一种扑翼两自由度运动实验装置

1.本实用新型属于扑翼飞行器领域，尤其涉及一种扑翼两自由度运动实验装置。


背景技术：

2.扑翼飞行器依靠扑动翼的上下扑动产生飞行所需要的升力和推力，因其隐蔽性好，气动效率高，在微型飞行器领域展现出巨大的优势，在军用和民用领域也有广泛的应用。近年来，随着各国科研机构研究的不断深入，已经研制了多种微型扑翼飞行器。
3.生物飞行过程中翅翼的扑动较为复杂，研究表明，生物飞行过程中翅翼不仅会产生复杂的柔性变形，而且一般为多个自由度耦合运动。现阶段微型仿生扑翼飞行器的研究主要分为理论研究和实验测试，理论研究能对飞行器的设计起一定的指导作用，但最终评估飞行器的性能还需要实验验证。
4.目前国内外用于实验的扑翼飞行器主要采用的方式为曲柄连杆驱动。如吉林大学的一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器，申请号为201610168300.x，公开号cn105691615a，虽然实现了扑动翼的多自由度运动，但是属于被动扭转，无法调节幅度。长安大学的一种扑动扭转幅度可变的两自由度扑翼机构及其飞行器，申请号为201910893029.x，公开号为cn110615099a，该专利实现了扑翼的扑动运动和扭转运动，并且能够主动变幅，但是机构不能调节两个运动之间的相位差，且机构传动级数过多，过于复杂。汕头大学的一种可以实现扑动扭转复合运动的仿生扑翼执行机构，申请号为202011332980.7，公开号为cn112340015a，虽然实现了扑翼的两自由度运动，但是无法变幅，只能针对特定状态展开研究。南京航空航天大学的一种机翼自适应主动扭转的扑翼飞行器，申请号为201810344419.7，公开号为cn108750104b，该机构实现扭转主要依靠扑翼前缘和后缘驱动的相位差，这种实现方式扭转的幅度主要取决于扑翼的柔性，局限性较大。吉林大学的一种掠动扭转式三自由度微型扑翼飞行器，申请号为201910397102.4，公开号为cn110104173a，该机构扑翼的扑动运动和扭转运动之间相互耦合，相互影响，并且幅度不可调。北京航空航天大学的一种三自由度扑翼运动测试实验平台，申请号为201811363067.6，公开号为cn109515746b，该机构利用差动轮系的方式实现扑动和扭转，控制难度较大。
5.由此可见，现有的扑翼多自由度运动实验装置主要不足之处在于：扑动运动和扭转运动之间的耦合影响，无法调节扑动运动和扭转运动的幅度和相位差，机构过于复杂、效率低、可靠性差。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种扑翼两自由度运动实验装置，解决了现有技术中存在的上述不足。
7.为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
8.本实用新型提供的一种扑翼两自由度运动实验装置，包括整体支架，所述整体支架上安装有：
9.用于驱动扑动翼扑动的扑动驱动机构；
10.用于驱动扑动翼扭转的扭转驱动机构。
11.优选地，所述整体支架包括上底板和下底板，其中，上底板和下底板平行布置，且两者之间通过底板支撑连接。
12.优选地，所述扑动驱动机构包括电机，所述电机的输出轴连接有电机齿轮，所述电机齿轮啮合连接有扑动齿轮，所述扑动齿轮上设置有七个第一调幅孔；七个第一调幅孔中的任意一个第一调幅孔内配合安装有第一曲柄；所述第一曲柄的自由端安装在输出组件上；所述输出组件驱动连接有扑动翼。
13.优选地，所述输出组件包括滑板和滑轨，其中，所述滑轨安装在整体支架上；所述滑板安装在滑轨上，且与滑轨之间滑动连接；所述滑板工字型结构，所述工字型结构的一横梁端上开设有滑槽，所述滑槽与曲柄配合连接；所述工字型结构的中间梁的两侧均固定安装有齿条；每个齿条啮合连接有扑翼齿轮；所述扑翼齿轮固定在整体支架上；每个扑翼齿轮的上端面固定安装有一个扑翼套筒；每个扑翼套筒连接有一个扑动翼。
14.优选地，七个第一调幅孔呈等角度布置，且七个第一调幅孔的中心与扑动齿轮中心之间的距离依次增大。
15.优选地，所述扭转驱动机构包括扭转齿轮和扭转圆盘，其中，所述扭转齿轮与扑动驱动机构驱动中的扑动齿轮啮合连接；所述扭转圆盘同轴布置在扭转齿轮的下方，且两者之间通过连接轴连接；所述扭转圆盘上设置有五个第二调幅孔；七个第二调幅孔中的任意一个第二调幅孔内配合安装有第二曲柄；所述第二曲柄的自由端安装在输出件上；所述输出件驱动连接有扑动翼。
16.优选地，所述输出件包括扭转滑块和扭转摇臂，其中，所述扭转滑块上开设有滑槽，所述滑槽与第二曲柄的自由端配合连接；所述扭转滑块滑动安装在滑动杆，所述滑动杆安装在整体支架上；所述扭转摇臂设置有两个，两个扭转摇臂对称固定安装在扭转滑块上；所述扑动翼的后缘主梁案子在扭转摇臂上。
17.优选地，五个第二调幅孔呈等角度布置，且五个第二调幅孔的中心与扑动齿轮中心之间的距离依次增大。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
19.本实用新型提供的一种扑翼两自由度运动实验装置，利用扑动驱动机构实现扑翼扑动幅度的调节，扑动幅度从60
°
至120
°
可调；利用扭转驱动机构实现扑翼扭转幅度的调节，扭转幅度从20
°
至45
°
可调，且同时扑动驱动机构和扭转驱动机构的配合能够实现扑动运动和扭转运动任意相位差组合；同时，该装置具有较高的可靠性、操作简便易维护，能满足多种测试需求。
20.进一步的，扑动齿轮上设置的七个第一调幅孔，并配合第一曲柄，进而实现了扑动幅度从60
°
至120
°
可调。
21.进一步的，扭转圆盘上设置的五个第二调幅孔，并配合第二曲柄，进而实现了扭转幅度从20
°
至45
°
可调。
附图说明
22.图1为本实用新型提供的实验装置立体结构示意图；
23.图2为本实用新型提供的扑动部分机构示意图；
24.图3为本实用新型提供的上底板的示意图；
25.图4为本实用新型提供的下底板的示意图；
26.图5为本实用新型提供的滑块的示意图；
27.图6为减速齿轮组装形式示意图；
28.图7为扭转摇臂的示意图；
29.图8为扭转滑块的示意图；
30.图9为扭转部分机构示意图；
31.图10为扑动齿轮与滑槽的连接示意图；
32.图11为扭转圆盘、扭转滑块的连接示意图；
33.图12为扑动翼与扭转摇臂连接示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施方式对实用新型进行详细说明。
35.本实用新型提供一种扑翼两自由度运动实验装置，结构简单，可靠性高，主要创新为：扑动幅度从60
°
到120
°
可调，扭转幅度从20
°
到45
°
可调，两运动间相位差可调。
36.具体地，如图1至图12所示，本实用新型提供的实验装置包括电机1、电机齿轮2、扑动齿轮3、扭转齿轮4、滑板5、齿条6、扑翼齿轮7、扑翼套筒8、限位器9、扑动翼10、上底板11、底板支撑12、尼龙柱13、下底板14、扭转圆盘15、转轴固定座16、扭转滑块17、扭转摇臂18、滑动杆19和滑轨20，其中：
37.所述电机1通过螺栓连接安装与所述上底板11的下表面，所述电机1的输出轴穿过所述上底板11与所述电机齿轮2紧固配合连接。
38.所述扑动齿轮3与所述电机齿轮2啮合，所述扑动齿轮3上开有七个第一调幅孔与第一曲柄连接。
39.在设计中，第一调幅孔的中心与齿轮中心的距离分别为4.712mm、5.498mm、6.283mm、7.069mm、7.854mm、8.639mm和9.425mm；对应的扑动幅度分别为60
°
、70
°
、80
°
、90
°
、100
°
、110
°
和120
°
；且七个第一调幅孔等角度布置，呈螺旋线形。
40.7个第一调幅孔中的其中一个第一调幅孔内配合安装有第一曲柄。
41.如图10所示，所述滑板5为工字型结构，所述工字型结构的中间梁开设有工艺孔；所述工字型结构的一端横梁上开有滑槽，所述滑槽与所述扑动齿轮3上的曲柄连接。
42.所述滑板5开设有滑槽的一端横梁的两端均安装有滑块，所述滑块与所述滑轨20连接组成滑动运动副，通过由所述扑动齿轮3上的曲柄与所述滑板5上滑槽组成的曲柄滑槽运动副的传动，可在滑轨上直线运动。
43.所述扑动齿轮3与所述滑轨20均安装与所述上底板11上表面。
44.所述滑板5的中间梁的两侧均安装有齿条6，且与所述齿条6通过胶水粘接。
45.所述齿条6与扑翼齿轮7啮合，所述扑翼齿轮7通过销钉与所述转轴固定座16连接，所述转轴固定座16通过螺栓与所述上底板11连接。
46.所述扑翼套筒8固定连接于所述扑翼齿轮7的上表面；所述扑动翼10前缘主梁插入所述扑翼套筒8中。
47.所述限位器9安装在扑翼套筒8自由端的端部。
48.所述限位器9侧面开有螺纹孔，用于与所述扑动翼10前缘主梁通过螺栓连接。
49.所述底板支撑12通过螺栓与所述上底板11和下底板14连接。
50.所述上底板11和下底板14通过螺栓与尼龙柱13连接，尼龙柱13在上下板中进行支撑。
51.所述扭转齿轮4与所述扑动齿轮3啮合，所述扭转圆盘15与所述扭转齿轮4用一根输出轴连接。
52.所述扭转圆盘15上开有五个第二调幅孔与曲柄连接；五个第二调幅孔中的其中一个第二调幅孔内配合安装有第二曲柄。
53.五个第二调幅孔的中心与圆盘中心的距离分别为11.97mm、14.79mm、17.50mm、20.08mm，对应的扭转幅度分别为20
°
、25
°
、30
°
、35
°
；且五个第二调幅孔等角度布置，呈螺旋线形。
54.所述扭转滑块17为长方形板状结构，所述扭转滑块17的一长侧边处开设有倒t型豁口1701，所述扭转圆盘15配合安装在所述倒t型豁口的大端处。
55.所述扭转滑块17的该长侧边的两端均开设有卡槽1702，所述卡槽1702的顶部开设有通孔1703。
56.所述扭转滑块17的该长侧边的侧壁开设有两个安装孔1704。
57.所述扭转滑块17的另一长侧边的底部开设有滑槽1705。
58.所述扭转圆盘15上的第二曲柄与所述扭转滑块17的滑槽1705连接。
59.所述扭转滑块17通过安装孔1704安装于所述滑动杆19上，所述滑动杆19两端与所述底板支撑12连接。
60.所述扭转摇臂18卡装在卡槽1702，且通过销钉与所述扭转滑块17上的通孔1703配合连接。
61.所述扭转摇臂18为长方体结构，所述扭转摇臂18的上端面开设有通孔，通过该通孔与扭转滑块17连接。
62.所述扭转摇臂18的一侧壁开设有滑槽，所述滑槽伸向扭转摇臂18的内部；所述扑动翼10后缘主梁插入所述扭转摇臂18滑槽内。
63.所述扭转摇臂18的该一侧壁的端面上开设有螺丝孔，有口盖21通过螺丝链接将所述扭转摇臂18的该一侧壁的端面封闭，防止所述扑动翼10后缘主梁从所述扭转摇臂18滑槽内脱落。
64.机翼挥舞运动的实现方式为：
65.电机齿轮2带动扑动齿轮3运动，扑动齿轮3上的曲柄带动滑板5滑动，滑板5上的齿条6带动扑翼齿轮7往复运动实现扑动运动。
66.扭转齿轮4与扑动齿轮3啮合，二者模数和齿数一致，保证扑动运动和扭转运动的频率一致，扭转齿轮4和扭转圆盘15共轴连接，扭转齿轮4带动扭转圆盘15运动，在开始运动之前调整扑运齿轮3和扭转齿轮4上曲柄的相位差即可实现挥舞运动和扭转运动同频率、任意相位差组合。
67.所述下底板14开有底板支撑孔、传感器安装孔等用于连接上下底板和传感器。
68.所述扭转齿轮4与扑动齿轮3啮合，两个齿轮模数，齿数一致。
69.本实用新型工作过程如下：
70.电机1运动驱动电机齿轮2运动，进而传动至扑动齿轮3周转，扑动齿轮3上曲柄与滑板5上滑槽构成曲柄滑槽运动副，推动滑板5在滑轨20上进行往复直线运动，由此与滑板5固定连接的齿条6带动与之相啮合的扑翼齿轮7进行往复扑动，形成机翼的挥舞运动；
71.同时，扭转齿轮4与扑动齿轮3啮合，扑动齿轮3运动时带动扭转齿轮4运动，进而带动扭转圆盘15运动，扭转圆盘15上的曲柄运动带动扭转滑块17在滑动杆19上进行往复运动，进而带动扭转摇臂18摆动，形成机翼的扭转运动。
72.在开始运动之前调整扑运齿轮3和扭转齿轮4上曲柄的相位差即可实现挥舞运动和扭转运动同频率、任意相位差组合。

技术特征：
1.一种扑翼两自由度运动实验装置，其特征在于，包括整体支架，所述整体支架上安装有：用于驱动扑动翼扑动的扑动驱动机构；用于驱动扑动翼扭转的扭转驱动机构；所述扑动驱动机构包括电机(1)，所述电机(1)的输出轴连接有电机齿轮(2)，所述电机齿轮(2)啮合连接有扑动齿轮(3)，所述扑动齿轮(3)上设置有七个第一调幅孔；七个第一调幅孔中的任意一个第一调幅孔内配合安装有第一曲柄；所述第一曲柄的自由端安装在输出组件上；所述输出组件驱动连接有扑动翼；所述扭转驱动机构包括扭转齿轮(4)和扭转圆盘(15)，其中，所述扭转齿轮(4)与扑动驱动机构驱动中的扑动齿轮(3)啮合连接；所述扭转圆盘(15)同轴布置在扭转齿轮(4)的下方，且两者之间通过连接轴连接；所述扭转圆盘(15)上设置有五个第二调幅孔；七个第二调幅孔中的任意一个第二调幅孔内配合安装有第二曲柄；所述第二曲柄的自由端安装在输出件上；所述输出件驱动连接有扑动翼。2.根据权利要求1所述的一种扑翼两自由度运动实验装置，其特征在于，所述整体支架包括上底板(11)和下底板(14)，其中，上底板(11)和下底板(14)平行布置，且两者之间通过底板支撑(12)连接。3.根据权利要求1所述的一种扑翼两自由度运动实验装置，其特征在于，所述输出组件包括滑板(5)和滑轨，其中，所述滑轨安装在整体支架上；所述滑板(5)安装在滑轨上，且与滑轨之间滑动连接；所述滑板(5)为工字型结构，所述工字型结构的一横梁端上开设有滑槽，所述滑槽与曲柄配合连接；所述工字型结构的中间梁的两侧均固定安装有齿条(6)；每个齿条(6)啮合连接有扑翼齿轮(7)；所述扑翼齿轮(7)固定在整体支架上；每个扑翼齿轮(7)的上端面固定安装有一个扑翼套筒(8)；每个扑翼套筒(8)连接有一个扑动翼。4.根据权利要求1所述的一种扑翼两自由度运动实验装置，其特征在于，七个第一调幅孔呈等角度布置，且七个第一调幅孔的中心与扑动齿轮(3)中心之间的距离依次增大。5.根据权利要求1所述的一种扑翼两自由度运动实验装置，其特征在于，所述输出件包括扭转滑块(17)和扭转摇臂(18)，其中，所述扭转滑块(17)上开设有滑槽，所述滑槽与第二曲柄的自由端配合连接；所述扭转滑块(17)滑动安装在滑动杆(19)，所述滑动杆(19)安装在整体支架上；所述扭转摇臂(18)设置有两个，两个扭转摇臂(18)对称固定安装在扭转滑块(17)上；所述扑动翼的后缘主梁案子在扭转摇臂(18)上。6.根据权利要求1所述的一种扑翼两自由度运动实验装置，其特征在于，五个第二调幅孔呈等角度布置，且五个第二调幅孔的中心与扑动齿轮(3)中心之间的距离依次增大。

技术总结
本实用新型提供的一种扑翼两自由度运动实验装置，包括整体支架，所述整体支架上安装有：用于驱动扑动翼扑动的扑动驱动机构；用于驱动扑动翼扭转的扭转驱动机构；本实用新型利用扑动驱动机构和扭转驱动机构的配合能够实现扑动运动和扭转运动任意相位差组合；同时，该装置具有较高的可靠性、操作简便易维护，能满足多种测试需求。满足多种测试需求。满足多种测试需求。


技术研发人员：杨晓君 宋笔锋 石安宇 刘恒 宣建林
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.10.28
技术公布日：2023/5/26