一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置

1.本发明属于扑翼飞行器领域，尤其涉及一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置。


背景技术：

2.扑翼飞行器是一种依靠机翼扑动同时产生升力和推力的仿生飞行器，由于其隐蔽性好，气动效率高的特点，受到了国内外学者的广泛关注，尤其以悬停蜂鸟为仿生对象的悬停扑翼飞行器得到了广泛研究。
3.悬停扑翼飞行器实现悬停飞行的关键在于扑翼产生足够的用于平衡重力的升力，由于扑翼扑动过程中产生复杂的变形，并且扑动包含多自由度的运动，使用基于计算流体力学的方法评估悬停升力需要消耗巨大计算资源，并且由于无法准确复现扑动过程，因此精度不高。为了准确评估悬停扑翼升力，目前国内外学者主要的是针对扑翼飞行器进行测力实验的方式。
4.目前国内外用于实验的悬停扑翼飞行器或飞行平台主要采用的驱动方式为连杆传动和绳轮传动。如南京理工大学的基于连杆的仿蜂鸟扑翼飞行器，申请号为cn201910506376.2，公开号为cn110329505a，北京航空航天大学的基于连杆的仿蜂鸟扑翼飞行器，申请号为cn201810140193.9，公开号为cn108438218a。美国航空环境公司的nano hummingbird和布鲁塞尔自由大学的colibri采用了绳轮机构。两种传动方式均能够作为悬停扑翼驱动方式，连杆传动由于受到传动角的限制，在实现140
°‑
180
°
的较大扑动幅度时存在困难，并且多级连杆传动效率较低，可靠性差。绳轮传动虽然能够实现扑翼大幅扑动，但绳轮高速转动时易打滑，并且传动精度不高、安装困难。
5.基于上述传动方式实现的扑翼实验平台难以满足变幅扑动的通用扑翼实验平台。烟台大学的一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置，申请号为cn202020841977.7，公开号为cn212195899u,虽能够实现大幅扑动，但无法实现变幅。西北工业大学的差动变幅扑翼驱动机构以及驱动方法，申请号为cn201510745937.6，公开号为cn105197240a，虽然能够实现变幅，但无法实现140
°‑
180
°
的较大扑动幅度，并且机构复杂。
6.由此可见，现有扑翼实验装置具有不足之处主要在于：传动效率低，可靠性差，无法在满足大幅扑动同时实现变幅扑动，并且缺乏具备测力功能的针对悬停扑翼的通用实验装置。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，解决了现有技术中存在的上述不足。
8.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.本发明提供的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，包括整体支架，所述整体支架的顶部安装有电机，所述电机的输出轴驱动连接有减速齿轮组；
10.所述减速齿轮组驱动连接有输出齿轮组；
11.所述输出齿轮组驱动连接有扑动翼。
12.优选地，所述整体支架包括机架、前腹板、后腹板、底板和底座，其中，所述底板固定安装在底座的顶部；所述前腹板和后腹板分别安装在底板的两侧；
13.所述前腹板和后腹板的顶部之间通过机架连接。
14.优选地，所述减速齿轮组包括主动齿轮、左从动齿轮和右从动齿轮，其中，所述主动齿轮安装在电机的输出轴上，所述主动齿轮与左从动齿轮啮合连接；所述左从动齿轮与右从动齿轮啮合连接。
15.优选地，所述左从动齿轮和右从动齿轮的端面上均开设有四个连杆轴安装孔，且左从动齿轮上连杆轴安装孔的开设位置与右从动齿轮上连杆轴安装孔的开设位置镜像布置。
16.优选地，所述减速齿轮组和输出齿轮组之间通过连杆组驱动连接。
17.优选地，所述连杆组包括连杆和连杆轴，其中，所述连杆轴的一端安装在减速齿轮组上的连接轴安装孔内，另一端与连杆连接，所述连杆的自由端连接有滑块，所述滑块安装在整体支架中；
18.所述滑块的两端均安装有齿条，所述齿条与输出齿轮组啮合连接。
19.优选地，所述输出齿轮组包括左输出齿轮、右输出齿轮、左输出齿轮轴和右输出齿轮轴，其中，所述左输出齿轮安装在左输出齿轮轴上；所述右输出齿轮安装在右输出齿轮轴上；
20.所述左输出齿轮和右输出齿轮均与连杆组上的齿条啮合连接；
21.所述左输出齿轮轴和右输出齿轮轴分别与扑动翼中的左扑动翼和右扑动翼驱动连接。
22.优选地，所述扑动翼包括左扑动翼和右扑动翼，所述左扑动翼和右扑动翼的结构相同，其中，所述左扑动翼包括左扑动翼安装底座、左扑动翼主梁、左扑动翼和左垂直转轴，其中，所述左扑动翼安装底座与输出齿轮组中的左输出齿轮轴连接；所述左扑动翼主梁的一端与左扑动翼安装底座连接；所述左垂直转轴的一端与左扑动翼安装底座连接；
23.所述左扑动翼主梁和左垂直转轴呈直角结构布置；
24.所述左扑动翼主梁和左垂直转轴的自由端与左扑动翼的两端连接。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本发明提供的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，利用连杆组、滑块、输出齿轮组的配合，可实现扑动翼的大幅度往复扑动，并且扑动幅度在120
°‑
180
°
范围内可调，结构简单，传动效率高，可靠性好，通用性高，可针对不同尺寸和形式的扑翼进行测试。
附图说明
27.图1为本发明提供的实验装置立体结构示意图；图2为本发明提供的减速齿轮组的示意图；图3为本发明提供的连杆组与滑块在机架上的安装示意图；图4为本发明提供的机架的仰视图；图5为本发明提供的输出齿轮组与输出齿轮底座组安装形式爆炸图；图6为本发明提供的右扑动翼结构示意图；
图7为本发明提供的底板俯视图；图8为本发明提供的右垂直转轴固定座示意图；下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0028][0029][0030][0031][0032][0033]
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0035]
本发明提供一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，结构简单，可靠性高，能够较为准确开展扑动翼悬停扑动的力与力矩测量。
[0036]
该试验装置的扑动幅度从120
°‑
180
°
可调，通用性高，可针对不同尺寸和形式的扑翼进行测试。
[0037]
本发明提供一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，包括：
[0038]
(一)机架
[0039]
机架2为外形左右对称的整体结构，以电机安装面为顶面，如图4所示，为机架的仰视图。机架2的中间部位开设主动齿轮孔1-5，通过主动齿轮孔1-5，使主动齿轮3a穿过机架2，并固定电机1于机架2上。
[0040]
机架2前后两端分别设有轴线垂直于机架表面的结构固定孔1-1、1-2、1-10、1-11，通过前端结构固定孔1-1、1-2将机架2与前腹板10a固定，通过后端结构固定孔1-10、1-11将机架2与后腹板10b固定。
[0041]
机架2中间部位开设减速齿轮安装孔1-3、1-4，通过减速齿轮安装孔1-3、1-4将减速齿轮3b、3c安装至机架2上。
[0042]
机架2左右两侧开设输出齿轮底座安装孔1-6、1-8、1-7、1-9，通过机架2左侧的输出齿轮底座安装孔1-6、1-8将左齿轮底座顶板7a-1、左齿轮底座中间板7a-2，左齿轮底座底板7a-3固定在机架2上。通过机架2右侧的输出齿轮底座安装孔1-7、1-9将右齿轮底座顶板7b-1、右齿轮底座中间板7b-2，右齿轮底座底板7b-3固定在机架2上。
[0043]
(二)电机和减速齿轮组
[0044]
电机1用于为减速齿轮组提供动力，电机1可采用定子型号为1804的外转子直流无刷电机。
[0045]
减速齿轮组3为一级减速器，参考图2为减速齿轮组的结构示意图，包括主动齿轮3a，左从动齿轮3b，右从动齿轮3c，主动齿轮3a与左从动齿轮3b啮合，所述左从动齿轮3b与所述右从动齿轮3c啮合。主动齿轮3a、左从动齿轮3b、右从动齿轮3c均安装于机架2底部。主动齿轮3a、左从动齿轮3b、右从动齿轮3c的模数相同。
[0046]
左从动齿轮3b与右从动齿轮3c表面均开设四个用于调幅的连杆轴安装孔，其中，左从动齿轮3b表面的连杆轴安装孔3b-1、3b-2、3b-3、3b-4，对应扑动幅度分别为120
°
、140
°
、160
°
、180
°
，四个连接轴安装孔沿左从动齿轮3b的周向均匀分布，四个连接轴安装孔
与左从动齿轮3b轴孔的距离不同，3b-1、3b-2、3b-3、3b-4与左从动齿轮3b轴孔的距离逐渐增大，通过调整连杆轴4c安装于不同位置的连杆轴安装孔，可实现对扑动幅度的调整。
[0047]
右从动齿轮3c表面的连杆轴安装孔3c-1、3c-2、3c-3、3c-4对应扑动幅度分别为120
°
、140
°
、160
°
、180
°
，左从动齿轮3b表面的连杆轴安装孔与右从动齿轮3c表面的连杆轴安装孔呈镜像对称。
[0048]
在调整扑动机构的扑动幅度时，将左从动齿轮3b的连杆轴4c与右从动齿轮3c的连杆轴4d同步调整至相同扑动幅度的安装孔，实现调幅。
[0049]
(三)滑块与连杆组
[0050]
参考图3，为连杆组与滑块在机架2上的安装示意图。连杆组包括左连杆4a、右连杆4b、左连杆轴4c、右连杆轴4d。
[0051]
左连杆轴4c安装于左从动齿轮3b上的连杆轴安装孔内，右连杆轴4d安装于右从动齿轮3c的连杆轴安装孔内，并且左连杆轴4c在左从动齿轮3b上的安装位置与右连杆轴4d在右从动齿轮3c上的安装位置镜像对称。
[0052]
左连杆4a一端安装于左从动齿轮3a上的可调连杆轴4c，另一端与滑块5左侧铰接，右连杆4b一端安装于右从动齿轮3b上的可调连杆轴4d，另一端与滑块5右侧铰接，其中，左连杆4a和右连杆4b在滑块5的铰接位置左右对称。
[0053]
通过减速齿轮与连杆的配合，可将电机的高速旋转转变为滑块的上下直线运动。
[0054]
(四)输出齿轮组与输出齿轮底座组
[0055]
参考图5，为输出齿轮组与输出齿轮底座组安装形式爆炸图。输出齿轮组6包括左输出齿轮6a、右输出齿轮6b，左输出齿轮轴6c，右输出齿轮轴6d。左输出齿轮6a通过过盈配合安装于左输出齿轮轴6c，另外，左输出齿轮轴6c贯穿左输出齿轮6a，上下各留有一定长度。右输出齿轮6b通过过盈配合安装于右输出齿轮轴6d，另外，右输出齿轮轴6d贯穿右输出齿轮6b，上下各留有一定长度。左输出齿轮6a与滑块5左侧齿条啮合，右输出齿轮6b与滑块5右侧齿条啮合。
[0056]
输出齿轮底座组7包括左齿轮底座顶板7a-1、左齿轮底座中间板7a-2，左齿轮底座底板7a-3、右齿轮底座顶板7b-1、右齿轮底座中间板7b-2，右齿轮底座底板7b-3。左齿轮底座中间板7a-2通过安装孔7a-2-1、7a-2-2安装于机架2上方，左齿轮底座顶板7a-1通过安装孔7a-1-1、7a-1-2安装于左齿轮底座中间板7a-2上方，左齿轮底座底板7a-3通过安装孔7a-3-1、7a-3-2安装于机架2下方。
[0057]
右齿轮底座中间板7b-2通过安装孔7b-2-1、7b-2-2安装于机架2上方，右齿轮底座顶板7b-1通过安装孔7b-1-1、7b-1-2安装于右齿轮底座中间板7b-2上方。右齿轮底座底板7b-3通过安装孔7b-3-1、7b-3-2安装于机架2下方。
[0058]
左齿轮输出轴6c上端通过安装孔7a-1-3安装于左齿轮底座顶板7a-1，左齿轮输出轴6c下端通过安装孔7a-3-3安装于左齿轮底座底板7a-3，右齿轮输出轴6d上端通过安装孔7b-1-3安装于右齿轮底座顶板7b-1，右齿轮输出轴6d下端通过安装孔7b-3-3安装于右齿轮底座底板7b-3。
[0059]
(五)扑动翼安装底座与扑动翼
[0060]
扑动翼安装底座8包括左扑动翼安装底座8a、右扑动翼安装底座8b、左扑动翼主梁8c，右扑动翼主梁8d。左扑动翼主梁8c采用1.5mm直径的碳杆，一端通过过盈配合固定于左
扑动翼安装底座8a的孔8a-3；右扑动翼主梁8d采用1.5mm直径的碳杆，一端通过过盈配合固定于左扑动翼安装底座8b的孔8b-3。左右扑动翼主梁均伸出扑动翼安装底座，并且伸出长度可根据测试扑动翼实际尺寸进行调整，保证通用性。
[0061]
左扑动翼安装底座8a采用过盈配合方式通过孔8a-2安装在左输出齿轮轴6c下端，右扑动翼安装底座8b采用过盈配合方式通过孔8b-2安装在右输出齿轮轴6d上。
[0062]
左输出齿轮轴6c驱动左扑动翼安装底座8a作往复旋转运动，左扑动翼主梁8c由左扑动翼安装底座8a驱动，带动左扑动翼9a运动；右输出齿轮轴6d驱动右扑动翼安装底座8b作往复旋转运动，右扑动翼主梁8d由右扑动翼安装底座8b驱动，带动右扑动翼9b运动。
[0063]
扑动翼9包括左扑动翼9a和右扑动翼9b，其中，参考图6所示，以右扑动翼9b为例：
[0064]
右扑动翼9b的前缘为套筒形式，该前缘套筒直径为2mm，右扑动翼主梁8d穿过右扑动翼9b的前缘套筒9b-1，右扑动翼主梁8d与右扑动翼前缘套筒9b-1之间存在间隙，使得右扑动翼9b能够绕右扑动翼主梁8d旋转。
[0065]
右扑动翼9b的根部为套筒形式,该根部套筒直径为1.5mm-2mm，右垂直转轴13b穿过右扑动翼9b的根部套筒9b-2，右垂直转轴13b与右扑动翼9b的根部套筒9b-2之间存在间隙，使得右扑动翼9b的根部套筒9b-2能够绕着右垂直转轴13b旋转。
[0066]
左垂直转轴13a和右垂直转轴13b均采用直径1mm的钢棒，且左垂直转轴13a与左齿轮输出轴6c同轴，右垂直转轴13b与右齿轮输出轴6d同轴。
[0067]
左垂直转轴13a的顶部与左扑动翼安装底座8a的孔8a-1间隙配合，右垂直转轴13b的顶部与右扑动翼安装底座8b的孔8b-1间隙配合。
[0068]
(六)底板与垂直转轴固定座
[0069]
参考图7为底板11的俯视图，底板11为外形左右对称的整体结构，前端开设有轴线垂直于底板表面的结构固定孔11-3、11-4，用以固定前腹板10a，后端开设有轴线垂直于底板表面的结构固定孔11-1、11-2，用以固定后腹板10b。
[0070]
底板11中间开设三个测力传感器安装孔11-11、11-12、11-13。其中孔11-11在底板11的纵向对称轴内，孔11-12与孔11-13关于底板纵向对称轴对称分布；所述孔11-11、11-12、11-13的圆心间距两两相等，且三孔的圆心位于直径为33mm的圆上。
[0071]
底板左右两侧的耳片上开设有与垂直转轴固定座12连接的孔，包括与左垂直转轴固定底座12a连接的孔11-8、11-9、11-10，与右垂直转轴固定底座12c连接的孔11-5、11-6、11-7。
[0072]
(七)垂直转轴固定座
[0073]
所述垂直转轴固定座包括左垂直转轴固定底座12a，左垂直转轴卡榫12b、右垂直转轴固定底座12c，右垂直转轴卡榫12d，其中，所述左垂直转轴固定底座12a和左垂直转轴卡榫12b之间榫卯连接；所述右垂直转轴固定底座12c和右垂直转轴卡榫12d之间榫卯连接；该连接方式方便拆卸更换扑动翼，又能够保证扑动过程，垂直转轴能够被固定住。
[0074]
参考图8所示，其中，以右垂直转轴固定座为例，右垂直转轴固定底座12c通过孔12c-1、12c-2、12c-3固定于底板11右侧的耳片上，右垂直转轴卡榫12d配合安装在右垂直转轴固定底座12c中，右垂直转轴固定底座的孔12c-4与右扑动翼安装底座8b的孔8b-1同轴，经过右垂直转轴卡榫12d与右垂直转轴固定底座12c的配合安装后，右垂直转轴13b的底部固定于右垂直转轴固定底座的孔12c-4。
[0075]
测力传感器14的顶部安装于底板11的底部，测力传感器可选用ati公司的mini40测力传感器。
[0076]
测力传感器固定于底座15上。
[0077]
本发明的工作过程：
[0078]
电机1的输出轴与减速齿轮组3驱动连接，用于驱动主动齿轮3a转动；
[0079]
所述主动齿轮3a的转动依次驱动左从动齿轮3b和右从动齿轮3c转动；进而分别带动左连杆轴4c和右连杆轴4d转动；
[0080]
所述左连杆轴4c和右连杆轴4d的转动分别带动左连杆4a和右连杆4b移动，进而带动滑块5来回移动。
[0081]
所述滑块5的来回移动带动左右齿条来回移动，所述左右齿条分别与左输出齿轮6a和右输出齿轮6b啮合连接，进而带动左输出齿轮6a和右输出齿轮6b转动。
[0082]
进而通过安装在左输出齿轮6a和右输出齿轮6b上的左输出齿轮轴6c和右输出齿轮轴6d带动左扑动翼安装底座8a和右扑动翼安装底座8b转动。
[0083]
进而通过左扑动翼安装底座8a和右扑动翼安装底座8b带动左扑动翼9a和右扑动翼9b扑动。
[0084]
左从动齿轮3b上布置四个连杆轴安装孔，分别为3b-1、3b-2、3b-3、3b-4；右从动齿轮3c上布置四个连杆轴安装孔，分别为3c-1、3c-2、3c-3、3c-4；调整扑动幅度时，将左从动齿轮3b上的连杆轴4c从当前连杆轴安装孔更换至下一连杆轴安装孔，同时将右从动齿轮3c上的连杆轴4d从当前连杆轴安装孔更换至下一连杆轴安装孔，并保证连杆轴4c和连杆轴4d的位置呈镜像布置；3b-1、3b-2、3b-3、3b-4连杆轴安装孔分别对应扑动幅度为120
°
、140
°
、160
°
、180
°
；3c-1、3c-2、3c-3、3c-4连杆轴安装孔分别对应扑动幅度为120
°
、140
°
、160
°
、180
°
。
[0085]
本发明结构简单，可靠性高，通用性好，利用连杆组、滑块、输出齿轮组的配合，可实现扑动翼的大幅度往复扑动，通过调整减速齿轮上的连杆轴安装位置可实现扑动翼扑动幅度从120
°‑
180
°
可调，可针对不同尺寸和形式的扑动翼进行力与力矩的测量。
[0086]
开展力的力矩测量时，先将扑动翼设定到预定扑动频率，待扑动翼稳定扑动后，读取并记录测力传感器此时测量得到的力与力矩数据，即为扑动机构驱动扑动翼产生的力与力矩。

技术特征：
1.一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，包括整体支架，所述整体支架的顶部安装有电机(1)，所述电机的输出轴驱动连接有减速齿轮组；所述减速齿轮组驱动连接有输出齿轮组；所述输出齿轮组驱动连接有扑动翼。2.根据权利要求1所述的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，所述整体支架包括机架(2)、前腹板(10a)、后腹板(10b)、底板(11)和底座(15)，其中，所述底板(11)固定安装在底座(15)的顶部；所述前腹板(10a)和后腹板(10b)分别安装在底板(11)的两侧；所述前腹板(10a)和后腹板(10b)的顶部之间通过机架(2)连接。3.根据权利要求1所述的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，所述减速齿轮组包括主动齿轮(3a)、左从动齿轮(3b)和右从动齿轮(3c)，其中，所述主动齿轮(3a)安装在电机(1)的输出轴上，所述主动齿轮(3a)与左从动齿轮(3b)啮合连接；所述左从动齿轮(3b)与右从动齿轮(3c)啮合连接。4.根据权利要求2所述的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，所述左从动齿轮(3b)和右从动齿轮(3c)的端面上均开设有四个连杆轴安装孔，且左从动齿轮(3b)上连杆轴安装孔的开设位置与右从动齿轮(3c)上连杆轴安装孔的开设位置镜像布置。5.根据权利要求1所述的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，所述减速齿轮组和输出齿轮组之间通过连杆组驱动连接。6.根据权利要求5所述的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，所述连杆组包括连杆和连杆轴，其中，所述连杆轴的一端安装在减速齿轮组上的连接轴安装孔内，另一端与连杆连接，所述连杆的自由端连接有滑块，所述滑块安装在整体支架中；所述滑块的两端均安装有齿条，所述齿条与输出齿轮组啮合连接。7.根据权利要求1所述的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，所述输出齿轮组包括左输出齿轮(6a)、右输出齿轮(6b)、左输出齿轮轴(6c)和右输出齿轮轴(6d)，其中，所述左输出齿轮(6a)安装在左输出齿轮轴(6c)上；所述右输出齿轮(6b)安装在右输出齿轮轴(6d)上；所述左输出齿轮(6a)和右输出齿轮(6b)均与连杆组上的齿条啮合连接；所述左输出齿轮轴(6c)和右输出齿轮轴(6d)分别与扑动翼中的左扑动翼和右扑动翼驱动连接。8.根据权利要求1所述的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，其特征在于，所述扑动翼包括左扑动翼和右扑动翼，所述左扑动翼和右扑动翼的结构相同，其中，所述左扑动翼包括左扑动翼安装底座(8a)、左扑动翼主梁(8c)、左扑动翼(9a)和左垂直转轴(13a)，其中，所述左扑动翼安装底座(8a)与输出齿轮组中的左输出齿轮轴(6c)连接；所述左扑动翼主梁(8c)的一端与左扑动翼安装底座(8a)连接；所述左垂直转轴(13a)的一端与左扑动翼安装底座(8a)连接；所述左扑动翼主梁(8c)和左垂直转轴(13a)呈直角结构布置；所述左扑动翼主梁(8c)和左垂直转轴(13a)的自由端与左扑动翼(9a)的两端连接。

技术总结
本发明提供的一种可变扑动幅度的悬停扑翼实验装置，包括整体支架，所述整体支架的顶部安装有电机，所述电机的输出轴驱动连接有减速齿轮组；所述减速齿轮组驱动连接有输出齿轮组；所述输出齿轮组驱动连接有扑动翼；本发明可实现扑动翼的大幅度往复扑动，并且扑动幅度在120


技术研发人员：杨晓君 稂鑫雨 宋笔锋 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：2023/3/28