基于梳妆柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器的制作方法

[0001]
本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种基于梳妆柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器。


背景技术：

[0002]
基于仿生的集举升、悬停和推进功能于一个扑翼系统的微型扑翼飞行器是最近十多年的研究热点。尽管自然界中很多昆虫采用双对翼实现扑翼飞行，而目前大多数微小型扑翼飞行器都是采用单对翼，双对翼扑翼飞行器的优越性需要进一步探索。
[0003]
研究者对1dof（扑动）、2dof（扑动和转动）和3dof（扑动、转动和拍动平面偏移）机构的扑翼机展开了研究。但是，1dof扑翼机构过于简单， 2dof 和3dof扑翼机构又过于复杂和笨重特别是2dof扑翼机构多采用刚性机构实现，不仅机械结构复杂和增重，且不利于微型化。因此本发明尝试采用空间机构和柔性铰链设计两自由度柔性扑翼机构，以减小振动、摩擦磨损，同时减轻尺寸和重量。
[0004]
目前扑翼机中的减速机构大多采用普通齿轮传动机构，不利于垂直轴动力传递。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于梳妆柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器。
[0006]
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于梳状柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器，包括机架、电机座、微型电机、传动机构、第一扑动机构、第二扑动机构、第一至第二仿生前翼、第一至第二仿生后翼、以及尾翼；所述机架包含第一至第二固定梁、第一至第三横梁、以及第一至第二拱门；所述第一、第二固定梁平行设置；所述第一至第三横梁依次平行设置在第一、第二固定梁之间，其中，第三横梁的两端分别和第一、第二固定梁的末端垂直固连；所述第一、第二拱门结构相同，呈倒u形、开口向下，且两端均分别和第一、第二固定梁垂直固连，其中，第一拱门位于第一横梁前侧，第二拱门位于第二、第三横梁之间；所述传动机构包含传动轴、第一主动伞齿轮、第一从动伞齿轮、第二主动伞齿轮、第二从动伞齿轮、第三主动伞齿轮和第三从动伞齿轮；所述第一横梁、第二横梁中心均设有供所述传动轴穿过的通孔；所述传动轴和所述第一固定梁平行设置，依次穿过第一横梁、第二横梁中心的通孔，和第一横梁、第二横梁转动相连；所述第一从动伞齿轮、第二主动伞齿轮、第三主动伞齿轮均设置在所述传动轴上，和传动轴同轴固连，其中，所述第一从动伞齿轮位于第一横梁、第二横梁之间，第二主动伞齿轮位于传动轴前端，第三主动伞齿轮位于传动轴后端；所述微型电机通过电机座固定在第一横梁、第二横梁之间的第一固定梁、第二固定梁上，其输出轴和所述第一从动伞齿轮啮合；
所述第二从动伞齿轮设置在第一拱门中，其转轴和第一横梁平行设置且转轴两端分别穿出第一固定梁、第二固定梁并和第一固定梁、第二固定梁转动连接；所述第二从动伞齿轮和所述第二主动伞齿轮啮合；所述第三从动伞齿轮设置在第二拱门中，其转轴和第一横梁平行设置且转轴两端分别穿出第一固定梁、第二固定梁并和第一固定梁、第二固定梁转动连接；所述第三从动伞齿轮和所述第三主动伞齿轮啮合；所述第一扑动机构、第二扑动机构结构相同，均包含梳状柔性铰链、第一至第二曲柄、第一至第二摇杆连接件、第一至第二摇杆、以及第一至第二扑翼连接件；所述梳状柔性铰链包含固定条、第一至第二限位条、以及2n根扭转条，n为大于等于2的自然数，其中，所述第一限位条、固定条、第二限位条依次平行设置在同一平面；所述扭转条均采用柔性材料制成；所述2n根扭转条中的n根扭转条平行等距设置在第一限位条和固定条之间，两端均分别和第一限位条、固定条垂直固连，且该n根扭转条上均设有通孔、且通孔数量依次增多，使得每根扭转条的抗弯刚度不同；所述2n根扭转条中的另外n根扭转条平行等距设置在固定条和第二限位条之间，两端均分别和固定条、第二限位条垂直固连，且该n根扭转条上也设有通孔，和第一限位条、固定条之间的扭转条关于固定条对称；所述第一、第二摇杆连接件结构相同，均包含转动柱和固定销；所述转动柱两侧对称设有圆柱状凸起，且转动柱沿其轴线设有和所述固定销相连的通孔；所述固定销和所述转动柱的通孔转动相连；所述第一、第二扑翼连接件结构相同，均包含固定杆和转动圈，所述转动圈套在所述固定杆上、和所述固定杆转动相连，且转动圈两侧对称设有圆柱状凸起；所述第一、第二摇杆结构相同，两端均设有u形接口；所述第一、第二曲柄平行设置；所述第一、第二摇杆连接件的固定销分别和所述第一、第二曲柄的一端垂直固连；所述第一、第二扑翼连接件固定杆的一端分别和梳状柔性铰链的第一、第二限位条垂直固连；所述第一摇杆一端的u形接口和所述第一摇杆连接件转动柱两侧的凸起转动相连，使得第一摇杆能够绕第一摇杆连接件转动柱两侧的凸起自由转动；第一摇杆另一端的u形接口和所述第一扑翼连接件转动圈两侧的凸起转动相连，使得第一摇杆能够绕第一扑翼连接件转动圈两侧的凸起自由转动；所述第二摇杆一端的u形接口和所述第二摇杆连接件转动柱两侧的凸起转动相连，使得第二摇杆能够绕第二摇杆连接件转动柱两侧的凸起自由转动；第二摇杆另一端的u形接口和所述第二扑翼连接件转动圈两侧的凸起转动相连，使得第二摇杆能够绕第二扑翼连接件转动圈两侧的凸起自由转动；所述第一扑动机构梳状柔性铰链的固定条固定在所述第一拱门顶点、和所述第一固定梁平行；第一扑动机构的第一曲柄、第二曲柄的另一端分别和第二从动伞齿轮转轴的两端固连；所述第二扑动机构梳状柔性铰链的固定条固定在所述第二拱门顶点、和所述第一固定梁平行；第二扑动机构的第一曲柄、第二曲柄的另一端分别和第三从动伞齿轮转轴的两端固连；
所述第一、第二仿生前翼分别设置在所述第一扑动机构中第一、第二扑翼连接件固定杆的另一端；第一、第二仿生后翼分别设置在所述第二扑动机构中第一、第二扑翼连接件固定杆的另一端；所述尾翼设置在所述第三横梁中点处；其中，第一至第二仿生前翼、第一至第二仿生后翼通过扑动和扭转运动产生气动力，尾翼用于控制飞行时的稳定性。
[0007]
作为本发明基于梳状柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器进一步的优化方案，所述第一至第二仿生前翼、第一至第二仿生后翼均包含翅膜和若干翅脉，其中，翅脉采用碳纤维材料制成，翅膜采用弹性薄膜制成。
[0008]
作为本发明基于梳状柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器进一步的优化方案，所述尾翼包含两个相互垂直的三角翼面。
[0009]
作为本发明基于梳状柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器进一步的优化方案，所述n为4。
[0010]
作为本发明基于梳状柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器进一步的优化方案，所述机架采用碳纤维制成。
[0011]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：在动力系统的传动装置中使用了两套两级伞齿轮减速机构，不仅在要求扑翼飞行器结构紧凑，尺寸小重量轻的基础上实现动力传递和减速增矩，还实现了为前后对翼扑动提供动力的转矩的相位相差180
°
；采用两对翼，并实现了前后两对仿生机翼180
°
相位差反对称扑动，从而通过前后翼之间的非定常流效应获得更大升力，提高气动效率。在此基础上又采用梳形柔性铰链来实现扑翼扭转运动，增大了尾流捕捉效应，进一步提高升力；采用空间曲柄摇杆结构实现扑动运动，降低传动机构的复杂度，减轻结构重量。
附图说明
[0012]
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的俯视图；图3为发明中机架、微型电机、传动结构相配合的结构示意图；图4为本发明中梳状柔性铰链的结构示意图；图5为本发明中第一至第二扑翼连接件、梳状柔性铰链、机架相配合的结构示意图；图6为本发明中第一扑动机构、机架相配合的结构示意图；图7为本发明中机翼的结构示意图。
[0013]
图中，1-机架，2-尾翼，3-微型电机，4-第一主动伞齿轮，5-第一从动伞齿轮，6-第二主动伞齿轮，7-第二从动伞齿轮，8-第一摇杆连接件，9-第一曲柄，10-第一摇杆，11-梳状柔性铰链，12-仿生前翼，13-仿生后翼，14-传动轴，15-第二从动伞齿轮的转轴，16-第一扑翼连接件的固定杆，17-翅膜，18-翅脉，19-第一扑翼连接件的转动圈，20-电机座。
具体实施方式
[0014]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0015]
如图1、图2所示，本发明公开了一种基于梳状柔性铰链的两自由度柔性扑翼飞行器，包括机架、电机座、微型电机、传动机构、第一扑动机构、第二扑动机构、第一至第二仿生前翼、第一至第二仿生后翼、以及尾翼。
[0016]
所述机架包含第一至第二固定梁、第一至第三横梁、以及第一至第二拱门；所述第一、第二固定梁平行设置；所述第一至第三横梁依次平行设置在第一、第二固定梁之间，其中，第三横梁的两端分别和第一、第二固定梁的末端垂直固连；所述第一、第二拱门结构相同，呈倒u形、开口向下，且两端均分别和第一、第二固定梁垂直固连，其中，第一拱门位于第一横梁前侧，第二拱门位于第二、第三横梁之间。
[0017]
如图3所示，所述传动机构包含传动轴、第一主动伞齿轮、第一从动伞齿轮、第二主动伞齿轮、第二从动伞齿轮、第三主动伞齿轮和第三从动伞齿轮；所述第一横梁、第二横梁中心均设有供所述传动轴穿过的通孔；所述传动轴和所述第一固定梁平行设置，依次穿过第一横梁、第二横梁中心的通孔，和第一横梁、第二横梁转动相连；所述第一从动伞齿轮、第二主动伞齿轮、第三主动伞齿轮均设置在所述传动轴上，和传动轴同轴固连，其中，所述第一从动伞齿轮位于第一横梁、第二横梁之间，第二主动伞齿轮位于传动轴前端，第三主动伞齿轮位于传动轴后端；所述微型电机通过电机座固定在第一横梁、第二横梁之间的第一固定梁、第二固定梁上，其输出轴和所述第一从动伞齿轮啮合；所述第二从动伞齿轮设置在第一拱门中，其转轴和第一横梁平行设置且转轴两端分别穿出第一固定梁、第二固定梁并和第一固定梁、第二固定梁转动连接；所述第二从动伞齿轮和所述第二主动伞齿轮啮合；所述第三从动伞齿轮设置在第二拱门中，其转轴和第一横梁平行设置且转轴两端分别穿出第一固定梁、第二固定梁并和第一固定梁、第二固定梁转动连接；所述第三从动伞齿轮和所述第三主动伞齿轮啮合。
[0018]
所述第一扑动机构、第二扑动机构结构相同，均包含梳状柔性铰链、第一至第二曲柄、第一至第二摇杆连接件、第一至第二摇杆、以及第一至第二扑翼连接件；如图4所示，所述梳状柔性铰链包含固定条、第一至第二限位条、以及2n根扭转条，n为大于等于2的自然数，其中，所述第一限位条、固定条、第二限位条依次平行设置在同一平面；所述扭转条均采用柔性材料制成；所述2n根扭转条中的n根扭转条平行等距设置在第一限位条和固定条之间，两端均分别和第一限位条、固定条垂直固连，且该n根扭转条上均设有通孔、且通孔数量依次增多，使得每根扭转条的抗弯刚度不同；所述2n根扭转条中的另外n根扭转条平行等距设置在固定条和第二限位条之间，两端均分别和固定条、第二限位条垂直固连，且该n根扭转条上也设有通孔，和第一限位条、固定条之间的扭转条关于固定条对称；如图6所示，所述第一、第二摇杆连接件结构相同，均包含转动柱和固定销；所述转动柱两侧对称设有圆柱状凸起，且转动柱沿其轴线设有和所述固定销相连的通孔；所述固定销和所述转动柱的通孔转动相连；如图5所示，所述第一、第二扑翼连接件结构相同，均包含固定杆和转动圈，所述转动圈套在所述固定杆上、和所述固定杆转动相连，且转动圈两侧对称设有圆柱状凸起；
所述第一、第二摇杆结构相同，两端均设有u形接口；所述第一、第二曲柄平行设置；所述第一、第二摇杆连接件的固定销分别和所述第一、第二曲柄的一端垂直固连；所述第一、第二扑翼连接件固定杆的一端分别和梳状柔性铰链的第一、第二限位条垂直固连；所述第一摇杆一端的u形接口和所述第一摇杆连接件转动柱两侧的凸起转动相连，使得第一摇杆能够绕第一摇杆连接件转动柱两侧的凸起自由转动；第一摇杆另一端的u形接口和所述第一扑翼连接件转动圈两侧的凸起转动相连，使得第一摇杆能够绕第一扑翼连接件转动圈两侧的凸起自由转动；所述第二摇杆一端的u形接口和所述第二摇杆连接件转动柱两侧的凸起转动相连，使得第二摇杆能够绕第二摇杆连接件转动柱两侧的凸起自由转动；第二摇杆另一端的u形接口和所述第二扑翼连接件转动圈两侧的凸起转动相连，使得第二摇杆能够绕第二扑翼连接件转动圈两侧的凸起自由转动；所述第一扑动机构梳状柔性铰链的固定条固定在所述第一拱门顶点、和所述第一固定梁平行；第一扑动机构的第一曲柄、第二曲柄的另一端分别和第二从动伞齿轮转轴的两端固连；所述第二扑动机构梳状柔性铰链的固定条固定在所述第二拱门顶点、和所述第一固定梁平行；第二扑动机构的第一曲柄、第二曲柄的另一端分别和第三从动伞齿轮转轴的两端固连；所述第一、第二仿生前翼分别设置在所述第一扑动机构中第一、第二扑翼连接件固定杆的另一端；第一、第二仿生后翼分别设置在所述第二扑动机构中第一、第二扑翼连接件固定杆的另一端；所述尾翼设置在所述第三横梁中点处；其中，第一至第二仿生前翼、第一至第二仿生后翼通过扑动和扭转运动产生气动力，尾翼用于控制飞行时的稳定性。
[0019]
所述n优先取4。
[0020]
所述第一、第二扑动机构能够实现周期性高频和大幅度扑动运动，高效可靠。
[0021]
所述尾翼包含两个相互垂直的三角翼面，能够加强飞行中的稳定性。
[0022]
所述机架采用碳纤维桁架结构，在满足强度的前提下减轻了很多重量。如图7所示，所述第一至第二仿生前翼、第一至第二仿生后翼均包含翅膜和若干翅脉，都进行了仿生设计、有限元仿真和优化设计，其中，翅脉采用碳纤维材料制成，翅膜采用弹性薄膜制成。
[0023]
本发明工作原理如下：首先驱动电机工作,第一主动伞齿轮与第一从动伞齿轮啮合，改变转矩方向并减速来提高转矩大小，第一从动伞齿轮通过传动轴将转矩传递给第二、第三主动伞齿轮，继而传递给第二、第三从动伞齿轮，实现二次减速，为扑翼扑动提供转矩。第二、第三从动伞齿轮的转轴带动曲柄转动，通过摇杆将曲柄的转动变成梳状柔性铰链的上下往复运动。通过梳状柔性铰链将上下的往复运动变成扑动和空间的扭转，从而带动扑翼的运动，进而使得扑翼产生两个自由度运动升力。
[0024]
本发明结构简单，过柔性结构、柔性铰链和柔性材料的使用，实现微型扑翼飞行器的柔性设计，使之更好模拟实际昆虫的柔性扑动和转动运动，降低了完全仿生的困难与复杂度；利用仿生设计和仿真验证，设计出最适合的扑翼翅脉，兼顾强度柔度的同时实现飞行时的空气动力自适应变形 ，提高升力系数，同时减小微型扑翼飞行器的重量和大小。
[0025]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0026]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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