一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构

1.本发明属于飞行器技术领域，具体是一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构。


背景技术：

2.长期以来人类已对飞行生物翼（特别是昆虫翅）的拍动开展了大量而细致的观测及研究，发现其能产生更高的气动升力系数，具有多种飞行模式——拍动前飞、展翅滑翔、垂直起降和悬停等。受鸟类拍打翅膀以获得更好飞行能力的启发，扑旋翼结合了拍打运动和旋转运动从而获得更高的敏捷性和飞行效率，此概念最早由李道春、吴江浩等人提出，并制造了微型扑旋翼模型进行了可飞行实验和空气动力学分析。扑旋翼既具有旋翼垂直起飞的能力，又能够沿水平面上做旋转运动，但缺少了像扑翼一样在水平上续航飞行的能力。扑旋翼的结构通过非对称机翼的拍动运动，在扑打的过程中形成一种反卡门涡街现象从而衍生一个推进力，但在一段时间后会与旋转运动所产生的阻力达成一个动态平衡，在这其中涉及到一个机翼俯仰角的概念，为了获取最大升力及飞行效率，适宜的机翼俯仰角选取也成为了一个重要的探究因素。
3.无论是在军事领域还是人类日常生活，扑翼飞行器都有较好的发展前景，这就对飞行器的稳定性和灵活性提出了挑战，对飞行器的模态转换以适应环境有了较高的要求。目前，国内外大多数扑翼飞行器都是机翼上下扑打的仿鸟类飞行器，此类仿鸟类飞行器难以实现模态的切换，从而提高灵活性以及更好的环境适应能力。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，本发明所采取的技术方案如下： 一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，包括设置于整体机架上的动力组件和飞行组件，所述动力组件向飞行组件提供动力使其克服阻力运动， 所述动力组件包括电机、与电机相连的减速齿轮、曲柄滑块机构，所述减速齿轮通过传动轴与曲柄滑块机构传动连接、所述曲柄滑块机构通过中心杆与飞行组件传动连接；所述曲柄滑块机构是指用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆，本领域技术人员知晓该结构将转动运动转换为直线运动的原理和基本结构设置情况。
5.所述飞行组件包括机翼架、设置于机翼架上的机翼、用于驱动机翼旋转的机翼驱动机构，所述机翼驱动机构包括驱动箱体，驱动箱体内设置有扭簧、扭簧限位组件、遥控解锁组件，所述遥控解锁组件用于控制解除扭簧限位组件对扭簧转动的限位作用；所述机翼通过前缘杆与机翼驱动机构传动配合，所述机翼包括第一机翼和第二机翼，所述第一机翼和第二机翼具有形成对称分布的扑翼状态，和形成非对称分布的扑旋翼状态；
所述机翼驱动机构通过扭簧驱动前缘杆旋转从而使机翼在扑旋翼状态和扑翼状态之间切换，并在切换为任一状态后形成自锁（装置的自锁就是机翼状态切换后，扭簧恢复了原来未被压缩的状态，而扭簧在箱体内是不发生的转动的，则前缘杆不会发生偏转）。
6.作为优选，所述扭簧限位组件包括记忆合金插销，所述遥控解锁组件包括缠绕于记忆合金插销上的加热电阻丝、遥控加热装置，所述加热电阻丝与遥控加热装置相连；所述扭簧具有静态力臂和旋转力臂，所述静态力臂一端与驱动箱体内壁固定连接，所述旋转力臂具有压缩后由扭簧限位组件对其进行限位保持的压缩状态，和由遥控解锁组件对其解除限位，然后旋转力臂驱动前缘杆旋转的释放状态。
7.作为优选，所述减速齿轮包括一级减速齿轮和与一级减速齿轮相配合的二级减速齿轮，所述一级减速齿轮的直径大于所述二级减速齿轮的直径，所述二级减速齿轮与电机转轴相连；此种设计可以将空心杯电机输出轴处的高转速、小力矩，通过两级减速齿轮，转化成低转速、大力矩并传递到曲柄滑块装置上，可以满足该仿生多模态飞行器对大输入力矩的需求。
8.作为优选，所述曲柄滑块机构包括转动块和轨道件，所述转动块包括分别设置于轨道件两侧的第一转动块和第二转动块，所述第一转动块位于轨道件靠近减速齿轮的一侧，并且其一端通过传动轴与减速齿轮传动连接，另一端通过传动杆与轨道件传动配合；所述轨道件上方位置设置有与轨道件接触配合的滑块，所述滑块与中心杆的下端相连；所述轨道件上设置有弧形轨道，所述第一转动块和第二转动块通过贯穿弧形轨道的传动杆相连，减速齿轮带动转动块转动，从而使转动块带动传动杆沿弧形轨道运动。
9.作为优选，所述机翼驱动机构还包括套设于前缘杆上的套筒销装置，所述套筒销装置包括下挡块，销块、上挡块，以及贯穿下挡块，销块、上挡块的中心孔，所述机翼通过贯穿中心孔的前缘杆与机翼驱动机构相连。
10.作为优选，所述下挡块、上挡块与设置于机翼架上的机翼驱动背板固定连接，所述销块设置于下挡块和上挡块之间并与前缘杆相连，所述销块呈纺锤形结构，且该纺锤形结构两端为圆角；所述机翼驱动背板设置于所述销块后方位置对销块的转动范围进行限位从而限制前缘杆的转动范围，进而限制机翼的转动范围。
11.作为优选，所述销块限制前缘杆的转动范围，进而使机翼的俯仰角度控制在10
°‑
50
°
范围内；由于上拍能获得负升力，下拍获得正升力，在10
°‑
50
°
俯仰角控制下，微型飞行器能获得更多的升力和推力，提升飞行效率。
12.作为优选，所述支撑座包括第一支撑座和第二支撑座，所述第一支撑座的两端铰接有叉手，第二支撑座的两端与机翼驱动背板铰接，且所述机翼驱动背板还与叉手远离第一支撑座的一端铰接。
13.作为优选，所述第一支撑座和第二支撑座均呈h形结构，均具有位于其两端的双臂结构，所述叉手呈一端为单臂、另一端为双臂的y形结构，所述叉手的单臂插入第一支撑座的双臂之间形成转动连接，所述机翼驱动背板插入第二支撑座的双臂之间形成转动连接。
14.作为优选，所述中心杆外套设有铝制杆件，所述铝制杆件铰接在整体机架对支撑座起支撑作用；且所述中心杆与支撑座之间设有旋转轴承。
15.本发明的有益效果如下：电机带动电机输出轴转，通过减速齿轮将电机输出力矩放大并传递到曲柄滑块机构上，再由中心杆装置传递到机翼架上，通过机翼架、机翼驱动箱
形成的运动传递机构，将中心杆的往复直线运动转化成扑翼-扑旋翼的拍动运动；将扭簧、扭簧限位组件、和遥控解锁组件设置于机翼驱动箱内，通过遥控装置解锁使扭簧回弹带动机翼扭转，实现扑翼-扑旋翼之间的模态转换，使飞行器兼具扑旋翼的高机动性垂直起降和类似扑翼的高效巡航飞行性能。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
17.图1为仿蜂鸟飞行器多模态转换的结构示意图，其中a-a为扑旋翼模式起飞，a-b为扑旋翼模式降落，b-a为扑翼模式前飞，b-b为扑翼模式滑翔，c表示地平线位置；图2为本发明整体结构示意图；图3为动力组件和飞行组件结构示意图（不包含机翼片）；图4为本发明中两级减速机构和曲柄滑块机构的结构示意图；图5为本发明中套筒销装置结构示意图；图6为本发明中销块结构示意图；图7为本发明中包含扭簧，记忆合金的驱动箱体的结构示意图，具体为扭簧旋转力臂被压缩的状态；图8为本发明中的驱动箱体内部结构示意图，具体为扭簧旋转力臂被释放的驱动箱体内部状态。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
19.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是 为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二
”ꢀ
仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再 一一说明。
20.本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
21.实施例1如图1所示，本发明公开了一种一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，具体为一种由形状记忆合金插销26和扭簧25实现扑旋翼形态转变为扑翼形态的仿蜂鸟飞行器，包括整体机架1，空心杯电机2，两级减速齿轮（一级减速齿轮3、二级减速齿轮5）、把手装置8、中心杆9，机翼13。电机2在仿生微型飞行器动力方面，由于其体积小，质量轻，结构简单，精度高，被广泛用作驱动源。两级减速齿轮3、5分别通过两个传动轴4、6固定在整体机架1上，作为动力传递装置，使减速比达到22.75：1，保证电机的稳定输出及动力元件平稳运行。
22.通过传动轴6将两级减速机旋转的动力传递到右边由两个铝制转动块7和一个把手装置8构成的曲柄滑块机构，再将中心杆9贯穿进把手零件，将曲柄滑块运动的力转变成中心杆9上下往复移动的力从而带动机翼架16上下移动，其中曲柄滑块机构主要由一个把手装置（轨道件8）、两个通过外侧传动杆6安装在把手装置左右两侧（与把手未固定）的铝制转动块7及一根通过把手轨道穿过两个铝制转动块7的传动杆701构成。其中，外侧传动杆6有两个，左侧直接穿过机架和铝制转动块固定，右侧先穿过机架再穿过减速器与铝制转动快固定。当两级减速齿轮开始转动时，传动杆701将齿轮的旋转运动传递到曲柄滑块装置上，再通过中心杆9传递到机翼架上，再带动机翼13驱动背板17运动，从而实现机翼13的上下拍打运动。
23.具体方式为：空心杯电机2驱动曲柄滑块机构运动，带动中心杆9上下运动，再通过机翼架、叉手、支撑座、机翼驱动背板形成的运动传递机构，将中心杆的往复直线运动转化成扑翼-扑旋翼的拍动运动，其具体实施效果为：中心杆下移扑旋翼进入上拍状态；中心杆上移扑旋翼进入下拍状态。同时扑旋翼的旋转运动是由机翼扑动产生的反卡门涡街形成的。
24.所述的中心杆驱动机构还包括支撑座11和机翼架12，通过中心杆件9将曲柄滑块装置的动力传递到机翼架12上，支撑座11位于机翼架12下方，同时有铝制杆件10铰接在机架上支撑住支撑座11，且中心杆9与支撑座11之间设有旋转轴承14、15，使得支撑座11相对于中心杆9之间存在旋转运动。
25.所述的支撑座11包括底部及与底部铰接的左侧部与右侧部，支撑座11的两侧作为支点端分别用来与左右两个叉手16的下方铰接，机翼架11为h型且h型的左间隙与右间隙分别与两个机翼驱动背板17铰接，同时左右两个机翼驱动背板17与叉手16的上间隙进行铰接，机翼13的数目设置为两个，这样使得机翼13在上拍和下拍的过程中更加稳定，提供更强的升降能力。支撑座11和机翼架12采用对称构型，便于两个机翼13的安装铰接。同时也能使中心杆9进行竖直往复运动时让机翼驱动背板17的旋转范围更大，从而带动机翼13的上拍与下拍的幅度更大，产生升力的能力更强。
26.所述的机翼驱动背板17与驱动箱体18的数量为两个，机翼驱动背板17的一端与机翼架12铰接，中间则铰接了驱动箱体18和套筒销装置19。
27.所述的驱动箱体18由扭簧25，记忆合金插销26，热阻丝27，遥控加热装置28构成。扭簧是一种扭转弹簧，将其一端固定，当其他组件绕弹簧中心旋转时，弹簧将它们拉回初始位置从而产生扭矩和旋转力。扭簧可以存储和释放能量通过限制绕扭簧中轴的旋转力臂来静态固定装置。
28.其中箱体内部的扭簧的驱动原理如下：扭簧25的弹簧中心与机翼的前缘杆末端旋紧，当机翼的前缘杆23穿过套筒销装置19，绕着扭簧25的旋转中心旋转时，（前缘杆截面直径与扭簧中部通孔直径保持一致，确保前缘杆能与扭簧配合，旋转前缘杆让扭簧产生扭矩。扭簧在箱体中因为一个圆柱筒体30的存在被固定了，保证扭簧的中心不发生改变。但随着前缘杆与扭簧中心配合是可以让扭簧转动带动旋转力臂转动，从而产生扭矩，当前缘杆旋转一定角度后，用记忆合金插销插入相应位置固定扭簧的旋转力臂，使扭簧保持被压缩的状态。扭簧的静止力臂因为扭簧的旋转会有一定的缩短，通过箱体的设置。保证了静止力臂在一个套筒里不会掉落影响扭簧的固定位置）扭簧就会产生扭矩，固定缠绕着热阻丝27的
记忆合金插销26来限制扭簧的旋转力臂252使机翼装置达到静态效果。在初始阶段，将两侧机翼分别扭转180
°
（非对称机翼），以扑旋翼模态上升；在飞行阶段，使用遥控加热装置28，通过电线29加热一侧箱体18内的电阻丝27，电阻丝27发热使记忆合金插销26受热缩短，压缩的扭簧25的旋转力臂251失去限制，通过前缘杆23使机翼旋转回初始状态（对称机翼），使机构以扑翼模态飞行；在降落阶段，重复上述操作使另一侧压缩了旋转力臂251的扭簧25失去限制通过前缘杆23将另一侧机翼13旋转回初始状态（非对称机翼），机构以扑旋翼模态降落。实现了机构的扑翼-扑旋翼的飞行模态转换，在一个飞行周期的具体模态切换见图1。
29.所述的驱动箱体18内部的扭簧25通过扭簧中心固定在一个的圆柱体31上，同时扭簧的静态力臂251通过嵌在驱动箱体18内部的镂空圆柱体固定。这样的一个设计让机构在运动过程中，扭簧25除旋转力臂252可活动外其余均被限制，确保运动的可靠性。
30.所述的机翼驱动背板17和套筒销装置19有两个，套筒销19铰接在机翼驱动背板17上，同时套筒销装置19由下挡块20，上挡块22和一个销块21构成，销块21被下挡块20，上挡块22和铰接的上机翼驱动背板17限制旋转的范围。同时机翼13的前缘杆23贯穿进套筒销装置19的中心孔24内一直到下挡块20进行固定，从而销块21因为限位块20，22及机翼驱动背板17的耦合限制使机翼的俯仰角度控制在10
°‑
50
°
范围内，由于上拍能获得负升力，下拍获得正升力，在10
°‑
50
°
俯仰角控制下，微型飞行器能获得更多的升力和推力，提升飞行效率。
31.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，包括设置于整体机架（1）上的动力组件和飞行组件，所述动力组件向飞行组件提供动力使其克服阻力运动，其特征在于：所述动力组件包括电机（2）、与电机（2）相连的减速齿轮、曲柄滑块机构，所述减速齿轮通过传动轴（6）与曲柄滑块机构传动连接、所述曲柄滑块机构通过中心杆（9）与飞行组件传动连接；所述飞行组件包括机翼架（12）、设置于机翼架（12）上的机翼（13）、用于驱动机翼（13）旋转的机翼驱动机构（17），所述机翼驱动机构（17）包括驱动箱体（18），驱动箱体（18）内设置有扭簧（25）、扭簧限位组件、遥控解锁组件，所述遥控解锁组件用于控制解除扭簧限位组件对扭簧（25）转动的限位作用；所述机翼（13）通过前缘杆（23）与机翼驱动机构（17）传动配合，所述机翼（13）包括第一机翼和第二机翼，所述第一机翼和第二机翼具有形成对称分布的扑翼状态，和形成非对称分布的扑旋翼状态；所述机翼驱动机构（17）通过扭簧（25）驱动前缘杆（23）旋转从而使机翼（13）在扑旋翼状态和扑翼状态之间切换；所述扭簧限位组件包括记忆合金插销（26），所述遥控解锁组件包括缠绕于记忆合金插销（26）上的加热电阻丝（27）、遥控加热装置（28），所述加热电阻丝（27）与遥控加热装置（28）相连；所述扭簧（25）具有静态力臂（251）和旋转力臂（252），所述静态力臂（251）一端与驱动箱体（18）内壁固定连接，所述旋转力臂（252）具有压缩后由扭簧限位组件对其进行限位保持的压缩状态，和由遥控解锁组件对其解除限位，然后旋转力臂（252）驱动前缘杆（23）旋转的释放状态。2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述减速齿轮包括一级减速齿轮（3）和与一级减速齿轮（3）相配合的二级减速齿轮（5），所述一级减速齿轮（3）的直径大于所述二级减速齿轮（5）的直径，所述二级减速齿轮（5）与电机（2）转轴相连。3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述曲柄滑块机构包括转动块（7）和轨道件（8），所述转动块（7）包括分别设置于轨道件（8）两侧的第一转动块和第二转动块，所述第一转动块位于轨道件（8）靠近减速齿轮的一侧，并且其一端通过传动轴（6）与减速齿轮传动连接，另一端通过传动杆（701）与轨道件（8）传动配合；所述轨道件（8）上方位置设置有与轨道件（8）接触配合的滑块（801），所述滑块（801）与中心杆（9）的下端相连；所述轨道件（8）上设置有弧形轨道，所述第一转动块和第二转动块通过贯穿弧形轨道的传动杆（701）相连，减速齿轮带动转动块（7）转动，从而使转动块（7）带动传动杆（701）沿弧形轨道运动。4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述机翼驱动机构（17）还包括套设于前缘杆（23）上的套筒销装置（19），所述套筒销装置（19）包括下挡块（20），销块（21）、上挡块（22），以及贯穿下挡块（20），销块（21）、上挡
块（22）的中心孔（24），所述机翼（13）通过贯穿中心孔（24）的前缘杆（23）与机翼驱动机构（17）相连。5.根据权利要求4所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述下挡块（20）、上挡块（22）与设置于机翼架（12）上的机翼驱动背板（17）固定连接，所述销块（21）设置于下挡块（20）和上挡块（22）之间并与前缘杆（23）相连，所述销块（21）呈纺锤形结构，且该纺锤形结构两端为圆角；所述机翼驱动背板（17）设置于所述销块（21）后方位置对销块（21）的转动范围进行限位从而限制前缘杆（23）的转动范围。6.根据权利要求5所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述销块（21）限制前缘杆（23）的转动范围，进而使机翼的俯仰角度控制在10
°‑
50
°
范围内。7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述支撑座（11）包括第一支撑座（1101）和第二支撑座（1102），所述第一支撑座（1101）的两端铰接有叉手（16），第二支撑座（1102）的两端与机翼驱动背板（17）铰接，且所述机翼驱动背板（17）还与叉手（16）远离第一支撑座（1101）的一端铰接。8.根据权利要求7所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述第一支撑座（1101）和第二支撑座（1102）均呈h形结构，均具有位于其两端的双臂结构，所述叉手（16）呈一端为单臂、另一端为双臂的y形结构，所述叉手（16）的单臂插入第一支撑座（1101）的双臂之间形成转动连接，所述机翼驱动背板（17）插入第二支撑座（1102）的双臂之间形成转动连接。9.根据权利要求7所述的一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，其特征在于：所述中心杆（9）外套设有铝制杆件（10），所述铝制杆件（10）铰接在整体机架（1）对支撑座（11）起支撑作用；且所述中心杆（9）与支撑座（11）之间设有旋转轴承（14）。

技术总结
本发明提供一种基于形状记忆合金的扑旋翼多飞行模态切换机构，包括设置于整体机架上的动力组件和飞行组件，所述动力组件向飞行组件提供动力使其克服阻力运动，所述动力组件包括电机、与电机相连的减速齿轮、曲柄滑块机构；电机带动电机输出轴转，通过减速齿轮将电机输出力矩放大并传递到曲柄滑块机构上，再由中心杆装置传递到机翼架上，通过机翼架、机翼驱动箱形成的运动传递机构，将中心杆的往复直线运动转化成扑翼-扑旋翼的拍动运动；将扭簧、扭簧限位组件、遥控解锁组件设置于机翼驱动箱内，通过遥控装置解锁使扭簧回弹带动机翼扭转，实现扑翼-扑旋翼之间的模态转换，使飞行器兼具扑旋翼的高机动性垂直起降和类似扑翼的高效巡航飞行性能。巡航飞行性能。巡航飞行性能。


技术研发人员：陈思 许华晨 王乐
受保护的技术使用者：温州大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/6/14