭窄受限地形等多种恶劣条件下执行军事和民用任务，因此研究微型扑翼飞行器具有重要意义。 [0004] CN202211311674.4提出一种涉及超轻结构及带控制系统的仿生蜂鸟扑翼飞行器，动力传动系统通过带动翅膀带轮的往复转动来实现一对翅膀的扑翼运动，又通过两个舵机改变翼根状态进而调节微型扑翼飞行器姿态，可以在不外接电源线、仅依靠电池供电的情况下实现扑翼飞行，其扑动机构各部件太过集中，导致整个机体的重心大致处在电机位置附近，造成头重脚轻的不稳定情况，这对姿态控制有很大困难，同时，产生的能量浪费比较大，缩短微型扑翼飞行器的飞行时间。 [0005] CN201910506376.2提出了一种类蜂鸟飞行器，通过齿轮组和连杆使得翅翼同时煽动，又通过两个舵机控制两根翅膀根部边缘杆，翅膀根部边缘杆形态及位置的变化可以改变两个翅翼的状态，进而控制微型扑翼飞行器的飞行姿态，实现小质量飞行器的平稳飞行，其控制机构控制翅翼状态主要通过两根翅膀根部边缘杆，它们与机架的连接处是有很大的位移约束的，这就表明有可能造成控制命令很难甚至无法实现，无法快速执行命令，造成控制延迟甚至失灵。因此，现有技术中存在对微型扑翼飞行器进行改良的需求。 [0006] 同时上述两个文件中提供的两种微型扑翼飞行器的控制机构主体都是由两个舵机构成，只能完成常见的滚转和俯仰姿态调节，无法进行偏航姿态控制，机动性会大受影响，而且会很容易造成机体在外界不同方向的干扰中失去平稳状态进而损毁的情况，稳定性较差，很难完成一些需要灵活性的任务。发明内容 [0007] 针对现有技术的不足，本发明提供一种微型扑翼飞行器，本飞行器合理设计了微型扑翼飞行器整体架构，其重心近似位于平均气动力中心，来自重力的水平和垂直力臂几乎为零，减少寄生力矩，它有着飞行姿态平稳，飞行时间长等优点，并且体积小，使得其机动性高，非常灵活。 [0008] 一种微型扑翼飞行器，包括扑动机构、姿态调节机构，翅翼、整体框架和控制微型扑翼飞行器飞行的控制器，所述扑动机构固定在整体框架的顶端，姿态调节机构连接扑动机构的底部且固定在整体框架上，翅翼通过扑动机构和姿态调节机构固定。 [0009] 所述扑动机构包括机架、传动结构、变速结构，机架安装在整体框架的顶端，变速结构固定在机架的上表面，传动结构连接变速结构且固定在机架的下表面。所述传动结构包括机构曲柄，所述机构曲柄固定在机架底部中轴线上，机构曲柄的中心连接变速结构，机构曲柄的底部连接摆杆的一端，摆杆的另一端连接中心齿轮，中心齿轮的转轴固定在机架上，中心齿轮一侧与左端齿轮咬合，左端齿轮固定在左端杆件上，左端杆件与机架铰接，中心齿轮另一侧咬合转向齿轮，转向齿轮的转轴固定在机架的右肩侧，转向齿轮咬合右端齿轮，右端齿轮固定在右端杆件上，右端杆件与机架铰接。 [0010] 所述机架的左、右边缘分别固定左肩平台、右肩平台，左肩平台、右肩平台中心杆端分别连接左端齿轮、右端齿轮的转轴；所述机架上还设有一弯曲槽口，摆杆与中心齿轮的连接铆钉滑动连接在机架的弯曲槽口中。 [0011] 所述变速结构包括双联齿轮，双联齿轮固定在机架上，双联齿轮的大齿轮与电机齿轮咬合，双联齿轮的小齿轮与长轴齿轮咬合，电机齿轮的顶端安装在电机的输出轴上，电机利用设置在机架上的电机架固定，长轴齿轮的转轴通过机架上的第一滚动轴承与机构曲柄固定连接。 [0012] 所述整体框架包括框架支撑杆，所述框架支撑杆的中部和底部分别固定上支撑架、下支撑架，下支撑架的凹槽内安装有电池，框架支撑杆的顶端固定在连接杆的下端，框架转轴通过过盈配合安装在第二滚动轴承内，第二滚动轴承嵌固在连接杆中部，连接杆顶端固定在机架上。 [0013] 所述翅翼包括两前缘杆、多个翅脉、翼膜和两翼根轴，所述两前缘杆分别固定在左端杆件和右端杆件上，两翼根轴顶端通过过盈配合固定在万向节底部，万向节顶端分别固定在左肩平台、右肩平台底端；翼膜顶部和侧面卷附在前缘杆和翼根轴上，翼膜上均匀分布多个增加翅翼刚度的翅脉。 [0014] 所述姿态调节机构包括两直线舵机和旋转舵机，两直线舵机和旋转舵机对称分布，所述两直线舵机通过直线舵机安装架固定在框架转轴上，两直线舵机的侧面对称设有两直线舵机舵盘，直线舵机舵盘固定翼根轴的底端，旋转舵机固定在整体框架的上支撑架上，旋转舵机舵盘的一端通过过盈配合固定在旋转舵机上，另一端连接旋转舵机舵盘连接轴，旋转舵机舵盘连接轴连接传动杆，传动杆铰接固定在上支撑架的固定插件上，传动杆转动连接直线舵机安装架底部。 [0015] 所述姿态调节机构调节姿态操作具体表现为，当旋转舵机舵盘保持竖直向上的状态，两个对称直线舵机舵盘同时驱动翼根轴往里或往外移动相同的距离可进行向前和向后俯仰姿态调节；当直线舵机使得翼根轴保持竖直向上的状态时，旋转舵机舵盘通过旋转舵机舵盘连接轴驱动直线舵机安装架向两侧倾斜一个角度，驱动翼根轴也随之向两侧倾斜一个角度，此时可进行向左和向右滚转姿态调节；当旋转舵机舵盘保持竖直向上的状态，两个直线舵机舵盘驱动翼根轴往相反的方向移动相同的距离可进行顺时针和逆时针偏航姿态调节。 [0016] 所述翼膜的材质为Icarex PC31面料，翅脉为直径是0.2‑0.4mm的碳棒。 [0017] 所述控制器设置在机架中，所述电池与控制器、电机、直线舵机、旋转舵机电连接，电池对控制器、电机、直线舵机、旋转舵机进行供电。 [0018] 与现有技术相比，本申请的有益效果为： [0019] 1、本申请机架为一体化设计，且本飞行器总体为轴对称结构，同时扑打机构大部分部件被优化为对称分布，进而保证了重心近似位于微型扑翼飞行器的中心对称面上，为之后调整重心位置减少阻碍。 [0020] 2、本申请的翼根轴通过过盈配合固定在万向节上，因此翅翼后端位置受舵机控制进行多方向摆动，避免了各种约束给翼根轴带来的行程阻力，使得姿态控制更加顺利，增加了控制的精确度和可行度，从而让微型扑翼飞行器能够实现更加精确的任务动作。 [0021] 3、本申请提出的扑打机构传动结构采用齿轮传动，有着方便润滑以减少机构之间的摩檫力，使得输出更为稳定的优点，还起着简化扑打机构和减少部件数量的作用，使得其轻型化、牢固化。 [0022] 4、本发明提出的一种微型扑翼飞行器通过对整体零件与结构进行优化，调整了机体的重量分布，使得其重心近似位于叶素法预估的平均气动力中心，减少了因机构存在的寄生力矩造成的能量损耗，从而提高了能量利用效率，延长了飞行时间。 [0023] 5、本申请设置3个舵机，本发明针对刚性连接结构无法实现灵活转向的问题，利用三舵机姿态调节机构，实现了较为精准的微型扑翼飞行器滚转、俯仰、偏航三自由度方向控制，能够在各种需要灵活控制的飞行任务进行稳定快速响应飞行。 [0024] 6、本申请综合考虑了各机构组成部分的尺寸和位置，减少了制造过程中的加工难度，降低了装配难度了，本申请提出的微型扑翼飞行器可以精确实现爬升、悬停、前飞、偏航等多种姿态动作，并且具有能耗低的优点。附图说明 [0025] 图1本发明一种微型扑翼飞行器的整体结构示意图； [0026] 图2本发明一种微型扑翼飞行器的传动结构示意图； [0027] 图3本发明一种微型扑翼飞行器的变速结构示意图； [0028] 图4本发明一种微型扑翼飞行器的机架结构示意图； [0029] 图5本发明一种微型扑翼飞行器的整体框架结构示意图； [0030] 图6本发明一种微型扑翼飞行器的翅翼结构示意图； [0031] 图7本发明一种微型扑翼飞行器的姿态调节机构示意图； [0032] 附图中，1、扑动机构；10、机架；101、左肩平台；102、右肩平台；103、连接杆；104、弯曲槽口；11、传动结构；111、机构曲柄；112、摆杆；113、中心齿轮；114、左端齿轮；115、左端杆件；116、转向齿轮；117、右端齿轮；118、右端杆件；119、第一滚动轴承；12、变速结构；121、电机；122双联齿轮；123长轴齿轮；124、电机齿轮；2、姿态调节机构；201、万向节；202、直线舵机；203、直线舵机舵盘；204、旋转舵机；205、旋转舵机舵盘；206、直线舵机安装架；207、旋转舵机舵盘连接轴；208、传动杆；209、固定插件；3、翅翼；301、前缘杆；302、翅脉；303、翼膜；304、翼根轴；4、整体框架；401、框架支撑杆；402、上支撑架；403、下支撑架；404、框架转轴； 405、第二滚动轴承；406、电池。具体实施方式 [0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明型，并不用于限定本发明。 [0034] 如图1‑7所示，一种微型扑翼飞行器，包括扑动机构1、姿态调节机构2，翅翼3、整体框架4和控制微型扑翼飞行器飞行的控制器，所述扑动机构1固定在整体框架4的顶端，姿态调节机构2连接扑动机构1的底部且固定在整体框架4上，翅翼3通过扑动机构1和姿态调节机构2固定。 [0035] 所述扑动机构包括机架10、传动结构11、变速结构12，机架10安装在整体框架4的顶端，变速结构12固定在机架10的上表面，传动结构11连接变速结构12且固定在机架10的下表面。 [0036] 所述传动结构11包括机构曲柄111，所述机构曲柄111固定在机架10底部中轴线上，机构曲柄111的中心连接变速结构12，机构曲柄111的底部连接摆杆112的一端，摆杆112的另一端连接中心齿轮113，中心齿轮113的转轴固定在机架10上，中心齿轮113一侧与左端齿轮114咬合，左端齿轮114固定在左端杆件115上，左端杆件115与机架10铰接，中心齿轮另一侧咬合转向齿轮116，转向齿轮116的转轴固定在机架10的右肩侧，转向齿轮116咬合右端齿轮117，右端齿轮117固定在右端杆件118上，右端杆件118与机架10铰接。 [0037] 所述机架10的左、右边缘分别固定左肩平台101、右肩平台102，左肩平台101、右肩平台102的中心杆端分别连接左端齿轮114、右端齿轮117的转轴；所述机架10上还设有一弯曲槽口104，摆杆112与中心齿轮113的连接铆钉滑动连接在机架10的弯曲槽口104中。 [0038] 所述变速结构包括双联齿轮122，双联齿轮122固定在机架10上，双联齿轮122的大齿轮与电机齿轮124咬合，双联齿轮122的小齿轮与长轴齿轮123咬合，电机齿轮124的顶端安装在电机121的输出轴上，电机121利用设置在机架10上的电机架固定，长轴齿轮123的转轴通过过盈配合方式安装在第一滚动轴承119中，第一滚动轴承119通过过盈配合安装在机架10中轴线大孔内，长轴齿轮123转轴的另一侧固定连接机构曲柄111。 [0039] 微型扑翼飞行器扑打的原理为：变速结构12对电机121的转速进行减速，增大输出扭矩；长轴齿轮123通过固定连接将减速后的转速传递给机构曲柄111，机构曲柄111通过摆杆112将旋转运动转化为中心齿轮113的往复摆动，中心齿轮113通过与左端齿轮114的咬合将往复摆动角度放大到170度左右，左端齿轮114通过固定连接带动左端杆件115往复摆动；中心齿轮113通过与转向齿轮116的咬合改变摆动方向并放大往复摆动角度，同时转向齿轮 116通过与右端齿轮117的咬合传递往复摆动运动，右端齿轮117通过固定连接带动右端杆件118往复摆动，从而左端杆件115与右端杆件118能够输出对称的往复拍打运动；传动结构 11将电机121的旋转运动转化为左端杆件115、右端杆件118的往复摆动，从而输出扑打运动，扑动幅度高达170度左右，频率范围为24～30Hz左右。 [0040] 机架10为一体化设计，总体为轴对称结构，同时扑打机构大部分部件被优化为对称分布，进而保证了重心近似位于微型扑翼飞行器的中心对称面上，为之后调整重心位置减少阻碍。 [0041] 所述整体框架包括框架支撑杆401，所述框架支撑杆401的中部和底部分别固定上支撑架402、下支撑架403，下支撑架403的凹槽内安装有电池406，框架支撑杆401的顶端固定在连接杆103的下端，框架转轴404通过过盈配合安装在第二滚动轴承405内，第二滚动轴承405嵌固在连接杆103中部，连接杆103顶端固定在机架10上。 [0042] 所述翅翼3包括两前缘杆301、多个翅脉302、翼膜303和两翼根轴304，所述两前缘杆301分别固定在左端杆件115和右端杆件118上，两翼根轴304顶端通过过盈配合固定在万向节201底部上，万向节201顶端分别固定在左肩平台101、右肩平台102底端；翼膜303顶部和侧面卷附在前缘杆301和翼根轴304上，翼膜303上均匀分布多个增加翅翼3刚度的翅脉302；所述翼膜303的材质为Icarex PC31面料，翅脉302为直径是0.2‑0.4mm的碳棒。 [0043] 所述左端杆件115、右端杆件118往复摆动时，可以驱动翅翼3连续扑打，进而产生升力使机体克服重力飞行，翼根轴304顶端通过过盈配合固定在万向节201的底部，翼根轴304后端位置受舵机控制进行多方向摆动，进而实现俯仰、滚转、偏航三自由度微型扑翼飞行器姿态控制。 [0044] 所述姿态调节机构2包括两直线舵机202和旋转舵机204，两直线舵机202和旋转舵机204对称分布，所述两直线舵机202通过直线舵机安装架206固定在框架转轴404上，两直线舵机202的侧面对称设有两直线舵机舵盘203，直线舵机舵盘203固定翼根轴304的底端，旋转舵机204固定在整体框架4的上支撑架402上，旋转舵机舵盘205的一端通过过盈配合固定在旋转舵机204上，另一端连接旋转舵机舵盘连接轴207，旋转舵机舵盘连接轴207连接传动杆208，传动杆208铰接固定在上支撑架402的固定插件209上，传动杆208上转动连接直线舵机安装架206底部。 [0045] 所述姿态调节机构2三个舵机为对称分布，同时为了保持姿态调节机构2水平方向重心近似位于中心对称面上，调整了旋转舵机204的安装位置于稍微靠框架一侧。 [0046] 所述姿态调节机构2调节姿态操作具体表现为，当旋转舵机舵盘205保持竖直向上的状态，两个对称直线舵机舵盘203同时驱动翼根轴304往里或往外移动相同的距离可进行向前和向后俯仰姿态调节；当直线舵机202使得翼根轴304保持竖直向上的状态时，旋转舵机舵盘205通过旋转舵机舵盘连接轴207驱动直线舵机安装架206向两侧倾斜一个角度，驱动翼根轴304也随之向两侧倾斜一个角度，此时可进行向左和向右滚转姿态调节；当旋转舵机舵盘205保持竖直向上的状态，两个直线舵机舵盘203驱动翼根轴304往相反的方向移动相同的距离可进行顺时针和逆时针偏航姿态调节。 [0047] 所述控制器设置在机架10中，所述电池406与控制器、电机121、直线舵机202、旋转舵机204电连接，电池406对控制器、电机121、直线舵机202、旋转舵机204供电。 [0048] 本微型扑翼飞行器根据叶素法，预估平均气动力中心位于微型扑翼飞行器的两个翅翼3的对称中心面与所在平面的交线上，具体位置处于前缘杆301之下，且与前缘杆301的垂直距离近似为翅翼3平均弦长的2/5；整体框架4的设计合理安排了姿态调节机构2各部件的位置，优化了机体总的质量分布，使得微型扑翼飞行器的重心近似位于平均气动力中心，让来自重力的水平和垂直力臂几乎为零，从而减少了机体拍打过程中的震动，进而减少了不平衡和噪音的发生，增强了机体的稳定性。