一種翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，屬于微型仿生飛行器。傳動裝置固定架、電子控制模塊和尾翼固定在機架體上，直流電機安裝在傳動裝置固定架上，調節轉向風扇固定于尾翼的垂直翼上，在傳動裝置固定架上固定有撲翼扭擺機構，撲翼扭擺機構的端部與撲翼柔性主翅翼固定連接，在撲翼柔性主翅翼的后緣端有連接一組預彎曲的彈性翅羽框架，該預彎曲的彈性翅羽框架上表面貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜。優點在于：扭轉動作是通過采用偏心球結構與曲柄搖桿機構的復合運動來實現的，飛行過程中扭轉角的大小隨著所處不同的位置也會發生相應的變化，具有較高的流暢性，使飛行更加穩定，實用性更強。
【專利說明】
一種翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器
技術領域
[0001]本實用新型屬于微型仿生飛行器，尤其是涉及一種基于翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器。
【背景技術】
[0002]自古以來，人類一直從未停止探索過鳥類的飛行，從古希臘的阿爾希塔斯所制造的機械鴿、澳大利亞的飛去來器，到中國的孔明燈和風箏都與飛行有著密切的關系。撲翼式飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行、基于仿生學原理設計制造的新型飛行器。它和固定翼式和旋翼式飛行器相比較，具有很大的優點:如可以在低雷諾數下懸停或前進，有較強的機動性能，良好的將旋翼和固定翼式飛行器所具有的優點集中在一起，同時在相同特征尺寸的情況下，撲翼式飛行器具有更高的飛行效率。
[0003]在現有的撲翼的飛行器中，其飛行驅動機構的設計大多是在二維空間中簡單地進行上下撲動，按照此方式運動的飛行器，一部分飛行效果雖然理想，但其靈活度還是相對較低，且具有較大的不穩定性，飛行的效率低，消耗的能量也比較大。在真實的鳥類飛行過程中，翅膀的撲動在三維空間中進行復雜的上下撲動和扭轉運動。現已有研究表明，飛行器在運動過程中，翅翼在上下撲動的同時再輔以扭轉運動，其效率比單純的上下撲動要大很多，因此基于翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器亟待人們去研究和探索。
[0004]目前，通過查閱資料國內外已有一些飛行器的撲翼驅動機構，撲翼飛行器按照扭擺飛行動作的方式，主要可以分成三類:一是多動力源驅動方式，即機構通過兩種或以上的驅動電機，分別來控制撲翼的上下撲動和扭轉擺動，該機構的優點是操作靈活多樣，控制簡單，飛行方式更易實現穩定化，但是多動力源驅動方式不僅加大了其本身的重量，而且耗電量也會嚴重的加大，導致飛行效率大大降低;二是多連桿復合運動驅動，即機構通過多連桿在空間中的組合實現撲翼的扭擺動作，該機構的優點是質量輕便，易實現微小化，但三維復合的連桿結構算法復雜，在多自由度調節和變化時容易產生干涉，這種局限性限制了其本身的靈活性，可操作性大大降低;三是帶有滑槽與凸輪類的結合，該結構的撲翼動作時通過凸輪在滑槽的定向移動，來實現扭轉的動作，該機構的優點是可以精確控制撲翼翅翼的運動路線，但在運動中產生較大的摩擦，導致飛行效率下降。本設計扭轉動作是通過采用偏心球結構與曲柄搖桿機構的復合運動來實現的，該機構撲翼的動作調節相對簡便，通過改變偏心球的偏心距來調節上下撲動角度大小，通過改變曲柄搖桿的長度來調節扭轉運動。該機構在運動過程中由于球副間相對滑動，也會產生一定的摩擦，但相對第三種機構摩擦要小很多，而且飛行過程中扭轉角的大小隨著所處不同的位置也會發生相應的變化，具有較高的流暢性，綜上所述該機構的飛行效率較高，飛行更加穩定，實用性更強。
【發明內容】
[0005]本實用新型提供一種翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，目的是增加飛行器機動性的同時還提高了其飛行效率。
[0006]本實用新型采取的技術方案是，包括:撲翼柔性主翅翼、柔性主翅翼固定框、機架體、傳動裝置固定框、撲翼扭擺機構、撲翼柔性翅翼拉伸機構、一組預彎曲的彈性翅羽框架、調節轉向風扇、尾翼、電子控制模塊、直流電機及一組貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜，其中，傳動裝置固定架、電子控制模塊和尾翼固定在機架體上，直流電機安裝在傳動裝置固定架上，調節轉向風扇固定于尾翼的垂直翼上，在傳動裝置固定架上固定有撲翼扭擺機構，撲翼扭擺機構的端部與撲翼柔性主翅翼固定連接，在撲翼柔性主翅翼的后緣端有連接一組預彎曲的彈性翅羽框架，該預彎曲的彈性翅羽框架上表面貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜。
[0007]本實用新型所述撲翼扭擺機構的結構是:包括翅翼扭擺架、球形偏心軸、翅翼執行固定架、輸出端錐齒、輸入端錐齒、圓柱齒輪、過渡軸齒輪、執行端齒輪、執行曲柄、輸出搖桿;直流電機驅動輸入端錐齒，通過輸出端錐齒的傳動傳遞到球形偏心軸，球形偏心軸的球形表面與翅翼扭擺架內側壁的上下表面相切，翅翼扭擺架的另一端連接翅翼執行固定架，翅翼執行固定架與傳動裝置側邊固定架連接；圓柱齒輪與輸出端錐齒同軸轉動，圓柱齒輪通過過渡軸齒輪傳到執行端齒輪，執行端齒輪再把轉速傳遞給同軸的執行曲柄，執行曲柄的一側連接有輸出搖桿，輸出搖桿的另一端連接執行固定架。
[0008]本實用新型所述撲翼柔性翅翼拉伸機構的結構是:包括牽引線、接線支撐柱、引線管，所述接線支撐柱固定在球形偏心軸的球形一端，接線支撐柱上連有牽引線，引線管粘接于撲翼柔性主翅翼上。
[0009]本實用新型所述引線管為具有自潤滑性質的聚醚醚酮材料。
[0010]本實用新型預彎曲的彈性翅羽框架的結構是，帶有導引線的主羽翼脈與副羽翼脈固定，經過預彎曲的彈性片的頂端與牽引線連接，其中彈性片鑲嵌在主羽翼脈的另一側。
[0011]本實用新型的優點在于:扭轉動作是通過采用偏心球結構與曲柄搖桿機構的復合運動來實現的，該機構撲翼的動作調節相對簡便，通過改變偏心球的偏心距來調節上下撲動角度大小，通過改變曲柄搖桿的長度來調節扭轉運動。飛行過程中扭轉角的大小隨著所處不同的位置也會發生相應的變化，具有較高的流暢性，使飛行更加穩定，實用性更強。
[0012]本實用新型以撲翼飛行器翅翼在整體飛行時動作特征為主要研究對象，針對撲翼鳥在飛行時的工作效率，根據鳥類翅翼的形態和飛行特征，設計出的一種可扭擺的撲動翅翼及可自主變形的撲翼翅翼翅羽，通過這樣的實用新型可以使飛行效率更高，實用性更強。已有研究表明，鳥類飛行時以前后扭轉和上下撲動的復合而成的運動具有更高的飛行效率。本實用新型正是利用這一點進行設計，進而提出一種采用偏心球結構與曲柄搖桿機構復合而成的一種新型傳動機構，在以此為前提的基礎之上，從仿生學的角度出發，繼續對撲翼鳥的翅翼進行設計，并設計了一種可以自主變形的撲翼翅羽，通過兩者的配合，實現撲翼飛行器的高效飛行。
[0013]本實用新型的實現思路主要是來源于等寬凸輪的往復機構，在此基礎上將等寬凸輪換成偏心球，將往復機構外框的一端進行鉸接，進而實現撲翼的上下撲動，這種結構的好處首先是在鉸接的固定處不限制其自由度，這為實現撲翼翅翼的扭轉提供了良好的條件，然后該結構在偏心球的一端連有接線柱，在機構運動的同時也實現了其翅翼翅羽的主動舒展，通過該種機構的結合，更加真實的模擬了鳥類飛行的動作。
[0014]本實用新型主要是根據真實鳥類在運動時翅翼的拍打動作所設計的一種新型撲動機構，該機構能良好的將上下撲動和前后扭轉兩種動作結合，實現翅翼在三維空間中的扭擺動作，在此機構的基礎之上又實現了撲翼翅翼的自主伸展動作，極大限度地模擬了鳥類在飛行時的動作，提高了飛行器的工作效率。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的結構不意圖；
[0016]圖2a是本實用新型的扭擺機構軸測圖；
[0017]圖2b是本實用新型的扭擺機構俯視圖；
[0018]圖2c是本實用新型的扭擺機構局部剖視放大圖；
[0019]圖2d是本實用新型的扭擺機構側視圖；
[0020]圖3是本實用新型的撲翼柔性翅翼拉伸機構圖；
[0021 ]圖4a是本實用新型的撲翼柔性主翅翼圖；
[0022]圖4b是圖4a的A向視圖；
[0023]圖5a是本實用新型的翅羽輪廓形狀圖；
[0024]圖5b是圖5a的B-B剖視圖；
[0025]在圖中:1、撲翼柔性主翅翼，2、撲翼柔性主翅翼固定框，3、機架體，4、傳動裝置固定框，5、撲翼扭擺機構，501、翅翼扭擺架，502、球形偏心軸，503、翅翼執行固定架，504、輸出端錐齒，505、輸入端錐齒，506、圓柱齒輪，507、過渡軸齒輪，508、執行端齒輪，509、執行曲柄，510、輸出搖桿，6、撲翼柔性翅翼拉伸機構，601、牽引線，602、接線支撐柱，603、引線管，
7、一組預彎曲的彈性翅羽框架，701、帶有導引線的主羽翼脈，702、經過預彎曲的彈性片條703、副羽翼脈，8、調節轉向風扇，9、尾翼，10、電子控制模塊，11、直流電機，12、一組貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜。
【具體實施方式】
[0026]包括:撲翼柔性主翅翼1、柔性主翅翼固定框2、機架體3、傳動裝置固定框4、撲翼扭擺機構5、撲翼柔性翅翼拉伸機構6、一組預彎曲的彈性翅羽框架7、調節轉向風扇8、尾翼9、電子控制模塊10、直流電機11及一組貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜12，其中，傳動裝置固定架4、電子控制模塊10和尾翼9固定在機架體3上，直流電機11安裝在傳動裝置固定架4上，調節轉向風扇8固定于尾翼9的垂直翼上，其特征在于:在傳動裝置固定架4上固定有撲翼扭擺機構5，撲翼扭擺機構5的端部與撲翼柔性主翅翼I固定連接，在撲翼柔性主翅翼I的后緣端有連接一組預彎曲的彈性翅羽框架7，該預彎曲的彈性翅羽框架7上表面貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜12。
[0027]本實用新型所述撲翼扭擺機構5的結構是:包括翅翼扭擺架501、球形偏心軸502、翅翼執行固定架503、輸出端錐齒504、輸入端錐齒505、圓柱齒輪506、過渡軸齒輪507、執行端齒輪508、執行曲柄509、輸出搖桿510 ；直流電機11驅動輸入端錐齒505，通過輸出端錐齒504的傳動傳遞到球形偏心軸502，球形偏心軸502的球形表面與翅翼扭擺架501內側壁的上下表面相切，翅翼扭擺架501的另一端連接翅翼執行固定架503，翅翼執行固定架503與傳動裝置側邊固定架401連接；圓柱齒輪506與輸出端錐齒504同軸轉動，圓柱齒輪506通過過渡軸齒輪507傳到執行端齒輪508，執行端齒輪508再把轉速傳遞給同軸的執行曲柄509，執行曲柄509的一側連接有輸出搖桿510，輸出搖桿510的另一端連接執行固定架503。
[0028]本實用新型所述撲翼柔性翅翼拉伸機構6的結構是:包括牽引線601、接線支撐柱602、引線管603，所述接線支撐柱602固定在球形偏心軸502的球形一端，接線支撐柱602上連有牽引線601，引線管603粘接于撲翼柔性主翅翼I上。
[0029]本實用新型所述引線管603為具有自潤滑性質的聚醚醚酮材料。
[0030]本實用新型預彎曲的彈性翅羽框架7的結構是，帶有導引線的主羽翼脈701與副羽翼脈703固定，經過預彎曲的彈性片702的頂端與牽引線601連接，其中彈性片702鑲嵌在主羽翼脈701的另一側。
[0031 ]下邊結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0032]如圖1所示，一種翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，包括:撲翼柔性主翅翼1、撲翼柔性主翅翼固定框2、機架體3、傳動裝置固定框4、撲翼扭擺機構5、撲翼柔性翅翼拉伸機構6、一組預彎曲的彈性翅羽框架7、調節轉向風扇8、尾翼9、電子控制模塊10、直流電機11及一組貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜12。其中，機架體3連接傳動裝置固定架4、電子控制模塊10和尾翼9，直流電機11固定在傳動裝置固定架4上，調節轉向風扇8固定于尾翼9的豎直翼上，一組預彎曲的彈性翅羽框架7上表面貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜12。在傳動裝置固定架4上固定有撲翼扭擺機構5，撲翼扭擺機構5的引出端柔性翅翼伸展機構6與撲翼柔性主翅翼I進行連接固定，而撲翼柔性翅翼拉伸機構6固定在撲翼柔性主翅翼I上，在撲翼柔性主翅翼I的后緣端有連接一組預彎曲的彈性翅羽框架7。其中在電路控制方面，電源采用3.7V鋰電池供電，通過電子控制模塊驅動直流電機工作，電子控制模塊包括無線接收模塊、電機驅動模塊、整流充電模塊。在轉向控制方面，通過調節轉向風扇8的正反向來實現。
[0033]如圖2所示，撲翼扭擺機構5的結構，包括:翅翼扭擺架501、球形偏心軸502、翅翼執行固定架503、輸出端錐齒504、輸入端錐齒505、圓柱齒輪506、過渡軸齒輪507、執行端齒輪508、執行曲柄509、輸出搖桿510。該部分有以下兩方面機構的復合運動，可以實現機構的扭擺運動。其上下撲動動作的實現，直流電機11驅動輸入端錐齒505，通過錐形齒輪的傳動傳遞到球形偏心軸502，球形偏心軸502的球形表面與翅翼扭擺架501內側壁的上下表面相切，翅翼扭擺架501的另一端連接翅翼執行固定架503，翅翼執行固定架503與傳動裝置側邊固定架401連接，實現上下撲動動作；其前后扭轉動作的實現，圓柱齒輪506與輸出端錐齒504同軸轉動，圓柱齒輪506通過過渡軸齒輪507傳到執行端齒輪508，執行端齒輪508再把轉速傳遞給同軸的執行曲柄509，執行曲柄509的一側連接有輸出搖桿510，輸出搖桿510的另一端連接執行固定架503，翅翼執行固定架503與傳動裝置側邊固定架401連接，實現前后扭轉動作。
[0034]所述的撲翼扭擺機構5，該機構有上下撲動動作和扭轉動作復合而成。對于上下撲動動作的實現，根據機構的幾何特征分析得出，撲翼角的大小主要取決于偏心球距主軸線的位置和撲翼柔性主翅翼固定框鉸接處距偏心球的距離，在主軸轉動時，由于每轉一周為撲翼的一個周期，因此在實現扭轉動作時，為了保證運動周期的同步性，在中間安裝了過渡齒輪，其中在執行端齒輪同軸的曲柄上，曲柄的長度決定了扭轉角度的大小，連桿的長度決定了翅翼的初始位置，通過在實際中所需的參數來進行選取。其中由于偏心球和撲翼柔性主翅翼固定框是點面接觸，因此在選用材料時偏心球軸采用聚醚醚酮，該材料具有密度小，質量輕，具有良好的力學性能，而且本身還具有潤滑作用，該驅動機構設計結構簡單，運動靈活，且算法容易調節，容易規劃動作路徑，有利于在不同環境下的飛行，而且由于翅翼可以進行扭轉，低頻率下就可產生較大升力，低雷諾數下具有較強的飛行能力，也容易實現無助力的起飛方式；
[0035]如圖3和圖4所示，撲翼柔性翅翼拉伸機構6的結構，包括:球形偏心軸502、牽引線601、接線支撐柱602、引線管603。球形偏心軸502的球形一端固定有接線支撐柱602，接線支撐柱602上連有牽引線601，牽引線601在引線管603里來回拉伸，實現撲翼柔性翅翼伸展動力源的輸出。具有潤滑性質的聚醚醚酮引線管603粘接與撲翼柔性主翅翼I的下表面，最大限度的減小在傳動過程中的摩擦。
[0036]所述的撲翼柔性翅翼拉伸機構6，該機構通過球形偏心軸在翅翼扭擺架內側壁的往復運動，通過牽引線的連接，此時牽引線在引線管的作用下拉動著五種大小不一的經過預彎曲的彈性翅羽框架，在裝配各個組件的過程中，首先要保持牽引線處于預緊的狀態，其次是使撲翼翅翼在最底端時保持拉力達到最小，以保證在上提階段撲翼翅翼為逐漸彎曲狀態，在下撲階段撲翼翅翼為伸展彎曲狀態，其中在上提到最高位置時彎曲狀態達到最大，在下撲到最底端時翅翼翅羽為完全展平狀態。對于經過預彎曲的五種大小不一的彈性翅羽框架疊加方式根據仿生學原理，采用層堆式結構，該種堆積方式可以使在撲翼鳥上提階段氣流通過翅羽的間隙，達到降阻的目的，該機構的整體是撲翼翅翼可以自主進行伸展與收縮，通過與前面的扭擺機構配合，良好的提高了飛行器的飛行效率，多任務操作執行能力增強。
[0037]如圖5所示，預彎曲的彈性翅羽框架7的結構，包括:帶有導引線的主羽翼脈701、經過預彎曲的彈性片條702、副羽翼脈703、牽引線601。牽引線601與經過預彎曲的彈性片702的頂端相連接，經過預彎曲的彈性片702固定在帶有導引線的主羽翼脈701的一側，經過牽弓丨線601的拉伸，實現撲翼柔性翅翼的伸展動作。
[0038]所述的預彎曲的彈性翅羽框架7，該框架中帶引導線的主羽翼脈由不同的幾種部分組成，當牽引線在拉動主羽翼脈的尖端時使翅羽發生彎曲，對于經過預彎曲的彈性片具有在正常狀態下為平直狀態，當受到拉力由于預彎曲的作用始終向一個方向發生彎曲，且在彈性片設計時其從主羽翼脈的尖端到主羽翼脈的根部力學敏感系數由大到小。
[0039]所述的撲翼柔性主翅翼1，該翅翼的下表面粘接有引線管，翅翼整體具有一定的柔順性，其中引線管的輪廓形狀是依據鳥類的主翼脈進行設計，且引線管采用具有潤滑性質的聚醚醚酮材料，最大限度的減小在傳動過程中的摩擦。
【主權項】
1.一種翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，包括:撲翼柔性主翅翼、柔性主翅翼固定框、機架體、傳動裝置固定框、撲翼扭擺機構、撲翼柔性翅翼拉伸機構、一組預彎曲的彈性翅羽框架、調節轉向風扇、尾翼、電子控制模塊、直流電機及一組貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜，其中，傳動裝置固定架、電子控制模塊和尾翼固定在機架體上，直流電機安裝在傳動裝置固定架上，調節轉向風扇固定于尾翼的垂直翼上，其特征在于:在傳動裝置固定架上固定有撲翼扭擺機構，撲翼扭擺機構的端部與撲翼柔性主翅翼固定連接，在撲翼柔性主翅翼的后緣端有連接一組預彎曲的彈性翅羽框架，該預彎曲的彈性翅羽框架上表面貼有太陽能薄片的翅羽壓電薄膜。2.根據權利要求1所述的翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，其特征在于:所述撲翼扭擺機構的結構是:包括翅翼扭擺架、球形偏心軸、翅翼執行固定架、輸出端錐齒、輸入端錐齒、圓柱齒輪、過渡軸齒輪、執行端齒輪、執行曲柄、輸出搖桿;直流電機驅動輸入端錐齒，通過輸出端錐齒的傳動傳遞到球形偏心軸，球形偏心軸的球形表面與翅翼扭擺架內側壁的上下表面相切，翅翼扭擺架的另一端連接翅翼執行固定架，翅翼執行固定架與傳動裝置側邊固定架連接；圓柱齒輪與輸出端錐齒同軸轉動，圓柱齒輪通過過渡軸齒輪傳到執行端齒輪，執行端齒輪再把轉速傳遞給同軸的執行曲柄，執行曲柄的一側連接有輸出搖桿，輸出搖桿的另一端連接執行固定架。3.根據權利要求1所述的翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，其特征在于:所述撲翼柔性翅翼拉伸機構的結構是:包括牽引線、接線支撐柱、引線管，所述接線支撐柱固定在球形偏心軸的球形一端，接線支撐柱上連有牽引線，引線管粘接于撲翼柔性主翅翼上。4.根據權利要求3所述的翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，其特征在于:所述引線管為具有自潤滑性質的聚醚醚酮材料。5.根據權利要求1所述的翅翼可主動變形的多自由度微型撲翼飛行器，其特征在于:預彎曲的彈性翅羽框架的結構是，帶有導引線的主羽翼脈與副羽翼脈固定，經過預彎曲的彈性片的頂端與牽引線連接，其中彈性片鑲嵌在主羽翼脈的另一側。
【文檔編號】B64C33/02GK205418103SQ201620226808
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月22日
【發明人】劉強, 潘勝利, 王翠, 周曉勤, 李玉強, 孫宇, 孫厚野
【申請人】吉林大學