飞行驱动结构及扑翼飞行器的制作方法

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种飞行驱动结构及扑翼飞行器。

背景技术：

扑翼飞行器具有效率高、机动性高、稳定性强的特点，已经广泛应用于军事侦察、抢险救灾、野外探索等领域内。传统的飞行器一般采用电机连杆机制或者压电机制提供动力，以控制飞行器飞行或者变换不同的飞行姿态，电机连杆机制的结构较为复杂，传动过程中的损耗高，传动效率较低。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种飞行驱动结构，驱动效率高。

本发明还提出一种包含上述飞行驱动结构的扑翼飞行器。

第一方面，本发明的一个实施例提供了一种飞行驱动结构，用于驱动扑翼的翼梁摆动，包括：

机架；

驱动组件，包括驱动体及驱动单元，所述驱动体安装于所述机架上，所述驱动体为线弹性体，所述驱动体连接所述翼梁；

其中，所述驱动单元用于驱动所述翼梁摆动，所述翼梁带动所述驱动体振动，以使所述驱动体与所述翼梁产生共振。

本发明实施例中的飞行驱动结构至少具有如下有益效果：

本发明的实施例中，驱动单元为翼梁的往复转动提供动力支持，翼梁转动过程中带动与其连接的驱动体进行振动，在驱动体的振动频率与驱动体的固有频率相同或基本相近时，驱动体于翼梁产生共振，使翼梁能够进行较大幅度的摆动，实现扑翼的大角度扑动，为飞行器提供飞行动力，驱动体与翼梁之间的传动损耗低，提高了飞行驱动结构的驱动效率。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，所述驱动体包括第一连接段与第二连接段，所述第一连接段与所述第二连接段连接于所述翼梁的两侧，并相对所述翼梁对称，所述第一连接段与所述第二连接段远离所述翼梁的一端与所述机架连接，所述翼梁的摆动带动所述第一连接段与所述第二连接段中的一个被压缩，另一个被拉伸。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，所述驱动组件还包括第一连接体，所述翼梁的端部连接所述第一连接体，所述第一连接段与所述第二连接段连接于所述第一连接体的两侧，并相对于所述翼梁对称。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，所述驱动组件还包括第二连接体，所述第二连接体与所述驱动单元连接，所述驱动单元能够驱动所述第二连接体转动，所述翼梁与所述第二连接体连接，并能够基于所述第二连接体摆动。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，所述第二连接体具有安装孔，所述安装孔供所述翼梁穿设，以使所述翼梁的端部连接所述驱动体。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，所述驱动体的两端分别连接所述机架与所述翼梁。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，所述驱动体设置有两个，两个所述驱动体对称安装于所述机架上，每一所述驱动体均连接有所述翼梁。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，还包括控制模块，所述控制模块安装于所述机架上，所述控制模块用于调整所述驱动单元的驱动参数。

根据本发明的另一些实施例的飞行驱动结构，所述机架包括第一支架与第二支架，所述驱动单元的两端分别与所述第一支架、所述第二支架连接，所述驱动体安装于所述第一支架的顶部。

第二方面，本发明的一个实施例提供了一种扑翼飞行器，包括：

上述的飞行驱动结构；

扑翼，包括翼梁，所述翼梁与所述驱动体连接。

本发明实施例中的扑翼飞行器至少具有如下有益效果：

本发明中的扑翼飞行器包括上述的扑翼驱动结构，还包括扑翼，扑翼包括翼梁，翼梁与驱动体连接，并跟随驱动体的振动而摆动，在驱动体产生共振时，使扑翼具有较大的扑动角度，从而提高扑翼飞行器的驱动效率。

附图说明

图1是本发明一个实施例中飞行驱动结构的结构示意图；

图2是本发明一个实施例中飞行驱动结构的爆炸示意图；

图3是飞行驱动结构在第一飞行状态下的扑动范围图；

图4是图3中驱动单元的驱动电压与时间关系曲线图；

图5是飞行驱动结构在第二飞行状态下的扑动范围图；

图6是图5中驱动单元的驱动电压与时间关系曲线图；

图7是飞行驱动结构在第三飞行状态下的扑动范围图；

图8是图7中驱动单元的驱动电压与时间关系曲线图；

图9是飞行驱动结构在第四飞行状态下的扑动范围图；

图10是图9中驱动单元的驱动电压与时间关系曲线图；

图11是扑翼扑动角度与驱动体长度的关系图；

图12是本发明一个实施例中扑翼飞行器的结构示意图。

附图标记说明：

机架100，第一支架110，第二支架120，安装脚架130；

驱动组件200，驱动体210，第一连接段211，第二连接段212，第一连接体213，第二连接体214，驱动单元220；

扑翼300，翼梁310，翼膜320，翼肋330，根梁340；

控制模块400；

电池500。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

参照图1，本实施例中的飞行驱动结构包括机架100及驱动组件200，机架100为驱动组件200提供安装基础，驱动组件200包括驱动体210及驱动单元220，驱动单元220为驱动体210的运动提供动力，驱动体210用于与飞行器扑翼300的翼梁310连接，并带动翼梁310摆动；具体的，驱动体210与驱动单元220安装于机架100上，驱动单元220与翼梁310连接，并驱动翼梁310转动，翼梁310带动与其连接的驱动体210进行振动，当驱动体210的振动频率与驱动体210的固有频率一致时，驱动体210与翼梁310产生共振，从而使扑翼300跟随翼梁310的摆动进行较大角度的往复扑动。

从而，本实施例中，驱动单元220为翼梁310的往复转动提供动力支持，翼梁310转动过程中带动与其连接的驱动体210进行振动，在驱动体210的振动频率与驱动体210的固有频率相同或基本相近时，驱动体210于翼梁310产生共振，使翼梁310能够进行较大幅度的摆动，实现扑翼300的大角度扑动，为飞行器提供飞行动力，驱动体210与翼梁310之间的传动损耗低，提高了飞行驱动结构的驱动效率。

需要说明的是，上述的驱动单元220可以是电机、马达等动力驱动件，通过调整驱动单元220的驱动参数，如正反转频率、转速等，能够改变驱动体210的振动频率，并将该振动频率与驱动体210的固有频率一致，以实现驱动体210的共振。驱动单元220与驱动体210之间还可设置减速机构，以满足扑翼300对扑动速度的需求。

另外，驱动体210为线弹性体，该线弹性体可以是在外力驱动下，能够沿某一方向进行线性振动的弹性元件，驱动体210不限于弹簧、扭簧等弹性元件。线弹性材料的固有频率固定，便于调整驱动体210的振动频率形成共振，并且线弹性体的能量损失较小，变形呈线性变化，便于控制。本实施例中，驱动体210采用拉压线弹性体，如弹簧，驱动体210在其长度方向上受到驱动单元220给予的拉压作用力，使驱动体210沿其长度方向进行弹性振动；通过引入拉压线弹性材料，在驱动体210与整体结构共振的情况下，飞行驱动结构中各机械元件的动能与势能守恒，驱动结构中能量的损耗主要分布在元件之间的摩擦、飞行时的气动阻尼上，传动损耗较低，能够提高飞行驱动结构的能量利用率。

结合图1与图2，本实施例中，驱动体210设置有两个，两个驱动体210对称安装于机架100上，每一驱动体210均与翼梁310连接，从而两个驱动体210能够带动飞行器两侧的扑翼300同步扑动，保证飞行器飞行的平稳性。具体的，两个驱动体210平行设置，且位于机架100的同一高度，两个驱动体210基于机架100的中心对称，翼梁310分设于机架100的两侧。

另外，需要说明的是，驱动体210的两端分别连接机架100与驱动单元220，驱动体210与机架100连接的一端形成固定端，与驱动单元220连接的一端形成自由端，自由端将在驱动单元220的驱动下进行振动，并带动翼梁310摆动。在其他实施例中，驱动体210可一端与机架100固定连接，驱动单元220连接于驱动体210的中部，驱动单元220可通过拉压驱动体210或者拖动驱动体210的方式，实现驱动体210的弹性振动。

本实施例中，每一驱动体210均包括第一连接段211及第二连接段212，第一连接段211与第二连接段212分布于翼梁310的两侧，并相对翼梁310对称，翼梁310连接于第一连接段211与第二连接段212之间，第一连接段211与第二连接段212远离翼梁310的一端均与机架100连接，从而第一连接段211、第二连接段212与机架100连接的一端形成固定端，与翼梁310连接的一端形成自由端，第一连接段211、第二连接段212均与驱动单元220连接，并在驱动单元220的驱动下同步振动。另外，由于第一连接段211与第二连接段212具有与机架100连接的固定端，可得到机架100的支撑，能够保证第一连接段211与第二连接段212振动的平稳度；另外，翼梁310摆动过程中，将带动第一连接段211与第二连接段212中的其中一个压缩，另一个被拉伸，从而实现驱动体210的振动，并且由于第一连接段211与第二连接段212的组合伸缩，可增强驱动体210的振动幅度，便于驱动体210与翼梁310形成共振。

驱动组件200还包括第一连接体213，第一连接段211与第二连接段212对称连接于第一连接体213的两侧，翼梁310的一端与第一连接体213连接，通过设置第一连接体213，使驱动体210与翼梁310组装为一体，保证驱动体210向翼梁310的有效动力传动。第一连接段211、第二连接段212均可与第一连接体213可拆卸连接，如螺纹紧固、过盈配合等，便于替换不同规格的第一连接段211与第二连接段212，以适应飞行器不同的飞行需求。在其他实施例中，第一连接段211、第二连接段212可直接与翼梁310连接，并固定于翼梁310的端部，第一连接段211与第二连接段212可直接带动翼梁310摆动。

本实施例中，驱动组件200还包括第二连接体214，第二连接体214与驱动单元220固连，驱动单元220可驱动第二连接体214转动，第二连接体214与翼梁310连接，使翼梁310受驱动单元220的驱动而以第二连接体214为轴心进行往复转动，实现驱动单元220向翼梁310的动力传递。

本实施例中，第二连接体214内部设置有安装孔，翼梁310的一端从安装孔内穿过并与第一连接体213连接，一方面同时实现翼梁310与驱动单元220、驱动体210的连接，使翼梁310可受驱动体210及驱动单元220的驱动而基于第二连接体214进行摆动，另一方面，驱动单元220可通过翼梁310向驱动体210传递动力，使驱动体210进行振动，实现了驱动体210向翼梁310的有效动力传递，并且使飞行驱动结构中各部件连接更为紧凑。

本实施例中，飞行驱动结构还包括控制模块400及电池500，电池500为控制模块400以及驱动单元220提供电力支持，飞行器飞行过程中无需外界高压电源，实现了飞行器的无系留飞行。控制模块400安装于机架100上，控制模块400用于调整驱动单元220的驱动参数，以改变飞行器两侧扑翼300的扑动状态，使飞行器呈现不同的飞行姿态。控制模块400包括控制电路、电阻、电容等电子元器件，控制电路与驱动单元220电连接，以调整驱动单元220的驱动参数，该驱动参数包括向电池500向驱动单元220输出电压的变化幅值、频率、直流偏置等，以使驱动单元220按照一定频率正反转，并引起驱动体210的拉伸与收缩，从而当驱动单元220的正反转频率与驱动体210的固有频率一致时，驱动体210产生共振。

机架100包括第一支架110、第二支架120与安装脚架130，安装脚架130连接第一支架110与第二支架120，对第一支架110与第二支架120进行支撑，第一支架110与第二支架120上均设置有用于安装驱动单元220的套筒，驱动单元220固定于该套筒内，通过第二支架120对驱动单元220的固定，减轻了飞行驱动结构的重量以及飞行器的飞行负重。另外，驱动单元220可选用空心杯电机，空心杯电机具有高效的能量转换效率，并且重量、体积较轻。驱动体210安装于第一支架110的顶部，第一支架110的两侧设置有两个安装腔111，电池500与控制模块400分别安装于两个安装腔111内，并且电池500与控制模块400相对于机架100对称，使飞行驱动装置重量保持平衡，以保证飞行器的飞行稳定性。

需要说明的是，调整不同的驱动参数，能够使扑翼300产生不同的扑动状态，如，调整驱动单元220的驱动电压，使扑翼300的扑动幅度发生变化；调整驱动单元220的直流偏置，可改变扑翼300扑动范围相对两个驱动体210处于自由长度时连线的角度；调整驱动单元220的驱动频率，以改变扑翼300的扑动频率。

参照图3与图4，调整驱动参数，使机架100两侧的驱动单元220进行同频、同压、无偏置供电，使得飞行器两侧的扑翼300扑动规律一致，扑翼300扑动过程中产生升力，可使飞行器升降或悬停。

参照图5与图6，调整驱动参数，使机架100两侧的驱动单元220同频、同压、反向偏置供电，飞行器两侧的扑翼300沿机体的中心方向反向偏移角度c，产生偏航力矩，实现飞行器的偏航控制。

参照图7与图8，调整驱动参数，使机架100两侧的驱动单元220同频、同压、等压偏置供电，飞行器两侧的扑翼300的扑动中心同时沿机体中心方向偏移相同角度c，产生俯仰力矩，实现飞行器的俯仰控制。

参照图9与图10，调整驱动参数，使机架100两侧的驱动单元220同频、不同压、无偏置供电，飞行器两侧的扑翼300扑动幅度不同，产生滚转力矩，实现飞行器的滚转控制。

另外，扑翼300的最大扑动角度可以根据驱动体210的自然长度以及第一连接体213与第二连接体214之间的距离得出。具体的，参照图11，图11为扑翼300处于平衡位置处的结构示意图，在扑翼300处于平衡位置时，驱动体210的长度为自然长度，假设第一连接体213与第二连接体214之间的距离为m，驱动体210的自然长度为n，则扑翼300的最大扑动角α可通过三角关系得出，从而可通过合理选择驱动体210的类型或者改变第一连接体213与第二连接体214之间的距离，使飞行驱动结构满足飞行器的不同飞行需求。

参照图12，本发明还提供了一种扑翼飞行器，扑翼飞行器包括上述的扑翼驱动结构，还包括扑翼300，扑翼300包括翼梁310，翼梁310与驱动体210连接，并跟随驱动体210的振动而摆动，在驱动体210产生共振时，使扑翼300具有较大的扑动角度，从而提高扑翼飞行器的驱动效率。

扑翼300还包括翼膜320、翼肋330与根梁340，翼梁310与根梁340均与连接器连接，并相互垂直，翼肋330插设于连接器内，并分布于翼梁310与根梁340之间，翼膜320铺设于翼梁310、根梁340与翼肋330上，使扑翼300具有较高的结构强度。本实施例中，相邻翼肋330之间，翼肋330与根梁340之间以及翼肋330与翼梁310之间的角度均为30度，使扑翼300扑动时，扑动平面各区域保持稳定。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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