仿昆虫多自由度扑翼机构、扑翼机

1.本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种仿昆虫多自由度扑翼机构、扑翼机。


背景技术：

2.扑翼机又称振翼机，是指机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的飞行器，扑动的机翼不仅产生升力，还产生向前的推动力。基于仿生学原理的扑翼机和常规飞行器相比，仅用一套扑翼系统就可代替螺旋桨或者喷气式发动机提供推力。同时，由于扑翼机具有小巧、灵活以及飞行效率高的特点，并且可以实现垂直起落、悬停、前飞、后飞、俯冲、急转等特技，得到了国内外研究学者的重点关注。随着现代材料、动力、加工技术的进步，已经能够制造出接近实用的扑翼飞行器。
3.昆虫在扑翼飞行中，其翅翼可实现椭圆或“8”字轨迹，上述轨迹由扑动、扭转和摆动三种运动复合而成。但是目前，人们设计的多是包含扑动的单自由度扑翼机，和包含“扭转+扑动”的双自由度扑翼机。此外，微小型扑翼飞行器的结构不能太复杂，通常不会采用多自由度且多控制扑翼机构的设计。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种仿昆虫多自由度扑翼机构、扑翼机。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：本发明目的之一在于一种仿昆虫多自由度扑翼机构，该扑翼机构由机架、动力组件和扑动组件组成；所述的动力组件由相啮合的电机和减速齿轮组组成；所述的减速齿轮组位于机架内；所述的电机位于机架底部；所述的机架上设有用于带动扑动组件的输出轴；所述的减速齿轮组与输出轴啮合传动；所述的扑动组件对称分布在机架两侧；所述的扑动组件由曲柄、曲柄连杆、翼肩和用于连接扑翼的杆套组成；所述的曲柄一端与输出轴固定，另一端与曲柄连杆球铰连接；所述的曲柄连杆远离曲柄的一端与翼肩铰接；所述的翼肩远离曲柄连杆的一端设有用于放置杆套的通孔；所述的杆套穿过翼肩上的通孔，一端与曲柄连杆铰接，另一端与扑翼相连。
6.进一步地，所述的减速齿轮组由依次啮合连接的电机输出轴齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮组成；所述的电机输出轴齿轮中部设有用于传动电机的电机输出轴；所述的输出轴固定在第四齿轮中部。
7.进一步地，所述的翼肩底部设有用于支撑扑翼机构的支撑组件。
8.进一步地，所述的支撑组件由与翼肩铰接的y型座和用于支撑y型座的座杆组成。
9.进一步地，所述的座杆上设有穿插在座杆上的j形胛。所述的j形胛和翼肩之间设有翼肩连杆；所述的翼肩连杆一端与j形胛铰接；另一端与翼肩铰接。
10.为了实现扑翼机构高扑动频率，需要尽量减轻运动部件的重量和数量，也就是应
当尽量降低扑动组件整体总装转动惯量，以使高频往复运动的能量消耗尽可能低。故本发明中采用拆分翼肩球铰的方法，挑选“摆动”自由度来进行控制，并设计了j型胛执行控制的传动，其控制部件与扑动组件完全分离，不会过度增加转动惯量。本发明中j型胛是一种仿生思想，设计灵感来源于肩胛骨，其在扑动时的运动也明显可以看出与肩胛骨的运动十分相似。本发明中将肩部球铰关节的控制分解为两部分，一个是“控制j型胛”，另一部分是“齿轮系统传递出来的耦合运动”，并在本发明的实施例中明确给出的一套控制来说明本发明能够应用于实际飞行的扑翼机的设计，能够实现包括8字空间扑动轨迹在内的多种轨迹，而相同类型的翼尖轨迹（如形状稍有不同的8字轨迹）也可以发生于相对于机架的不同位置。
11.空间扑动是一种在空间内有三个自由度的运动。但在本发明中扑翼实际执行的是空间扑动有两个自由度耦合，故本发明实际只需控制两个自由度。当一个或多个需要控制的自由度提取出来后（本发明中提取一个自由度），需要对其施加控制，这就需要一些传递运动的部件，j型胛就是这样的部件，它的运动只有两个自由度，一个是沿着座杆滑动，另一个是绕着座杆扭转，其中绕着座杆扭转是其他部件的运动转递来的，并不对其施加额外控制，而沿着座杆滑动，也即本发明认为需要控制的提取出来的自由度（一个直线运动的自由度），这个直线运动通过j型胛、翼肩连杆向上传递，变为杆套摆动的运动。
12.更具体的，本发明中控制的两个自由度，分别是齿轮传递的整体扑动和j型胛的运动。本发明中j型胛有随动（即扑翼运动的同时“控制机构”也进行对应的控制运动）和固定（扑翼运动，而“控制机构”到预定位置则停止）两种运动方式，随动可以形成多种轨迹，随动时这个自由度视为有效，固定则根据固定位置的不同，会形成耦合轨迹，固定后这个自由度视为被“锁死”。也就是说，扑翼是三个自由度的空间运动，但由于机构运动耦合，扑翼的控制（单侧）只有两个自由度。本发明中通过控制随动和固定这两种运动方式都可以形成8字的轨迹，只是8字的形状不同，不同形状的轨迹气动效果自然有差别。本发明设计的扑翼机构具备一种“退化功能”，当一侧的控制机构由“随动”转为“固定”时，该侧的翼尖轨迹由主动8字轨迹退化为被动8字轨迹或扑动轨迹，也是因为运动的耦合和运动过程中多种力的作用，导致即便j型胛不施加控制，也能够形成上述所说的“被动8字轨迹”。
13.进一步地，对称分布的座杆之间设有t型滑块；所述的t型滑块两端穿插在对称分布的座杆上，与j形胛抵接。其中，t型滑块的导轨是两侧的座杆和中间的导杆，三个杆共同定位保证精度。
14.进一步地，所述的t型滑块的中部设有导杆和定位弹簧。在本发明的某些实施例中，扑翼机构由于有未施加控制的自由度，故在适当位置加入了定位弹簧，文中所用定位弹簧的作用是，在机构未运行的自然状态下使翼保持飞行时姿态的作用，以便于观察和研究。
15.进一步地，所述的扑翼机构设有用于对称分布的扑翼完成不同扑动轨迹的控制单元。
16.本发明目的之二在于一种扑翼机，该扑翼机包括如上所述的仿昆虫多自由度扑翼机构和扑翼；所述的扑翼插在杆套上。
17.进一步地，所述的扑翼的扑动角为0-100
°
，扭转范围为0-45
°
、摆动范围为1-18
°
。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）仿生翼的翼根部分的约束可视为一个球铰约束，本发明设计的扑翼机构将球铰这种空间多个自由度的高级的约束（高副）拆解为普通平面铰链等单自由度的简单约束，
并按控制的需要组合起来，即球铰变为多个平面铰链的叠加，这个拆解和组合的转化过程保证转化前后机构最终运动性能具有等效性，并同时是考虑到施加控制的需求，因此需要对拆解后叠加组合的方式进行调整和优化，最终将形成扑翼机构。
19.（2）翼尖可以运行的轨迹，即翼的运动能力，受到根部约束的限制。本发明设计了一种具有多自由度扑翼机构的扑翼机，其中，扑翼机构便于对气动效应进行优化：由于该机构可通过控制单元，使两侧翼分别实现多种不同的扑动轨迹，即翼尖轨迹，而在可实现的轨迹集合中，进行合理的挑选与组合，并让两侧翼按需要执行，就可以形成不同的气动效果，所以通过控制扑翼机的翼尖轨迹，便达到了控制扑翼机运动的目的。
20.具体的说，当一侧的翼执行一种主动的8字轨迹扑动时，另一侧翼可以选择执行相同的运动，此时两侧气动力均衡；另一侧翼也可以选择执行扑动运动，此时两侧气动力均衡；或者另一侧的翼选择执行不同的8字轨迹运动，此时两侧气动力不均衡，而不均衡时导致的机架整体发生的运动，应根据其具体选择执行的“8”字轨迹的两个环状部分的形状和大小来确定；同样的，两侧翼可以分别执行刚好相反的8字轨迹；本机构两侧翼的运动轨迹可以进行选择，不同于其它可以选择的机构方案，本机构的运动部件整体重量较小，但控制方法如上所述，较为丰富。
21.本发明设计了一种具有多自由度扑翼机构的扑翼机，该扑翼机能够实现“扑动+扭转+摆动”，且该扑翼机构可以实现空间8字轨迹扑动，且可控制左右翼实现不同幅值。同时，并没有采用多个渠道机构进行分路驱动，也没有使用一个复杂的机构同时实现多个运动，因此能够引用于微小型扑翼飞行器；本发明将可变轨迹扑翼实验机型和基于实际飞行要求的飞行机型结合到一个机型上，实验时可以方便的控制相关变量，使实验更方便更可靠，同时亦不至于机体整体过重或控制机构过于复杂而无法从实验转向实际飞行。本发明设计的既是一种实验机，也是一种实际应用于飞行的样机。
22.（5）本发明可应用于无尾翼扑翼机。对j型胛施加不同的控制，则可以使本发明由“执行主动控制的8字轨迹的机构”退化为“执行被动8字轨迹的机构”或“执行扑动轨迹的机构”。当机构为“执行主动控制的8字轨迹的机构”时，此时扑翼机飞行状态的三个自由度，x轴“俯仰”，y轴“横滚”，z轴“旋转”，均可仅由翼的不同轨迹的运动所产生的气动效果的不同组合来实现，在退化为“被动8字轨迹”机构或者“扑动”机构后，则无法做到。因此本发明可由无尾翼的扑翼机退化为有尾翼控制的类型，也即适用于两种机型，这种设计的好处在于解决了如下问题：在分析扑翼气动特性时，常常由于无法良好控制“不同的扑翼控制方式”（例如有尾翼和无尾翼）之间转换时的“变量”（因为通常是用差距很大的不同机构来实现两种控制方式），导致难以分析不同控制方式下的由翼的扑动轨迹引起的具体启动性能优劣和差异。
附图说明
[0023][0024]
图1为实施例1中仿昆虫多自由度扑翼机构的左后侧视图；图2为实施例1中仿昆虫多自由度扑翼机构的左前侧视图；图3为实施例1中齿轮减速组空间位置示意图；
图4为实施例1中扑翼机的整体后侧示意图；图5为实施例2中扑翼机的整体示意图；图6为实施例3中扑翼机的整体示意图；图7为实施例4中扑翼机的整体示意图；图8为实施例5中扑翼机的整体示意图；图9为实施例6中扑翼机的整体示意图；图10为实施例1中扑翼机的机翼摆动角实物图；图中标号所示：1-电机输出轴齿轮；2-第二齿轮；3-第三齿轮；4-第四齿轮；5-曲柄；6-曲柄连杆；7-杆套；8-翼肩；9-y型座；10-翼肩连杆；11-j形胛；12-座杆；13-导杆；14-t型滑块；15-机架；16-输出轴；17-扑翼；18-控制端连接器；19-第一直线舵机；20-第二弹簧；21-定位滑块；22-第二直线舵机；23-第三直线舵机；24-第五齿轮；25-齿轮连杆；26-第三弹簧；27-第四弹簧。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0026]
一种仿昆虫多自由度扑翼机构，见图1、图2，该扑翼机构由机架15、动力组件和扑动组件组成；动力组件由相啮合的电机和减速齿轮组组成；减速齿轮组位于机架15内；电机位于机架15底部；机架15上设有用于带动扑动组件的输出轴16；减速齿轮组与输出轴16啮合传动；如图1-3所示，减速齿轮组由依次啮合连接的电机输出轴齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3和第四齿轮4组成；电机输出轴齿轮1中部设有用于传动电机的电机输出轴；输出轴16固定在第四齿轮4中部。具体来说，电机经过三级减速，也就是电机输送的动力经过电机输出轴齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3和第四齿轮4啮合传动，传动比31.25，动力传到输出轴16，带动扑动组件扑动，第四齿轮4与输出轴16胶粘固定.扑动组件对称分布在机架15两侧；扑动组件由曲柄5、曲柄连杆6、翼肩8和用于连接扑翼的杆套7组成；曲柄5一端与输出轴16固定；另一端与曲柄连杆6球铰连接；曲柄连杆6远离曲柄5的一端与翼肩8铰接；翼肩8远离曲柄连杆6的一端设有用于放置杆套7的通孔；杆套7穿过翼肩8上的通孔，一端与曲柄连杆6铰接，另一端与扑翼相连。具体来说，输出轴16两端对称胶粘有曲柄5，曲柄5远离输出轴16的一端为曲柄连杆6的球铰的球体部分，曲柄连杆6一端为球铰的球套部分，另一端与杆套7铰接，杆套7穿过翼肩8的通孔，与限位的零件形成铰接关系，故使杆套7可独立与翼肩8扭转。
[0027]
翼肩8底部设有用于支撑扑翼机构的支撑组件。支撑组件由与翼肩8铰接的y型座9和用于支撑y型座9的座杆12组成。座杆12上设有穿插在座杆12上的j形胛11。j形胛11和翼肩8之间设有翼肩连杆10；翼肩连杆10一端与j形胛11铰接；另一端与翼肩8铰接。对称分布
的座杆12之间设有t型滑块14；t型滑块14两端穿插在对称分布的座杆12上，与j形胛11抵接。t型滑块14中部设有导杆13和定位弹簧。具体来说，翼肩8通过其后铰点位与翼肩连杆10铰接，且通过翼肩8底部孔与y形座9铰接，y形座9底部通孔处胶粘座杆12，此时y形座9与座杆12分别相对固定；座杆12穿过机架15上对应的通孔、位于通孔上的j形胛11、t形滑块14两侧的通孔和定位弹簧，以及底部限位块；其中，j形胛11中胶粘金属套筒，j形胛11与t形滑块14或所选择的控制端固定；j形胛11外伸端铰点位与对应的翼肩连杆10铰接；一种扑翼机，见图4，图5，该扑翼机由仿昆虫多自由度扑翼机构和扑翼17组成；扑翼17插在杆套7上。该扑翼机中扑翼17的扑动角范围为0-100
°
，扭转范围为0-45
°
、摆动范围为1-18
°
。具体来说，在对称的两个杆套7内都插入扑翼17，扑翼机组装后经过测量，该扑翼机构使扑翼17拥有0到100
°
的扑动范围，0到45
°
的扭转范围和0到18
°
的摆动范围，；在t形滑块14中部对应位置传入导杆13和定位弹簧；将电机输出轴齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3和第四齿轮4安装如对应位置并将对应轴穿入，第四齿轮4处有对应轴承两枚，由于有未施加控制的自由度，故在适当位置加入了定位弹簧，文中所用定位弹簧的作用是，在机构未运行的自然状态下使翼保持飞行时姿态的作用，以便于观察和研究。
[0028]
图10为本实施例中扑翼机机翼在不同摆动位置的摆动角实物图，摆动的幅值为18
°
。
实施例2
[0029]
见图5，本实施例与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中控制单元为直线舵机控制单元，其由控制端连接器18和第一直线舵机19组成，j形胛处装有控制端连接器，第一直线舵机19穿插固定在座杆上。第一直线舵机19此处作为运动舵机，需执行较多种高频率的往复运动，第一直线舵机19输出的往复运动经各部件传递至扑翼17，因而可通过控制各直线舵机输出的往复运动来控制翼尖执行相同或不同的运动轨迹，两侧翼的运动也因此可相对独立地调节。此实施例的控制方式具备的特点使得该型扑翼机具备优异的气动性能，可归类为无尾翼扑翼机，即仅通过对扑翼17运动的控制，便可满足对扑翼机执行空间运动所需的全部自由度的控制。
实施例
[0030]
见图6，本实施例与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中设有由相连的第二弹簧20、定位滑块21和第二直线舵机22组成的控制单元，第二弹簧20上端与j形胛11相连，下端与定位滑块21相连。本实施例中只用到了第二直线舵机22的定位的功能，第二直线舵机22作为定位舵机存在不需执行较高频率的往复运动。通过调节第二直线舵机22的进退，来调整第二弹簧20的位置（或称翼在相对于机架的相同位置时第二弹簧20的预压缩量），进而使得两侧翼在运动过程中对纵向阻力的反馈行为不同，而产生不同运动轨迹（主要是8字轨迹纵向摆动的幅度不同。注：“8”字为横躺的，即为“∞”形状，纵向摆动幅度指“∞”形状的纵向长度。），因而能够达到控制两侧翼运动轨迹的目的。
实施例4
[0031]
见图7，本实施例与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中控制单元为第三
直线舵机23，该直线舵机安装在t型滑块14底部预留位，t型滑块14的运动会同步传递给两侧翼肩等部件，使得两侧翼尖形成的8字轨迹的纵向摆动幅度相同，通过第三直线舵机23控制t型滑块14，达到同时控制两侧扑翼执行相同的可调节的运动轨迹的目的。
实施例5
[0032]
见图8，本实施例与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中控制单元为通过齿轮连杆25与t型滑块14相连的第五齿轮24，t型滑块14的运动同样会同步传递给两侧的翼肩等部件，使得两侧翼的8字轨迹的纵向摆动幅度相同，达到两侧翼同时执行相同的固定的运动轨迹的目的。运动轨迹可有由第五齿轮24的齿轮齿数和铰接点位置，齿轮连杆25长度等因素决定，以上尺寸一旦确定，运动轨迹即完全确定。本实施例中第五齿轮24的齿数为第四齿轮的一半。
实施例6
[0033]
见图9，本实施例与实施例1基本一致，不同之处在于，本实施例中控制单元为安装在j形胛底端的第三弹簧26与安装在t型滑块14底端的第四弹簧27，其中，第三弹簧26与第四弹簧27的劲度系数可以不同，通过不同劲度系数的弹簧的组合，可使两侧翼在运动过程中对纵向阻力的反馈行为不同，从而使翼尖执行不同运动轨迹。
[0034]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种仿昆虫多自由度扑翼机构，其特征在于，该扑翼机构由机架（15）、动力组件和扑动组件组成；所述的动力组件由相啮合的电机和减速齿轮组组成；所述的减速齿轮组位于机架（15）内；所述的电机位于机架（15）底部；所述的机架（15）上设有用于带动扑动组件的输出轴（16）；所述的减速齿轮组与输出轴（16）啮合传动；所述的扑动组件对称分布在机架（15）两侧；所述的扑动组件由曲柄（5）、曲柄连杆（6）、翼肩（8）和用于连接扑翼的杆套（7）组成；所述的曲柄（5）一端与输出轴（16）固定，另一端与曲柄连杆（6）球铰连接；所述的曲柄连杆（6）远离曲柄（5）的一端与翼肩（8）铰接；所述的翼肩（8）远离曲柄连杆（6）的一端设有用于放置杆套（7）的通孔；所述的杆套（7）穿过翼肩（8）上的通孔，一端与曲柄连杆（6）铰接，另一端用于连接扑翼；所述的翼肩（8）底部设有用于支撑扑翼机构的支撑组件；所述的支撑组件由与翼肩（8）铰接的y型座（9）和用于支撑y型座（9）的座杆（12）组成；所述的座杆（12）上设有穿插在座杆（12）上的j形胛（11）；所述的j形胛（11）和翼肩（8）之间设有翼肩连杆（10）；所述的翼肩连杆（10）一端与j形胛（11）铰接；另一端与翼肩（8）铰接。2.根据权利要求1所述的一种仿昆虫多自由度扑翼机构，其特征在于，所述的减速齿轮组由依次啮合连接的电机输出轴齿轮（1）、第二齿轮（2）、第三齿轮（3）和第四齿轮（4）组成；所述的电机输出轴齿轮（1）中部设有用于电机传动的电机输出轴；所述的输出轴（16）固定在第四齿轮（4）中部。3.根据权利要求1所述的一种仿昆虫多自由度扑翼机构，其特征在于，对称分布的座杆（12）之间设有t型滑块（14）；所述的t型滑块（14）两端穿插在对称分布的座杆（12）上，与j形胛（11）抵接。4.根据权利要求3所述的一种仿昆虫多自由度扑翼机构，其特征在于，所述的t型滑块（14）的中部设有导杆（13）和定位弹簧。5.根据权利要求3所述的一种仿昆虫多自由度扑翼机构，其特征在于，所述的扑翼机构设有用于对称分布的扑翼完成不同扑动轨迹的控制单元。6.一种扑翼机，其特征在于，该扑翼机由如权利要求1-5任一项所述的仿昆虫多自由度扑翼机构和扑翼（17）组成；所述的扑翼（17）插在杆套上。7.根据权利要求6所述的一种扑翼机，其特征在于，所述扑翼（17）的扑动角范围为0-100
°
，扭转范围为0-45
°
、摆动范围为1-18
°
。

技术总结
本发明涉及一种仿昆虫多自由度扑翼机构、扑翼机，涉及飞行器技术领域，该扑翼机由仿昆虫多自由度扑翼机构和扑翼组成；所述的扑翼插在杆套上；所述的扑翼的扑动角范围为0-100


技术研发人员：李树帆 侯丹 张奇 仲政
受保护的技术使用者：上海海事大学
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/11