基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器的制作方法

本发明属于机械设计领域，涉及一种飞行器，具体来说是一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器。

背景技术

目前，仿生微型扑翼飞行器已经引起了广泛关注，其小巧的体积，高效的飞行机理使其在军事等方面的领域将会发挥重要作用，空气动力学研究成果表明，对于主尺寸小于15cm的微型飞行器，扑翼的飞行方式比固定翼和旋翼的飞行方式具有更大的升阻比，更强的抗干扰能力和更灵活的机动性，因此，微型扑翼飞行器在微型飞行器发展中将占据主导地位。在目前关于基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器的研究中，大部分机构的机翼做单自由度运动扑动，很难同时进行扑动和扭转，并不能实现像昆虫或鸟类那样在扑动的同时翻转翅膀，不能利用翻转效应来产生升力和推力，因此很难达到昆虫或者鸟类的飞行方式，飞行效率低下。

技术实现要素：

本发明针对上述机构在执行飞行运动过程中存在的问题和不足，提出了一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器，该飞行器采有双曲柄摇杆机构，具有消除飞行时纵平面不对称和机翼同时实现扑动和翻转机翼等功能，具有结构紧凑、体积小巧、质量极轻、机构灵活等特点。

本发明基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器，包括杆状机身；机身两侧具有扑翼，末端具有尾翼；通过驱动机构驱动扑翼上下扑动。机身前端设计有双曲柄摇杆机构，用于向扑翼传递驱动机构提供的驱动力。

双曲柄摇杆机构包括机架、翼摇杆、翼连杆与输出齿轮。其中，翼摇杆包括左翼摇杆与右翼摇杆；左翼摇杆与右翼摇杆内端分别与机架左右两侧对称位置铰接形成旋转副。翼连杆包括左翼连杆和右翼连杆；左翼连杆和右翼连杆的输出端分别与左翼摇杆和右翼摇杆的外端间相连，形成转动副；输出齿轮为两个相互啮合的齿轮，分别安装于机架前端左右对称位置上，上述左翼连杆与右翼连杆的输入端分别与左右两侧的输出齿轮铰接；通过输出齿轮反向转动实现翼摇杆上下摆动。

驱动机构包括传动齿轮、电机齿轮、传动齿轮与驱动电机。驱动电机输出轴上安装有电机齿轮；传动齿轮为具有大齿轮与小齿轮的一体结构双联齿轮，安装于机架前端；且其中的大齿轮与电机齿轮啮合，小齿轮与一个输出齿轮啮合。通过驱动电机产生动力，电机齿轮进行动力输出，将动力传递到传动齿轮上。

本发明优点在于：

(1)本发明提出的一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器机构紧凑，体积小巧，结构简单，能够实现仿生扑翼功能；

(2)本发明提出的一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器大部分零部件采用3d打印技术制成，降低了整机质量，且易于修改优化；

(3)本发明提出的一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器采用了市场上较为多见的塑料齿轮，减轻重量，降低了成本，易于实物加工装配；

(4)本发明提出的一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器同时实现了扑动和翻转的动作，产生主动攻角；

(5)本发明提出的一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器采用了被动旋转翼设计，在产生主动翻转的同时产生被动翻转，克服了主动翻转的不足，产生足够大的升力。

附图说明

图1是本发明一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器整体结构示意图；

图2是本发明一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器的双曲柄摇杆结构及驱动机构结构示意图；

图3是本发明一种基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器的被动旋转翼机构结构示意图。

图中：

1-机身2-双曲柄摇杆机构3-被动旋转翼机构

4-驱动机构201-机架202-翼连杆

203-翼摇杆204-输出齿轮301-被动旋转块

302-柔性翼302a-外部框架302b-翅脉

302c-连接杆401-传动齿轮402-电机齿轮

403-传动齿轮404-空心杯电机

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器，包括机身1、双曲柄摇杆机构2、被动旋转翼机构3和驱动机构4，如图1所示。

其中，机身1为杆状结构末端具有尾翼。双曲柄摇杆机构2安装于机身1前端用于传递驱动机构输出的动力，产生相应的扑动轨迹，将动力传递至被动旋转翼机构3。被动旋转翼机构3位于机身1两侧，与双曲柄摇杆机构2相连，由双曲柄摇杆机构2带动产生主动扑动，使被动旋转翼机构3中的柔性翼产生被动翻转，实现了同时进行扑动和翻转运动的功能。驱动机构4安装于机身1前部，用于产生驱动力并传递给双曲柄摇杆机构2。

所述双层双曲柄摇杆机构2包括机架201、翼摇杆202、翼连杆203与输出齿轮204。如图2所示。其中，机架201由3d打印材料打印制成，减轻整体质量，用于连接各个部件并且进行固定，呈三角形框架结构。机架201之内有数根加强筋，用于保证机架201强度，同时起定位作用。翼摇杆202包括左翼摇杆与右翼摇杆；左翼摇杆与右翼摇杆内端分别与机架1左右两侧对称位置铰接形成旋转副，使左翼摇杆与右翼摇杆可在垂直于机架201的平面内绕铰接轴旋转。翼连杆203包括左翼连杆和右翼连杆；左翼连杆和右翼连杆的输出端分别与左翼摇杆和右翼摇杆的外端间通过销钉相相连，使左翼连杆和右翼连杆可在垂直于机架201的平面内绕销轴轴线转动，用于传递驱动机构4产生的动力。输出齿轮204为两个相互啮合的塑料齿轮，分别安装于机架1前端左右对称位置上，充当曲柄进行转动。上述左翼连杆与右翼连杆的输入端分别与左右两侧的输出齿轮204外缘铰接，且铰接处与输出齿轮中心等距离。

所述的被动旋转翼机构3由被动旋转块301与柔性翼302组成，如图3所示。其中柔性翼302整体仿昆虫翅膀设计，具有外部框架302a以及内部翅脉302b。柔性翼302翼根处设计有连接杆302c，连接杆302c插入被动旋转块301上设计的插接孔内，两者间过盈配合，实现柔性翼与被动旋转块301间的固定。被动旋转块301通过销轴安装于翼摇杆外端设计的平行于翼摇杆的连接轴205上，构成转动副，使柔性翼302可绕连接轴205轴线转动，由此被动旋转块301在柔性翼302扑动时被动自由转动来带动柔性翼302翻转，实现柔性翼302的被动自由翻转。上述被动旋转块301的转动由安装于翼摇杆202外端端部的限位挡板303限制，该限位挡板303为沿翼摇杆202长方向设计的弧形板，在被动旋转块301转动过程中，通过与限位挡板303两侧边接触，进而限制了柔性翼302在一定角度范围内被动翻转。

所述的驱动机构4包括传动齿轮401、电机齿轮402、传动齿轮403与空心杯电机404，如图2所示。空心杯电机404安装于双层双曲柄摇杆机构2包括机架201底部安装的机架1上，输出轴平行于机身1设置，用于产生动力。空心杯电机404输出轴上固定安装有电机齿轮402。传动齿轮403为具有大齿轮与同轴小齿轮的一体结构双联齿轮，通过销轴安装于机架201前端；且其中的大齿轮与电机齿轮啮合，小齿轮与双层双曲柄摇杆机构2的两个齿轮204中的一个啮合。由此，通过空心杯电机404产生动力，电机齿轮10进行动力输出，将动力传递到传动齿轮403上，最终由传动齿轮403带动两个齿轮204反向转动，至此将动力传送到双曲柄摇杆机构2上。上述传动方式可保证两个齿轮204运动的对称性与精准性

本发明基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器在运动过程中，先由空心杯电机404产生动力，随后由传动齿轮403将动力传送到双曲柄摇杆机构2上，驱动两个输出齿轮204反向转动，分别带动左翼连杆和右翼连杆输出端绕输出齿轮204中心转动，最终使左翼摇杆与右翼摇杆上下摆动，带动柔性翼302上下扑动；同时柔性翼302由于空气阻力，带动被动旋转块301，产生被动翻转，由此使得本发明基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器可同时实现扑动和翻转的功能。