一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器

1.本发明涉及仿生飞行器的技术领域，尤其是涉及一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器。


背景技术：

2.自然界中，鸟类和昆虫主要是利用翅膀的拍动、弯曲与扭转来实现各种飞行模式。通过对动物活动的学习与模仿，人类制造出了各种扑翼飞行器。
3.目前，微型仿生扑翼飞行器由于具有质量轻、体积小、操作性好、隐身性强、成本低、便携带等特点，引起了国内外学者和研究机构的广泛关注。相比于固定翼和旋翼而言，扑翼飞行器的可微型化程度高，且其机动性更强。从空气动力学理论上而言，扑翼飞行器的推进效率较常规推进系统更高，最高可达85％。这种兼有固定翼飞行器速度快和旋翼飞行器可悬停飞行优点的新型扑翼飞行器，发展前景广阔。
4.在目前关于微型仿生扑翼飞行器的研究中，绝大多数的飞行器通过扑动机构如双曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构等方式来将电机的旋转运动转化为机翼的往复扑动，这些机构的设计相当复杂，难以装配，因此扑动机构的可靠性和传动效率无法保证。在姿态调控方面，目前主流的调控方案包括控制翅膀产生的升力大小和方向或者控制尾翼产生偏转力矩两种方式，前者调控方案实现较为困难，且调控过程会损失飞行器升力，后者则体积较大，难以实现小型化。


技术实现要素：

5.根据现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，该飞行器采用曲柄摇杆机构来将空心杯电机旋转运动转化为双层齿轮的往复转动，进一步传递为左翼小齿轮和右翼小齿轮更大幅角的往复转动，飞行器具有结构紧凑、体积小巧、质量轻、便于装配、可靠性高等特点。飞行器采用翼根和尾翼控制相结合的方式，兼顾了升力的高效利用和飞行器的小型化设计。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，包括有机架、翅膀以及尾翼，所述机架与尾翼之间通过碳棒骨架相连接，且翅膀的数量设置有两个，并通过翼根连接于碳棒骨架的两侧；
8.还包括有扑动机构和调控机构以及电控部；
9.所述扑动机构由曲柄摇杆机构、齿轮副放大机构和驱动机构组成；
10.所述驱动机构安装于机架的前端并与曲柄摇杆机构相连；
11.所述曲柄摇杆机构安装于机架的中部并用于带动驱动齿轮副放大机构往复转动；
12.所述驱动齿轮副放大机构安装于机架的尾端并与翅膀相连；
13.所述调控机构由尾翼调控机构和翼根调控机构组成；
14.所述尾翼调控机构安装于尾翼后端并用于调节飞行器俯仰姿态；
15.所述翼根调控机构安装于尾翼前端并用于调节飞行器滚转姿态。
16.优选的，所述驱动机构包括有空心杯电机和减速齿轮组，所述空心杯电机内嵌于机架的电机座内；
17.所述减速齿轮组由电机齿轮、双联齿轮和低速级齿轮组成，所述电机齿轮与空心杯电机的输出端固定连接，所述双联齿轮与电机齿轮啮合，所述低速级齿轮位于双联齿轮的斜下方并与双联齿轮啮合。
18.优选的，所述曲柄摇杆机构包括有曲柄，所述曲柄的一端与低速级齿轮同轴相连，且曲柄的另一端连接有连杆；
19.所述曲柄穿过机架且与机架之间连接有两个轴承，用于降低曲柄与机架之间的摩擦力。
20.优选的，所述齿轮副放大机构包括有双层齿轮、左翼小齿轮和右翼小齿轮，所述双层齿轮与连杆之间偏心相连，所述左翼小齿轮与所述右翼小齿轮均通过销钉与机架相连，所述左翼小齿轮与双层齿轮外啮，所述右翼小齿轮与双层齿轮内啮；
21.所述翅膀与翼根之间转动连接，所述左翼小齿轮与右翼小齿轮靠近翅膀的一端面均同轴设置有前缘连接件，所述前缘连接件的末端与翅膀相连接。
22.优选的，所述电控部包括有电池固定架，电池固定架连接于尾翼的前方并与碳棒骨架固定连接，所述电池固定架上设置有两个配合槽，两个所述配合槽内分别装设有飞控板和锂电池，所述锂电池与飞控板电性连接，且飞控板与所述空心杯电机相连。
23.优选的，所述翼根调控机构主要由舵机连接件一、翼根舵机、翼根舵机臂及翼根固定件组成；
24.所述翼根的一端与机架固定连接，所述翼根的另一端与所述翼根固定件相连，所述翼根舵机通过舵机连接件一与碳棒骨架相连，且翼根舵机的输出端与翼根舵机臂相连接，所述翼根舵机通过带动翼根舵机臂旋转带动翼根固定件旋转；
25.所述翼根舵机的输入端与飞控板的输出端通信连接。
26.优选的，所述尾翼调控机构主要由舵机连接件二、尾翼舵机、舵机连接件三和尾翼舵机臂组成；
27.所述尾翼舵机通过舵机连接件二与碳棒骨架相连，所述尾翼舵机的输出端与尾翼舵机臂相连接，所述尾翼舵机臂的末端与舵机连接件三相连接，所述舵机连接件三远离尾翼舵机臂的一端与尾翼连接；
28.所述尾翼舵机的输入端与飞控板的输出端连接。
29.综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
30.1.该基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，通过利用齿轮副放大机构，增加翅膀摆动幅度，提高扑动机构的传动效率；
31.2.该基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，采用了翼根调控机构和尾翼调控机构结合的方案，兼顾了飞行器升力的高效利用和整机的紧凑化、小型化设计，安装与调试也更加简单。
附图说明
32.图1是本实施例的整体结构立体图一。
33.图2是本实施例的整体结构立体图二。
34.图3是本实施例的扑动机构示意图。
35.图4是本实施例的图2的a部放大图。
36.图5是本实施例的图2的b部放大图。
37.图中，1机架、2翅膀、3尾翼、4碳棒骨架、5扑动机构、6调控机构、7电控部、8曲柄摇杆机构、9齿轮副放大机构、10驱动机构、11翼根调控机构、12尾翼调控机构、13翼根、14电池固定架、15配合槽、16飞控板、17锂电池、801曲柄、802连杆、803轴承、901双层齿轮、902左翼小齿轮、903右翼小齿轮、904前缘连接件、101空心杯电机、102减速齿轮组、103电机齿轮、104双联齿轮、105低速级齿轮、111舵机连接件一、112翼根舵机、113翼根舵机臂、114翼根固定件、121舵机连接件二、122尾翼舵机、123舵机连接件三、124尾翼舵机臂。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
39.实施例：
40.参照图1-5所示，本发明公开的一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，包括有机架1、翅膀2以及尾翼3，所述机架1与尾翼3之间通过碳棒骨架4相连接，且翅膀2的数量设置有两个，并通过翼根13连接于碳棒骨架4的两侧；翅膀22与扑动机构51连接，从而实现翅膀2的扑动运动。翅膀22采用pet聚酯薄膜从而保证其柔性。
41.还包括有扑动机构5和调控机构6以及电控部7；
42.所述扑动机构5由曲柄摇杆机构8、齿轮副放大机构9和驱动机构10组成；
43.所述驱动机构10安装于机架1的前端并与曲柄摇杆机构8相连；
44.所述曲柄摇杆机构8安装于机架1的中部并用于带动驱动齿轮副放大机构9往复转动；
45.所述驱动齿轮副放大机构9安装于机架1的尾端并与翅膀2相连；
46.所述调控机构6由尾翼调控机构12和翼根调控机构11组成；
47.所述尾翼调控机构12安装于尾翼3后端并用于调节飞行器俯仰姿态；
48.所述翼根调控机构11安装于尾翼3前端并用于调节飞行器滚转姿态。
49.本实施例中，该飞行器利用曲柄摇杆机构8将驱动机构10产生的旋转力转化为双层齿轮901的往复转动，进一步传递为左翼小齿轮902和右翼小齿轮903更大幅角的往复转动，借此提高扑动机构5的可靠性和传动效率，同时飞行器采用翼根调控机构11和尾翼调控机构12相结合的方式，兼顾了升力的高效利用和飞行器的小型化设计。
50.本发明进一步较佳实施例中，如图1、图2和图3所示，所述驱动机构10包括有空心杯电机101和减速齿轮组102，所述空心杯电机101内嵌于机架1的电机座内；
51.所述减速齿轮组102由电机齿轮103、双联齿轮104和低速级齿轮105组成，所述电机齿轮103与空心杯电机101的输出端固定连接，所述双联齿轮104与电机齿轮103啮合，所述低速级齿轮105位于双联齿轮104的斜下方并与双联齿轮104啮合。
52.本实施例中，机架1采用铝合金6061材质，通过cnc加工制成，为了减轻整体质量，机架1多处采用了镂空设计，同时空心杯电机101内嵌在机架1之中，使结构更加紧凑，减小体积。电机轴与电机齿轮103连接，带动双联齿轮104转动，从而带动低速级齿轮105转动，电
机齿轮103、双联齿轮104与低速级齿轮105三者均采用peek材质，可以极大的减少扑动噪声，且具有优良的自润滑特性。曲柄801与低速级齿轮105同轴固连，从而实现随着低速级齿轮105转动带动曲柄801转动的目的。
53.本发明进一步较佳实施例中，如图3所示，所述曲柄摇杆机构8包括有曲柄801，所述曲柄801的一端与低速级齿轮105同轴相连，且曲柄801的另一端连接有连杆802；
54.所述曲柄801穿过机架1且与机架1之间连接有两个轴承803，用于降低曲柄801与机架1之间的摩擦力。
55.本实施例中，随着低速级齿轮105转动，与其同轴设置且固定相连的曲柄801随之转动，同时为了稳固曲柄801，曲柄801与机架1之间通过轴承803转动相连，且有助于降低摩擦力，提高曲柄801的使用寿命。
56.本发明进一步较佳实施例中，如图3所示，所述齿轮副放大机构9包括有双层齿轮901、左翼小齿轮902和右翼小齿轮903，所述双层齿轮901与连杆802之间偏心相连，所述左翼小齿轮902与所述右翼小齿轮903均通过销钉与机架1相连，所述左翼小齿轮902与双层齿轮901外啮，所述右翼小齿轮903与双层齿轮901内啮；
57.所述翅膀2与翼根13之间转动连接，所述左翼小齿轮902与右翼小齿轮903靠近翅膀2的一端面均同轴设置有前缘连接件904，所述前缘连接件904的末端与翅膀2相连接。
58.本实施例中，双层齿轮901转动安装于机架1内，且连杆802的端部与双层齿轮901之间转动连接，具体请参见图3所示，随着曲柄801转动，通过连杆802传动带动双层齿轮901往复转动，其后借助左翼小齿轮902与所述右翼小齿轮903的啮合传动带动两个翅膀2扑动，同时由于左翼小齿轮902与所述右翼小齿轮903的啮合传动，可以将曲柄摇杆机构8的往复摆动角度放大，以此增加翅膀2更大的扑动幅度，使得扑动机构5的可靠性和传动效率有了显著提高。
59.前缘连接件904的形状设置为l形，随着左翼小齿轮902与所述右翼小齿轮903的转动，前缘连接件904随之自转，实现将转动力向翅膀2传递的目的。
60.本发明进一步较佳实施例中，如图1和图2所示，所述电控部7包括有电池固定架14，电池固定架14连接于尾翼3的前方并与碳棒骨架4固定连接，所述电池固定架14上设置有两个配合槽15，两个所述配合槽15内分别装设有飞控板16和锂电池17，所述锂电池17与飞控板16电性连接，且飞控板16与所述空心杯电机101相连。
61.本实施例中，飞控板16和锂电池17分别固定于电池固定架14上的配合槽15中，电池固定架14又与碳棒骨架4固连，通过锂电池17向飞控板16供电，飞控板16可以控制空心杯工作。
62.本发明进一步较佳实施例中，如图1、图2和图4所示，所述翼根调控机构11主要由舵机连接件一111、翼根舵机112、翼根舵机臂113及翼根固定件114组成；
63.所述翼根13的一端与机架1固定连接，所述翼根13的另一端与所述翼根固定件114相连，所述翼根舵机112通过舵机连接件一111与碳棒骨架4相连，且翼根舵机112的输出端与翼根舵机臂113相连接，所述翼根舵机112通过带动翼根舵机臂113旋转带动翼根固定件114旋转；
64.所述翼根13舵机的输入端与飞控板16的输出端通信连接。
65.本实施例中，翅膀2的翼根13采用0.7mm直径碳纤维杆，一端与机架1通过胶水粘
接，另一侧与翼根固定件114连接，翼根舵机112通过驱动翼根舵机臂113转动带动翼根固定件114左右偏转，由于翼根13的碳纤维材料具有良好的弹性变形能力，翅膀2的翼根13也会由于翼根固定件114的偏转发生同向的弯曲变形，这种弯曲变形将影响扑翼飞行时两侧翅膀2的扑动攻角，从而改变各翅膀2的扑动升力形成升力差，这种升力偏差会使样机在滚转方向产生滚转力矩，最终实现滚转姿态调整。
66.本发明进一步较佳实施例中，如图1、图2和图5所示，所述尾翼调控机构12主要由舵机连接件二121、尾翼舵机122、舵机连接件三123和尾翼舵机臂124组成；
67.所述尾翼舵机122通过舵机连接件二121与碳棒骨架4相连，所述尾翼舵机122的输出端与尾翼舵机臂124相连接，所述尾翼舵机臂124的末端与舵机连接件三123相连接，所述舵机连接件三123远离尾翼舵机臂124的一端与尾翼3连接；
68.所述尾翼3舵机的输入端与飞控板16的输出端连接。
69.本实施例中，尾翼舵机122的转动将实现尾翼3在翼面法线方向上的摆动，摆动的方向与幅角决定了翅膀2下洗气流对尾翼3作用力的大小及方向，该作用力将产生相对飞行器重心的偏转力矩，最终实现俯仰姿态调整，具体为通过飞控板16控制尾翼舵机122转动，带动尾翼舵机臂124转动，借助舵机连接件三123带动尾翼3发生摆动作业。
70.上述实施例的实施原理如下：
71.该飞行器在实际运行当中，通过飞控板16控制空心杯电机101转动，进而带动电机齿轮103旋转，电机齿轮103进行动力输出，接着由减速齿轮组102将动力传送到曲柄801上。曲柄801的转动通过曲柄摇杆机构8实现了双层齿轮901的往复转动，进一步传递为左翼小齿轮902和右翼小齿轮903更大幅角的往复转动。前缘连接件904分别与各个小齿轮和翅膀2固连，实现翅膀2的拍打运动；
72.由于具有类似昆虫和蜂鸟的飞行方式，这种飞行器能够实现垂直起降和悬停飞行，飞行器产生的升力垂直向上。当翼根13发生偏转时，即通过飞控板16控制翼根舵机112通过驱动翼根舵机臂113转动带动翼根固定件114左右偏转，两侧翅膀2由于翼根13的偏转在飞行时形成了不同的扑动攻角从而形成升力差，最终实现飞行器滚转方向上的姿态调整；当尾翼3发生偏转时，即通过飞控板16控制尾翼舵机122转动，带动尾翼舵机臂124转动，借助舵机连接件三123带动尾翼3发生摆动作业，翅膀2扑动产生的下洗气流作用于尾翼3产生控制力，实现飞行器俯仰方向上的姿态调整。
73.本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：包括有机架(1)、翅膀(2)、尾翼(3)和电控部(7)，所述机架(1)与尾翼(3)之间通过碳棒骨架(4)相连接，且翅膀(2)的数量设置有两个，并通过翼根(13)连接于碳棒骨架(4)的两侧；还包括有扑动机构(5)和调控机构(6)；所述扑动机构(5)由曲柄摇杆机构(8)、齿轮副放大机构(9)和驱动机构(10)组成；所述驱动机构(10)安装于机架(1)的前端并与曲柄摇杆机构(8)相连；所述曲柄摇杆机构(8)安装于机架(1)的中部并用于带动驱动齿轮副放大机构(9)往复转动；所述驱动齿轮副放大机构(9)安装于机架(1)的尾端并与翅膀(2)相连；所述调控机构(6)由尾翼调控机构(12)和翼根调控机构(11)组成；所述尾翼调控机构(12)安装于尾翼(3)后端并用于调节飞行器俯仰姿态；所述翼根调控机构(11)安装于尾翼(3)前端并用于调节飞行器滚转姿态。2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述驱动机构(10)包括有空心杯电机(101)和减速齿轮组(102)，所述空心杯电机(101)内嵌于机架(1)的电机座内；所述减速齿轮组(102)由电机齿轮(103)、双联齿轮(104)和低速级齿轮(105)组成，所述电机齿轮(103)与空心杯电机(101)的输出端固定连接，所述双联齿轮(104)与电机齿轮(103)啮合，所述低速级齿轮(105)位于双联齿轮(104)的斜下方并与双联齿轮(104)啮合。3.根据权利要求2所述的一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述曲柄摇杆机构(8)包括有曲柄(801)，所述曲柄(801)的一端与低速级齿轮(105)同轴相连，且曲柄(801)的另一端连接有连杆(802)；所述曲柄(801)穿过机架(1)且与机架(1)之间连接有两个轴承(803)，用于降低曲柄(801)与机架(1)之间的摩擦力。4.根据权利要求3所述的一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述齿轮副放大机构(9)包括有双层齿轮(901)、左翼小齿轮(902)和右翼小齿轮(903)，所述双层齿轮(901)与连杆(802)之间偏心相连，所述左翼小齿轮(902)与所述右翼小齿轮(903)均通过销钉与机架(1)相连，所述左翼小齿轮(902)与双层齿轮(901)外啮，所述右翼小齿轮(903)与双层齿轮(901)内啮；所述翅膀(2)与翼根(13)之间转动连接，所述左翼小齿轮(902)与右翼小齿轮(903)靠近翅膀(2)的一端面均同轴设置有前缘连接件(904)，所述前缘连接件(904)的末端与翅膀(2)相连接。5.根据权利要求4所述的一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述电控部(7)包括有电池固定架(14)，电池固定架(14)连接于尾翼(3)的前方并与碳棒骨架(4)固定连接，所述电池固定架(14)上设置有两个配合槽(15)，两个所述配合槽(15)内分别装设有飞控板(16)和锂电池(17)，所述锂电池(17)与飞控板(16)电性连接，且飞控板(16)与所述空心杯电机(101)相连。6.根据权利要求5所述的一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述翼根调控机构(11)主要由舵机连接件一(111)、翼根舵机(112)、翼根舵机臂(113)及翼根固定件(114)组成；
所述翼根(13)的一端与机架(1)固定连接，所述翼根(13)的另一端与所述翼根固定件(114)相连，所述翼根舵机(112)通过舵机连接件一(111)与碳棒骨架(4)相连，且翼根舵机(112)的输出端与翼根舵机臂(113)相连接，所述翼根舵机(112)通过带动翼根舵机臂(113)旋转带动翼根固定件(114)旋转；所述翼根舵机(112)的输入端与飞控板(16)的输出端通信连接。7.根据权利要求6所述的一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼调控机构(12)主要由舵机连接件二(121)、尾翼舵机(122)、舵机连接件三(123)和尾翼舵机臂(124)组成；所述尾翼舵机(122)通过舵机连接件二(121)与碳棒骨架(4)相连，所述尾翼舵机(122)的输出端与尾翼舵机臂(124)相连接，所述尾翼舵机臂(124)的末端与舵机连接件三(123)相连接，所述舵机连接件三(123)远离尾翼舵机臂(124)的一端与尾翼(3)连接；所述尾翼舵机(122)的输入端与飞控板(16)的输出端连接。

技术总结
本发明涉及一种基于齿轮副放大机构的微型仿生扑翼飞行器，包括有机架、翅膀以及尾翼，所述机架与尾翼之间通过碳棒骨架相连接，且翅膀的数量设置有两个，并通过翼根连接于碳棒骨架的两侧。本发明涉及仿生飞行器的技术领域。该飞行器采用曲柄摇杆机构来将空心杯电机旋转运动转化为双层齿轮的往复转动，进一步传递为左翼小齿轮和右翼小齿轮更大幅角的往复转动，飞行器具有结构紧凑、体积小巧、质量轻、便于装配、可靠性高等特点。飞行器采用翼根和尾翼控制相结合的方式，兼顾了升力的高效利用和飞行器的小型化设计。飞行器的小型化设计。飞行器的小型化设计。


技术研发人员：邓慧超 胡凯 张雨瑶
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/4/20