一种基于柔性铰链的翼型变弯度机构及控制方法

1.本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的翼型变弯度机构及控制方法。


背景技术：

2.飞机的发明极大的影响了人们的出行方式，多年来，研究人员一直在对飞机进行改进，以追求更优异的气动性能。传统固定翼飞行器根据特定飞行任务和环境设计其气动布局和形状，在某个设计点处其飞行性能比较好，一旦环境发生变化，飞机就会远离设计点，其性能随之下降。随着边境巡逻、环境监测和军事需求等对飞行器的性能要求不断提高，传统固定翼飞行器无法满足这些需求，于是，可变弯度机翼应运而生。可变弯度机翼是指含有一种可以在一定范围内弯曲变化的前缘和后缘，翼面连续、光滑、没有开缝或者滑动接头的机翼；机翼内部由各种控制装置，使其能够随环境变化而变化，使之与最佳气动效率相匹配，节约能源。与传统使用襟翼的固定翼飞机相比，可变弯度机翼由于机翼前后缘没有缝道和剪刀口，曲率变化连续，翼面压力变化平缓无明显流动分离，可以有效降低噪声，所以变弯度机翼更符合未来飞机发展需求。
3.最早出现的是一种机械结构的可变弯度机翼，但是其存在结构及装配的复杂性及重量问题，因而限制了其研究和发展，难以满足空间较小而对重量敏感的低速/小型飞机的需求。而后人们根据机械结构的变弯度机翼存在的问题设计出了柔性变弯度机翼，目前已有的柔性结具有重量轻、结构及制造简单、无需装配及润滑等优点。但是这种结构普遍具有承载能力比较差，可变形程度比较小，无法实现精确控制，这极大影响了可变弯度机翼的性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于柔性铰链的可变前后缘翼型结构设计，以解决以往柔性可变弯度机翼承载能力比较差，可变形程度比较小，无法实现精确控制的问题。本发明所述变弯度翼型基于三节柔性铰链，采用形状记忆合金弹簧和舵机混合驱动，可以实现翼型前缘和后缘的各自驱动，也完成了在保证大变形的同时实现具有高承载能力的目标，还可以实现精准控制。
5.为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于柔性铰链的翼型变弯度机构，前缘变形机构、机翼固定段、后缘变形机构，所述前缘变形机构连接在机翼固定段的前端，所述后缘变形机构连接在机翼固定段的后端；
7.所述前缘变形机构包括前缘、上形状记忆合金弹簧、上连接线、下连接线、下形状记忆合金弹簧、弹簧固定座，前缘通过柔性铰链三与机翼固定段连接；上形状记忆合金弹簧初始状态为收缩状态，将其通电，上形状记忆合金弹簧的一端固定在弹簧固定座上，另一端与上连接线连接，上连接线穿过上圆形斜孔一，接着穿过上圆形直孔二，接着折返穿过上圆
形直孔一，在上圆形直孔二与上圆形直孔一之间以s型来回缠绕，最终固定在上圆形直孔二上，上圆形斜孔一和上圆形直孔一设置在前缘后部上侧，上圆形直孔二设置在机翼固定段前部上侧；下形状记忆合金弹簧初始状态为拉升至最长状态，将其不通电，下形状记忆合金弹簧的一端固定在弹簧固定座上，另一端与下连接线连接，下连接线穿过下圆形斜孔一，接着穿过下圆形直孔二，接着折返穿过下圆形直孔一，在下圆形直孔二与下圆形直孔一之间以s型来回缠绕，最终固定在下圆形直孔二上，下圆形斜孔一和下圆形直孔一设置在前缘后部下侧，下圆形直孔二设置在机翼固定段前部下侧；上形状记忆合金弹簧和下形状记忆合金弹簧通电时会收缩，驱动前缘相对机翼固定段偏转；
8.后缘变形机构包括数字舵机、上驱动线、后缘一、后缘二、柔性铰链一、柔性铰链二、下驱动线，机翼固定段与后缘一通过柔性铰链二连接，后缘一与后缘二通过柔性铰链一连接，数字舵机安放在机翼固定段的内部空腔里，数字舵机的输出轴上连接圆形转动盘；上驱动线的一端缠绕在圆形转动盘上部孔内并固定，另一端穿过上圆形斜孔二从机翼固定段后侧上部孔洞引出，接着穿过上圆形直孔四，接着折返穿过上圆形直孔三，在上圆形直孔四与上圆形直孔三之间以s型来回缠绕，然后穿过上圆形斜孔三，接着穿过上圆形直孔六，接着折返穿过上圆形直孔五，在上圆形直孔六与上圆形直孔五之间以s型方式来回缠绕，最终固定在上圆形直孔六上；上圆形斜孔二和上圆形直孔三设置在机翼固定段的后部上侧，上圆形直孔四设置在后缘一前部上侧，上圆形斜孔三和上圆形直孔五设置在后缘一后部上侧，上圆形直孔六设置在后缘二前部上侧；下驱动线的一端缠绕在圆形转动盘下部孔内并固定，另一端穿过下圆形斜孔二从机翼固定段后侧下部孔洞引出，接着穿过下圆形直孔四，接着折返穿过下圆形直孔三，在下圆形直孔四与下圆形直孔三之间以s型来回缠绕，然后穿过下圆形斜孔三，接着穿过下圆形直孔六，接着折返穿过下圆形直孔五，在下圆形直孔六与下圆形直孔五之间以s型方式来回缠绕，最终固定在下圆形直孔六上；下圆形斜孔二和下圆形直孔三设置在机翼固定段的后部下侧，下圆形直孔四设置在后缘一前部下侧，下圆形斜孔三和下圆形直孔五设置在后缘一后部下侧，下圆形直孔六设置在后缘二前部下侧；通过控制数字舵机带动圆形转动盘转动，缠绕在圆形转动盘上面的上驱动线和下驱动线会拉动后缘一和后缘二偏转。
9.进一步，柔性铰链三为近似h型结构，柔性铰链三的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在前缘的后侧，柔性铰链三的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在机翼固定段的前侧。
10.进一步，柔性铰链二为近似h型结构，柔性铰链二的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在机翼固定段的后侧，柔性铰链二的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘一的前侧。
11.进一步，柔性铰链一为近似h型结构，柔性铰链一的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘一的后侧，柔性铰链一的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘二的前侧。
12.进一步，上形状记忆合金弹簧和下形状记忆合金弹簧由镍钛合金材料制成。
13.与现有技术相比，本发明的优点是：
14.(1)、本发明采用柔性铰链连接机翼各段，区别于传统依靠材料性能的变形方式，能够实现机翼前后缘较大范围的变化；
15.(2)、本发明采用树脂材料3d打印的制造翼型的方式，翼型中间采用镂空设计，最大限度减轻了翼型的重量。前缘采用形状记忆弹簧-线驱动，后缘采用舵机-线驱动，结构简单，节省空间；
16.(3)、前缘采用两节形状记忆合金弹簧驱动，后缘采用舵机驱动，保证了可变弯度翼型可以承受非常大载荷；
17.(4)、本发明采用stm32为控制板，通过编程，可实现机翼后缘精准控制，使其随外界环境的变化而变化；
18.(5)、本发明方案合理，结构简单，容易实现，可以分别实现对前缘和后缘的分别控制。
附图说明
19.图1是基于柔性铰链的翼型变弯度机构的主视图；
20.图2是基于柔性铰链的翼型变弯度机构的三维结构示意图；
21.图3是柔性铰链三的三维结构视图；
22.图4是柔性铰链二的三维结构视图；
23.图5是柔性铰链一的三维结构视图；
24.图6是前缘所能达到最大变形位置轮廓图；
25.图7是后缘所能达到做大变形位置轮廓图；
26.图中：1、前缘，2、上形状记忆合金弹簧，3、上连接线，4、机翼固定段，5、数字舵机，6、上驱动线，7、后缘一，8、后缘二，9、柔性铰链一，10、柔性铰链二，11、下驱动线，12、柔性铰链三，13、下连接线，14、下形状记忆合金弹簧，15、弹簧固定座，16、螺栓孔，17、上圆形斜孔一，18、上圆形直孔一，19、上圆形直孔二，20、上圆形斜孔二，21、上圆形直孔三，22、上圆形直孔四，23、上圆形斜孔三，24、上圆形直孔五，25、上圆形直孔六，26、下圆形直孔六，27、下圆形直孔五，28、下圆形斜孔三，29、下圆形直孔四，30、下圆形直孔三，31、下圆形斜孔二，32、下圆形直孔二，33、下圆形直孔一，34、下圆形斜孔一。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
28.如图1至图7所示，一种基于柔性铰链的翼型变弯度机构，前缘变形机构、机翼固定段4、后缘变形机构，所述前缘变形机构连接在机翼固定段4的前端，所述后缘变形机构连接在机翼固定段4的后端；
29.所述前缘变形机构包括前缘1、上形状记忆合金弹簧2、上连接线3、下连接线13、下形状记忆合金弹簧14、弹簧固定座15，前缘1通过柔性铰链三12与机翼固定段4连接；上形状记忆合金弹簧2初始状态为收缩状态，将其通电，上形状记忆合金弹簧2的一端固定在弹簧固定座15上，另一端与上连接线3连接，上连接线3穿过上圆形斜孔一17，接着穿过上圆形直孔二19，接着折返穿过上圆形直孔一18，在上圆形直孔二19与上圆形直孔一18之间以s型来回缠绕，最终固定在上圆形直孔二19上，上圆形斜孔一17和上圆形直孔一18设置在前缘1后部上侧，上圆形直孔二19设置在机翼固定段4前部上侧；下形状记忆合金弹簧14初始状态为拉升至最长状态，将其不通电，下形状记忆合金弹簧14的一端固定在弹簧固定座15上，另一端与下连接线13连接，下连接线13穿过下圆形斜孔一34，接着穿过下圆形直孔二32，接着折返穿过下圆形直孔一33，在下圆形直孔二32与下圆形直孔一33之间以s型来回缠绕，最终固定在下圆形直孔二32上，下圆形斜孔一34和下圆形直孔一33设置在前缘1后部下侧，下圆形
直孔二32设置在机翼固定段4前部下侧；上形状记忆合金弹簧2和下形状记忆合金弹簧14通电时会收缩，驱动前缘1相对机翼固定段4偏转；
30.后缘变形机构包括数字舵机5、上驱动线6、后缘一7、后缘二8、柔性铰链一9、柔性铰链二10、下驱动线11，机翼固定段4与后缘一7通过柔性铰链二10连接，后缘一7与后缘二8通过柔性铰链一9连接，数字舵机5安放在机翼固定段4的内部空腔里，空腔为矩形，数字舵机5的输出轴上连接圆形转动盘；上驱动线6的一端缠绕在圆形转动盘上部孔内并固定，另一端穿过上圆形斜孔二20从机翼固定段4后侧上部孔洞引出，接着穿过上圆形直孔四22，接着折返穿过上圆形直孔三21，在上圆形直孔四22与上圆形直孔三21之间以s型来回缠绕，然后穿过上圆形斜孔三23，接着穿过上圆形直孔六25，接着折返穿过上圆形直孔五24，在上圆形直孔六25与上圆形直孔五24之间以s型方式来回缠绕，最终固定在上圆形直孔六25上；上圆形斜孔二20和上圆形直孔三21设置在机翼固定段4的后部上侧，上圆形直孔四22设置在后缘一7前部上侧，上圆形斜孔三23和上圆形直孔五24设置在后缘一7后部上侧，上圆形直孔六25设置在后缘二8前部上侧；下驱动线11的一端缠绕在圆形转动盘下部孔内并固定，另一端穿过下圆形斜孔二31从机翼固定段4后侧下部孔洞引出，接着穿过下圆形直孔四29，接着折返穿过下圆形直孔三30，在下圆形直孔四29与下圆形直孔三30之间以s型来回缠绕，然后穿过下圆形斜孔三28，接着穿过下圆形直孔六26，接着折返穿过下圆形直孔五27，在下圆形直孔六26与下圆形直孔五27之间以s型方式来回缠绕，最终固定在下圆形直孔六26上；下圆形斜孔二31和下圆形直孔三30设置在机翼固定段4的后部下侧，下圆形直孔四29设置在后缘一7前部下侧，下圆形斜孔三28和下圆形直孔五27设置在后缘一7后部下侧，下圆形直孔六26设置在后缘二8前部下侧；通过控制数字舵机5带动圆形转动盘转动，缠绕在圆形转动盘上面的上驱动线6和下驱动线11会拉动后缘一7和后缘二8偏转。
31.进一步，柔性铰链三12为近似h型结构，柔性铰链三12的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在前缘1的后侧，柔性铰链三12的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在机翼固定段4的前侧。
32.进一步，柔性铰链二10为近似h型结构，柔性铰链二10的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在机翼固定段4的后侧，柔性铰链二10的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘一7的前侧。
33.进一步，柔性铰链一9为近似h型结构，柔性铰链一9的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘一7的后侧，柔性铰链一9的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘二8的前侧。
34.进一步，上形状记忆合金弹簧2和下形状记忆合金弹簧14由镍钛合金材料制成。
35.通过编程，用stm32单片机控制数字舵机5带动圆形转动盘转动，缠绕在圆形转动盘上面的上驱动线6和下驱动线11线会拉动后缘一7、后缘二8，同时，后缘一7通过柔性铰链二10与机翼固定段4相连，后缘二8通过柔性铰链一9与后缘一7相连，通过这样的方式实现后缘的变弯度，实现对翼型变弯度的精准控制。后缘一7为薄壁结构，其壁厚为1-3mm，在保证强度的同时尽可能减轻重量，其内部空腔为梯形。后缘二8为薄壁结构，其壁厚为1-3mm，在保证强度的同时尽可能减轻重量，内部空腔为三角形。
36.本发明的工作过程如下所示：
37.前缘1初始处于水平位置，此时，下形状记忆合金弹簧14处于拉伸至最长状态，上形状记忆合金弹簧2通电收缩，处于最短状态；因为此时上形状记忆合金弹簧2被持续通电
处于最短状态，故其可以承受比较大的向下偏转的载荷而保持位置不动，载荷可达翼型自身重量的6倍以上；因为此时下形状记忆合金弹簧14被拉伸至最长状态，故可以承受比较大的向上偏转的载荷而保持位置不动，载荷可达翼型重量的10倍以上。给下形状记忆合金弹簧14通电，上形状记忆合金弹簧2断电，前缘1在下形状记忆合金弹簧14收缩作用下逆时针偏转至一固定位置。此时上形状记忆合金弹簧2处于拉升至最长状态，故可以承受比较大的使其产生拉力的载荷，载荷可达翼型自身重量的10倍以上；此时下形状记忆合金弹簧14处于通电收缩至最短状态，其可以承受比较大的使其产生拉力的载荷，载荷可达翼型自身重量的6倍以上而不发生转动。
38.给下形状记忆合金弹簧14掉电，上形状记忆合金弹簧2通电，前缘1在上形状记忆合金弹簧2的作用下顺时针偏转，恢复至水平位置。
39.后缘一7和后缘二8初始也均处于水平位置，此时，数字舵机5处于复位状态，上驱动线6和下驱动线11均被拉直，后缘一7和后缘二8在外力作用下不会偏转，保持水平位置，此时可以承受载荷最大可达自身重量的10倍。当数字舵机5顺时针转动，下驱动线11在圆形转动盘上的固定缠绕点距离下圆形斜孔二31的距离会变远，而上驱动线6在圆形转动盘上的固定缠绕点会随着圆形转动盘顺时针转动距离上圆形斜孔二20的距离变近，下驱动线11此时处于受力状态，并带动后缘一7以柔性铰链二10为基点进行偏转，后缘二8以柔性铰链一9为基点进行偏转，从而使翼型整体产生连续转动。此时下驱动线11处于拉伸的比较紧的状态，其可以承受比较大的向上的载荷，最大可达翼型自身重量的16倍位置不发生变化，上驱动线6亦可承受比较大的拉力，保证翼型在承受比较大的方向向下的载荷时保证位置不变，最大载荷可达翼型自身重量的10倍。向下偏转的过程中，柔性铰链一9、柔性铰链二10会发生比较大的变形，因为铰链的存在所以翼型可以实现比较大范围的偏转，后缘二8的右侧端点竖直方向位移最大可达翼型自身长度的1/5。在这一过程中，事先向stm32单片机中写入程序，使用上位机软件输入数值即可以准确控制数字舵机5上圆形转动盘转动的角度，从而实现对翼型后缘偏转情况的准确控制。通过上位机软件调节数字舵机5逆时针转动时，上驱动线6在圆形转动盘上面的缠绕点会远离上圆形斜孔二20，在上驱动线6上产生拉力，与此同时，下驱动线11在圆形转动盘上的缠绕点会靠近下圆形斜孔二31，这样上驱动线6处于受力状态，并带动后缘一7以柔性铰链二10为基点恢复至水平位置，后缘二8以柔性铰链一9为基点恢复至水平位置。
40.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于柔性铰链的翼型变弯度机构，其特征在于，前缘变形机构、机翼固定段(4)、后缘变形机构，所述前缘变形机构连接在机翼固定段(4)的前端，所述后缘变形机构连接在机翼固定段(4)的后端；所述前缘变形机构包括前缘(1)、上形状记忆合金弹簧(2)、上连接线(3)、下连接线(13)、下形状记忆合金弹簧(14)、弹簧固定座(15)，前缘(1)通过柔性铰链三(12)与机翼固定段(4)连接；上形状记忆合金弹簧(2)初始状态为收缩状态，将其通电，上形状记忆合金弹簧(2)的一端固定在弹簧固定座(15)上，另一端与上连接线(3)连接，上连接线(3)穿过上圆形斜孔一(17)，接着穿过上圆形直孔二(19)，接着折返穿过上圆形直孔一(18)，在上圆形直孔二(19)与上圆形直孔一(18)之间以s型来回缠绕，最终固定在上圆形直孔二(19)上，上圆形斜孔一(17)和上圆形直孔一(18)设置在前缘(1)后部上侧，上圆形直孔二(19)设置在机翼固定段(4)前部上侧；下形状记忆合金弹簧(14)初始状态为拉升至最长状态，将其不通电，下形状记忆合金弹簧(14)的一端固定在弹簧固定座(15)上，另一端与下连接线(13)连接，下连接线(13)穿过下圆形斜孔一(34)，接着穿过下圆形直孔二(32)，接着折返穿过下圆形直孔一(33)，在下圆形直孔二(32)与下圆形直孔一(33)之间以s型来回缠绕，最终固定在下圆形直孔二(32)上，下圆形斜孔一(34)和下圆形直孔一(33)设置在前缘(1)后部下侧，下圆形直孔二(32)设置在机翼固定段(4)前部下侧；上形状记忆合金弹簧(2)和下形状记忆合金弹簧(14)通电时会收缩，驱动前缘(1)相对机翼固定段(4)偏转；后缘变形机构包括数字舵机(5)、上驱动线(6)、后缘一(7)、后缘二(8)、柔性铰链一(9)、柔性铰链二(10)、下驱动线(11)，机翼固定段(4)与后缘一(7)通过柔性铰链二(10)连接，后缘一(7)与后缘二(8)通过柔性铰链一(9)连接，数字舵机(5)安放在机翼固定段(4)的内部空腔里，数字舵机(5)的输出轴上连接圆形转动盘；上驱动线(6)的一端缠绕在圆形转动盘上部孔内并固定，另一端穿过上圆形斜孔二(20)从机翼固定段(4)后侧上部孔洞引出，接着穿过上圆形直孔四(22)，接着折返穿过上圆形直孔三(21)，在上圆形直孔四(22)与上圆形直孔三(21)之间以s型来回缠绕，然后穿过上圆形斜孔三(23)，接着穿过上圆形直孔六(25)，接着折返穿过上圆形直孔五(24)，在上圆形直孔六(25)与上圆形直孔五(24)之间以s型方式来回缠绕，最终固定在上圆形直孔六(25)上；上圆形斜孔二(20)和上圆形直孔三(21)设置在机翼固定段(4)的后部上侧，上圆形直孔四(22)设置在后缘一(7)前部上侧，上圆形斜孔三(23)和上圆形直孔五(24)设置在后缘一(7)后部上侧，上圆形直孔六(25)设置在后缘二(8)前部上侧；下驱动线(11)的一端缠绕在圆形转动盘下部孔内并固定，另一端穿过下圆形斜孔二(31)从机翼固定段(4)后侧下部孔洞引出，接着穿过下圆形直孔四(29)，接着折返穿过下圆形直孔三(30)，在下圆形直孔四(29)与下圆形直孔三(30)之间以s型来回缠绕，然后穿过下圆形斜孔三(28)，接着穿过下圆形直孔六(26)，接着折返穿过下圆形直孔五(27)，在下圆形直孔六(26)与下圆形直孔五(27)之间以s型方式来回缠绕，最终固定在下圆形直孔六(26)上；下圆形斜孔二(31)和下圆形直孔三(30)设置在机翼固定段(4)的后部下侧，下圆形直孔四(29)设置在后缘一(7)前部下侧，下圆形斜孔三(28)和下圆形直孔五(27)设置在后缘一(7)后部下侧，下圆形直孔六(26)设置在后缘二(8)前部下侧；通过控制数字舵机(5)带动圆形转动盘转动，缠绕在圆形转动盘上面的上驱动线(6)和下驱动线(11)会拉动后缘一(7)和后缘二(8)偏转。2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的翼型变弯度机构，其特征在于，柔性铰链三
(12)为近似h型结构，柔性铰链三(12)的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在前缘(1)的后侧，柔性铰链三(12)的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在机翼固定段(4)的前侧。3.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的翼型变弯度机构，其特征在于，柔性铰链二(10)为近似h型结构，柔性铰链二(10)的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在机翼固定段(4)的后侧，柔性铰链二(10)的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘一(7)的前侧。4.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的翼型变弯度机构，其特征在于，柔性铰链一(9)为近似h型结构，柔性铰链一(9)的前侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘一(7)的后侧，柔性铰链一(9)的后侧通过螺栓螺母机械配合固定在后缘二(8)的前侧。5.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的翼型变弯度机构，其特征在于，上形状记忆合金弹簧(2)和下形状记忆合金弹簧(14)由镍钛合金材料制成。

技术总结
本发明涉及一种基于柔性铰链的翼型变弯度机构，前缘变形机构、机翼固定段、后缘变形机构，所述前缘变形机构连接在机翼固定段的前端，所述后缘变形机构连接在机翼固定段的后端。本发明所述变弯度翼型基于三节柔性铰链，采用形状记忆合金弹簧和舵机混合驱动，可以实现翼型前缘和后缘的各自驱动，也完成了在保证大变形的同时实现具有高承载能力的目标，还可以实现精准控制。以实现精准控制。以实现精准控制。


技术研发人员：刘云山 夏巍 胡淑玲 罗建遥 余炜玮 廖作嘉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.01.12
技术公布日：2023/4/17