一种四自由度扑翼飞行器装置的制作方法

本实用新型属于飞行器技术领域，特别是涉及一种多自由度扑翼飞行器。

背景技术：

扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫扑翼飞行的新型飞行器，与传统的飞行器相比，扑翼同时产生升力与推力，举升、悬停和推进功能集成于一个扑翼系统，具有较强的机动性与灵活性，并且通过调整扑翼系统的扑动参数就可以灵活的改变飞行状态，大大简化整体结构，减轻飞行器重量；

自然界的飞行生物翅膀的运动形式一般为：具有一定角度的上下拍动、扭转运动、扫掠运动、弯曲折叠运动，这四种运动方式。根据仿生学原理设计制作的扑翼飞行器根据其运动形式可分为单自由度扑翼飞行器和多自由度扑翼飞行器，单自由度扑翼飞行器仅需要通过翅膀单纯的上下扑动来获取推升力，然而多自由度扑翼飞行器是在翅膀单纯的上下扑动的基础上，同时进行扭转、扫掠与弯曲折叠运动的一种或几种组合运动。

已有的扑翼飞行器大多数只是单纯的模仿飞行生物的基础运动模式，只能实现简单自由度的挥拍运动。中国专利《一种四翼片平拍扑翼飞行器》cn104477388b采用四翼片平拍扑翼，四片扑翼由四个独立的伺服电机同时控制，虽然四个翼片在上下拍动的过程中不会在横向产生水平分力，但由于伺服电机的增加使机体自生的重量也随之增加，这将导致气动效率低，续航时间短，进而严重影响了飞行器的性能，而多自由度扑翼飞行器则不然，因此仿生程度更高的多自由度扑翼飞行器已经成为研究热点；实用新型专利《一种两自由度扑翼飞行器》cn205113712u和中国专利《昆虫仿真扑翼飞行器》zl201210437699.9等为代表的多自由度飞行器具有扑动和扭转翅膀的两自由度运动形式，而实际上飞行生物飞行时翅膀还具有扫掠的这种运动模式，因此扑动与扭转运动模式带来的推力较为有限；中国专利《一种可前后扫掠式的扑翼飞行器装置》cn108058825a同时具有了扫掠和扑动的两种运动模式，但这种模式下的扫掠为翅膀的前后扫掠不同于飞行生物的翅膀围绕翅根这一点进行扫掠运动，因此该种情况下其飞行器产生的推升力同样较为有限；中国专利《一种翅翼可主动变形的多自由度微型扑翼飞行器》cn105691615a，同样只是实现了扑动和扭转的两种运动形式，扭转动作是通过采用偏心球结构与曲柄摇杆机构的复合运动来实现，这种复合结构通过偏心球实现上下扑动运动，通过曲柄摇杆机构实现翅膀的主动扭转，但扑动和扭转的实现是两种主动的运动模式需要附加的齿轮传递力及力矩，这将不可避免的增加驱动机构能源的消耗，降低飞行效率；同时，两种主动运动形式的耦合将会产生干涉和卡顿现象。上述所述的飞行器在一定程度上都存在着一定的缺陷，不足以完成未来各种复杂的任务。因此，设计出一种结构相对简单、传递效率高、低能源消耗，并且同时具有扑动、扭转及扫掠三种运动形式的高度仿生扑翼飞行器将会是未来微型扑翼飞行器的发展方向。

技术实现要素：

本实用新型提供一种四自由度扑翼飞行器装置，以解决目前扑翼飞行器存在的传递效率低、能源消耗高，不足以完成各种复杂的任务和问题。

本实用新型采取的技术方案是：包括机架、右扑动机构、右扑翼、尾翼、右转向机构、控制系统、动力系统、左转向机构、左扑翼、左扑动机构；机架为左右两侧对称的单机架结构，右扑动机构和左扑动机构结构相同，它们分别对称布置于机架主体的左右两侧，并与机架1连接，右扑翼和左扑翼结构相同，分别和右扑动机构和左扑动机构连接，尾翼固连在机架的尾部、且与水平机身具有一定的倾斜角度，控制系统固连在机架的内部，动力系统固连在机架主体内。

本实用新型所述机架包括机架主体、机体横向长连杆、导线支架、机体横向短连杆、机架竖向连杆、电机支架、机体中部横向连杆、机尾槽口、接收器槽口、微型直线舵机槽口；其中机体横向长连杆、机体横向短连杆与机体中部横向连杆之间相互平行放置，且将这些连杆中端与机架主体固连；机架竖向连杆的两端设有方形的通孔，该方形通孔与机体横向短连杆的两端进行过盈配合连接，且机架竖向连杆与机体横向短连杆相互垂直，导线支架粘接在机体中部横向连杆上，电机支架固接在机架主体前端，机尾槽口固接在主体机架的尾部并与机架水平面具有一定的倾角，接收器槽口、微型直线舵机槽口固接在机架中部。

本实用新型所述的动力系统包括空心杯电机、电机蜗杆、第一级减速蜗轮、齿轮轴、两侧对称的驱动曲柄、驱动连杆、驱动摇杆、连杆轴，其中空心杯电机与电机固定机架固定连接，空心杯电机与控制系统的导电线连接，空心杯电机的输出轴位于齿轮轴的下方并与其垂直，齿轮轴与机架竖向连杆上通孔的内径进行过渡配合，电机蜗杆套装在空心杯电机的输出轴上，并与其形成过盈配合；第一级减速蜗轮安装固定在齿轮轴的中部；电机蜗杆与第一级减速蜗轮相啮合，每个驱动曲柄的一端固接在齿轮轴的一侧，另一端与驱动连杆的一端铰接，两个驱动曲柄一起随齿轮轴进行圆周运动；连杆轴与机架主体前段的圆形通孔进行过渡配合，每个驱动摇杆的一端固接在连杆轴的一侧，另一端与驱动连杆的一端铰接，两个驱动摇杆通过与两个驱动连杆和两个驱动曲柄相配合做圆弧运动。

本实用新型所述右扑动机构包括右扑动滑杆、右扑动连杆一、右扑动连杆二，其中右侧扑动滑杆的一端与右侧的驱动连杆进行球副配合铰接；右侧扑动滑杆的杆体与右转向纵向连杆上的圆形通孔内径形成间隙配合，同时与右扑翼横向前缘翅脉两侧的固连滑块上的轴承内径形成过盈配合，右机翼的纵向翅脉的末端与右扑动连杆一的一端进行球副配合铰接；右扑动连杆二一端与右扑动连杆一的另一端进行铰接，并且其另一端与机架横向连杆进行铰接。

本实用新型所述右扑翼包括右扑翼横向前缘翅脉、右扑翼纵向翅脉、右扑翼滑块、右扑翼次级翅脉、微型轴承、右扑翼翅膜；右扑翼横向前缘翅脉、右扑翼纵向翅脉和右扑翼次级翅脉在翅根端相固连，右扑翼翅膜粘贴在右扑翼横向前缘翅脉、右扑翼纵向翅脉和右扑翼次级翅脉上；右扑翼滑块固连在右扑翼横向前缘翅脉下方，并且其上的圆形通孔与微型轴承外径形成过盈配合；微型轴承内径与右扑动滑杆的杆体形成过盈配合。

本实用新型所述左转向机构包括转左转向弹簧、左转向横向连杆、左转向纵向连杆、柔性橡胶条、左转向尼龙绳导线、导线支架；左转向弹簧的两端分别固接在左转向横向连杆与机架横向连杆的上表面，左转向纵向连杆的两端开有方形的通孔，方形通孔与左转向横向连杆的一端进行过盈配合、以此实现左转向纵向连杆与左转向横向连杆的固定连接；柔性橡胶条的一端固接在机架横向连杆的左侧末端，另一端固接在左转向横向连杆的右侧末端，以此实现转向机构与机架的铰接；导线支架粘接在左转向横向连杆、机架横向连杆和机架主体上；左转向尼龙绳导线一端固接在左转向横向连杆上，并且穿过导线支架与其形成间隙配合，左转向尼龙绳导线的另一端固连在微型直线舵机上。

本实用新型所述的控制系统包括接收器、微型直线舵机、导电线，电池，接收器和微型直线舵机固接在机架主体的内部；导电线将接收器与微型直线舵机连接在一起，用以实现控制电信号的传输，电池粘接在机架主体的尾部，电池通过导电线与接收器、微型直线舵机及空心杯电机连接。

本实用新型所述的尾翼包括尾翼板、尾翼翅膜；尾翼板与机架主体上具有一定倾角的槽口进行固连，尾翼翅膜与尾翼板粘接，进而使尾翼与机架之间产生一定的夹角可以使整个扑翼飞行器的流场更加稳定。

所述的尾翼板为扇形板。

本实用新型的优点是结构新颖、紧凑，可实现完全对称的扑翼运动，该扑翼飞行器是由单个空心杯电机驱动，同时可以实现翅翼具有扑动、扭转、前后扫掠和左右扫掠四种运动形式，相比于由多个驱动电机才可以同时完成以上运动形式的飞行器，其可大大减小飞行器的整体质量，有助于提高飞行器的续航能力；飞行器翅膀能够产生类鸟的翅尖运动轨迹即“椭圆形”和“8字形”的运动轨迹，其设计思路主要是来源于“四连杆机构”类型中的“曲柄摇杆机构”中连杆上不同位置具有不同的运动轨迹，即“椭圆形”和“8字形”轨迹。本实用新型通过一扑动连杆与曲柄摇杆机构中的连杆进行球副铰接即可实现该相应运动轨迹的输出，通过调节相应球副铰接的位置可以实现翅膀不同的扑动轨迹，用以适应不用的飞行环境。并且相比于其他的扑动机构具有结构简单但扑动轨迹多样的突出优点；该飞行器通过两侧翅翼的扑动相位差及扑动幅值的改变实现上仰、下俯及偏航功能，相比于通过尾翼形状的改变实现上述功能具有机动性强、灵活度高的优点；本飞行器装置产生的四种运动形式通过相互耦合的作用为扑翼飞行器提供所需的推升力，两翼翼尖运动轨迹均为空间“椭圆形”，和自然界扑动飞行生物运动模式相类似，符合高升力机制，具有气动效率高和机动性强的优势，能够完成行航拍、地质测量、情报搜集、灾难搜救、军事侦察等复杂任务。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型去掉翅膜的结构示意图；

图3是本实用新型机架的结构示意图；

图4是本实用新型动力系统的结构示意图；

图5是本实用新型右扑动机构的结构示意图；

图6是本本实用新型右扑翼的结构示意图；

图7是本实用新型左转向机构的结构示意图；

图8是本实用新型控制系统的结构示意图；

图9是本实用新型尾翼的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，包括机架1、右扑动机构2、右扑翼3、尾翼4、右转向机构5、控制系统6、动力系统7、左转向机构8、左扑翼9、左扑动机构10；机架1为左右两侧对称的单机架结构；右扑动机构2和左扑动机构8结构、参数和工作原理均相同，它们分别对称布置于机架1主体的左右两侧，并与机架1连接；右扑翼3和左扑翼9结构、参数及材料相同、由翅膜、翅脉组成，分别和右扑动机构2和左扑动机构10连接；尾翼4固连在机架1的尾部，且与水平机身具有一定的倾斜角度；控制系统6固连在机架1的内部，由两个微型直线舵机、与微型直线舵机相连尼龙绳导线、接收器、控制器组成；动力系统7固连在机架主体内，包括微型空心杯电机、锂电池、一级减速齿轮组、齿轮组输出轴、连杆；

如图3所示，所述机架1包括机架主体101、机体横向长连杆102、导线支架103、机体横向短连杆104、机架竖向连杆105、电机支架106、机体中部横向连杆107、机尾槽口108、接收器槽口109、微型直线舵机槽口110；机体横向长连杆102、机体横向短连杆104与机体中部横向连杆107之间相互平行放置，且将这些连杆中端与机架主体101固连；机架竖向连杆105的两端设有方形的通孔，该方形通孔与机体横向短连杆104的两端进行过盈配合连接，且机架竖向连杆105与机体横向短连杆104相互垂直；导线支架103粘接在机体中部横向连杆107上，用于规划导线的行走路径；电机支架106固接在机架主体101前端；机尾槽口108固接在主体机架101的尾部并与机架水平面具有一定的倾角；接收器槽口109、微型直线舵机槽口110固接在机架中部；

如图4所示，所述的动力系统7包括空心杯电机701、电机蜗杆702、第一级减速蜗轮703(组成蜗轮蜗杆减速机构)、齿轮轴704、两侧对称的驱动曲柄705、驱动连杆706、驱动摇杆707、连杆轴708，其中空心杯电机701与电机固定机架106固定连接，空心杯电机701与控制系统6的导电线603连接，空心杯电机701的输出轴位于齿轮轴704的下方并与其垂直；齿轮轴704与机架竖向连杆105上通孔的内径进行过渡配合，电机蜗杆702套装在空心杯电机701的输出轴上，并与其形成过盈配合；第一级减速蜗轮703安装固定在齿轮轴704的中部；电机蜗杆702与第一级减速蜗轮703相啮合，以此将动力输出；每个驱动曲柄705的一端固接在齿轮轴704的一侧，另一端与驱动连杆706的一端铰接，两个驱动曲柄705一起随齿轮轴704进行圆周运动；连杆轴708与机架主体101前段的圆形通孔进行过渡配合；每个驱动摇杆707的一端固接在连杆轴708的一侧，另一端与驱动连杆706的一端铰接，两个驱动摇杆707通过与两个驱动连杆706和两个驱动曲柄705相配合做圆弧运动；两个驱动连杆706不同位置上的点具有不同的运动轨迹如：椭圆形和“8字形”；

如图5所示，所述右扑动机构2和左扑动机构10对称设置在机架主体101的左右两侧，用于实现翅膀的上下扑动、扑动攻角的改变及实现翅膀的前后、左右扫掠式运动；右扑动机构2包括右扑动滑杆201、右扑动连杆一202、右扑动连杆二203；右侧扑动滑杆201的一端与右侧的驱动连杆706进行球副配合铰接；右侧扑动滑杆201的杆体与右转向纵向连杆503上的圆形通孔内径形成间隙配合，同时与右扑翼横向前缘翅脉301两侧的固连滑块303上的轴承305内径形成过盈配合，进而右扑翼3可以在右侧扑动滑杆201上实现旋转运动；右机翼的纵向翅脉302的末端与右扑动连杆一202的一端进行球副配合铰接；右扑动连杆二203一端与右扑动连杆一202的另一端进行铰接，并且其另一端与机架横向连杆107进行铰接；通过右机翼的纵向翅脉302、右扑动连杆一202、右扑动连杆二203与机架横向连杆107相互之间的配合作用可以将右扑翼3在右侧扑动滑杆201上旋转运动的旋转角度限制在一定的范围之内，即右扑翼3的扭转角度将随右扑翼3不同的扑动的位置变化而变化；

如图6所示，所述右扑翼3包括右扑翼横向前缘翅脉301、右扑翼纵向翅脉302、右扑翼滑块303、右扑翼次级翅脉304、微型轴承305、右扑翼翅膜306；右扑翼横向前缘翅脉301、右扑翼纵向翅脉302和右扑翼次级翅脉304在翅根端相固连，右扑翼翅膜306粘贴在右扑翼横向前缘翅脉301、右扑翼纵向翅脉302和右扑翼次级翅脉304上；右扑翼滑块303固连在右扑翼横向前缘翅脉301下方，并且其上的圆形通孔与微型轴承305外径形成过盈配合；微型轴承305内径与右扑动滑杆201的杆体形成过盈配合，进而可以实现右扑翼在右扑动滑杆201上旋转运动；

如图7所示，所述左转向机构8包括转左转向弹簧801、左转向横向连杆802、左转向纵向连杆803、柔性橡胶条804、左转向尼龙绳导线805、导线支架103；左转向弹簧801的两端分别固接在左转向横向连杆802与机架横向连杆102的上表面，用于实现左转向横向连杆802的右端面与机架横向连杆102的左端面的重合；左转向纵向连杆803的两端开有方形的通孔，方形通孔与左转向横向连杆802的一端进行过盈配合、以此实现左转向纵向连杆803与左转向横向连杆802的固定连接；柔性橡胶条804的一端固接在机架横向连杆102的左侧末端，另一端固接在左转向横向连杆802的右侧末端，以此实现转向机构与机架的铰接；导线支架103粘接在左转向横向连杆802、机架横向连杆102和机架主体101上；左转向尼龙绳导线805一端固接在左转向横向连杆802上，并且穿过导线支架103与其形成间隙配合，左转向尼龙绳导线805的另一端固连在微型直线舵机602上，通过控制微型直线舵机的运动实现尼龙绳导线805的运动，进而将导致左转向横向连杆802围绕其与机架横向连杆102和柔性橡胶条804的连接处做一定旋转运动，即此时左转向横向连杆802与机架横向连杆102将产生一定的倾角，这种倾角的改变将会使左右扑翼产生具有一定相位差的扑动及扑动幅值大小的改变进而实现飞行器的转向功能；

如图8所示，所述的控制系统6包括接收器601、微型直线舵机602、导电线603，电池604，(控制器为一独立的外部控制遥控器)，接收器601和微型直线舵机602固接在机架主体101的内部；导电线603将接收器601与微型直线舵机602连接在一起，用以实现控制电信号的传输；电池604粘接在机架主体101的尾部，改变电池604与机架主体101尾部的不同粘接位置可以实现对飞行器整体重心位置的控制；电池604通过导电线603与接收器601、微型直线舵机602及空心杯电机701连接，同时为接收器601、微型直线舵机602及空心杯电机701提供工作时所需的动力；接收器601首先接收到控制器的信号，然后控制微型直线舵机602的运动，进而通过尼龙绳导线805的运动改变左右扑动系统的扑动相位差及扑动幅值，因此实现扑翼飞行器转向、上仰及下俯的功能。

如图9所示，所述的尾翼4包括尾翼板401、尾翼翅膜402；尾翼板401与机架主体101上具有一定倾角的槽口108进行固连，尾翼翅膜402与尾翼板401粘接，进而使尾翼与机架之间产生一定的夹角可以使整个扑翼飞行器的流场更加稳定。

所述的尾翼板401为扇形板。

工作原理如下：

首先通过控制器启动空心杯电机701，由此通过电机蜗杆702带动第一级减速蜗轮703；由于第一级减速蜗轮703固连在齿轮轴704的中部，且第一驱动连杆705固连在齿轮轴的侧端，因此，驱动曲柄705随着齿轮轴704进行圆周运动。驱动连杆706一端铰接与第一驱动连杆704铰接，另一端与驱动摇杆707铰接，驱动摇杆707的另一端固接在连杆轴708的一侧进行固接，因此，驱动曲柄705、驱动连杆706和驱动摇杆707将形成“四连杆机构”，当驱动曲柄705随着齿轮轴704进行圆周运动时，驱动连杆706的杆体上不同位置将产生“椭圆形”和“8字形”的运动轨迹。

右侧扑动机构2中的扑动滑杆201的一端与右侧驱动连杆上确定的位置球副配合连接，并且右侧扑动滑杆201的杆体与右侧转向连杆三803上的圆孔内径形成间隙配合，因此，扑动滑杆201将产生“椭圆形”的运动轨迹；右侧扑动滑杆201的杆体与右扑翼横向前缘翅脉301两侧的固连滑块303上的轴承305内径形成过盈配合，进而右扑翼3可以在右侧扑动滑杆201上实现旋转运动并右扑翼整体可以随着右侧扑动滑杆201作“椭圆”运动，即这将产生上下扑动和前后扫掠运动；右机翼3的纵向翅脉302的末端与右扑动连杆一202的一端进行球副配合连接，右扑动连杆二203一端与右扑动连杆一202的另一端进行铰接，其另一端与机架横向连杆107铰接，机架横向连杆107与机架主体101通过凹槽进行固接，通过上述的连接方式，整个右翅翼3绕右侧扑动滑杆201的旋转角度将限制在一定的角度范围之内，即在飞行器扑动飞行过程中，其翅膀的扭转角将在机架横向连杆107、右扑动连杆二203和右扑动连杆一202的共同作用下，翅膀扭转角的大小将随着翅膀所处不同的扑动位置发生相应的变化，即实现翅膀的扭转运动。上述的扭转角变化是通过被动控制技术实现扭转角的变化，相比于主动控制技术其大大减小了相位干涉和卡顿现象的产生；由于右侧扑动滑杆201在右转向纵向连杆503上的圆孔内侧的左右滑动作用，这将产生翅膀的左右扫掠运动。

右转向机构5和左转向机构8对称设置在机架主体101的左右两侧，用于实现飞行器的转向、上仰及下俯运动；柔性橡胶条804的一端固接在机架横向连杆102的左侧末端，另一端固接在左转向横向连杆802的右侧末端；左转向弹簧801的两端分别固接在左转向横向连杆802与机架横向长连杆102的上表面，用于实现左转向横向连杆802的右端面与机架横向长连杆102的左端面的重合；导线支架103固接在左转向横向连杆802、机架横向长连杆102和机架主体101上；左转向尼龙绳导线805一端固接在左转向横向连杆802上，并且穿过导线支架103与其形成间隙配合，左转向尼龙绳导线805的另一端固连在微型直线舵机上，通过控制微型直线舵机的运动实现尼龙绳导线805的运动，进而将导致左转向横向连杆802围绕他与机架横向长连杆102和柔性橡胶条804的连接处做一定旋转运动即将导致左转向横向连杆802与机架横向长连杆102产生一定的倾角，这种倾角的产生将会使两侧翅翼的扑动相位差及扑动幅值的改变以此实现转向功能，当同时使用两台微型直线舵机控制两侧转向机构时，即这时两侧的转向横向连杆与机架横向长连杆之间的倾角大小相同，这就可以实现两侧翅翼的扑动幅值的改变但扑动相位差没有改变以此实现扑翼飞行器的上仰、下俯功能。

尾翼机构中尾翼板401与机架主体101上具有一定倾角的槽口108进行固连，进而尾翼与机架之间将产生一定的夹角，使整个扑翼飞行器的流场更加稳定，进一步提升飞行器的推升力。