专利名称：一种机械鸟的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种仿生扑翼飞行机器人(俗称机器飞鸟)，尤其涉及一种机 械鸟。
背景技术：
扑翼的飞行方式广泛存在于自然界飞行生物的飞行之中，扑翼飞行囊括了固定 翼飞行和旋翼飞行的优点，可以快速的起飞、加速和悬停，具有高度机动性和灵活 性。飞行生物的飞行方式大致可以分为三类低频率的扑动飞行，如许多大型鸟类 (鹰、鹫、大雁、海鸥、天鹅等)，翼展较长较大，扑动频率较低，从零到数十赫兹 不等，采用低频率的扑动和滑翔相结合的扑动形式；中频的扑动飞行，主要为体形
中等的鸟类(如燕子、麻雀、鸽子等)，翅膀不太大，扑动频率相对较高，极少采用
滑翔方式；高频的扑动飞行，这种飞行方式是采用频率极高、翅膀的运动规律复杂 的扑翼形式，如蜂鸟及体形更小的鸟类和大多数昆虫，扑动频率约为60 80赫兹， 能够在空中实现前进、后退、悬停和其它一些高难度的机动飞行。
超小型飞行器主要是尺寸大小介于无人飞机(一般10m以内)和微型飞行器(一 般10cm以内)之间的一类飞行器， 一般指外形尺寸在lm以内。在超小型飞行器方 面，和固定翼布局相比，仿生扑翼在气动方面，优势非常明显，但是，仿生扑翼的 布局首先给超小型飞行器的结构设计带来了极大的挑战，尤其是在扑翼的结构、材 料以及运动机构的微小型化设计方面面临着较多的技术难题。
扑动装置是仿生超小型飞行器中的核心组成部分，扑动装置的优劣将对超小型 仿生飞行器产生极大的影响。另外，在超小型扑翼飞行器的扑动方式上，比较适合 采用低频、中频扑动，也适合采用电机驱动。
自然界中飞鸟在飞行时翅膀的运动是三维的，存在着拍打、摆动和扭转。目前，
在超小型扑翼飞行器方面，扑动装置采用的是一维的拍打运动，有些采用一维拍打 运动结合飞行器尾部方向舵和升降舵控制，离真正意义上的扑翼三维飞行运动还有很大差距。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实 现扑翼拍打和扭转二维运动，并结合尾部方向舵实现飞行器的三维飞行的一种机械 鸟。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现 一种机械鸟，其特征在于， 主要包括机架2、转动支架14、左扑翼3、右扑翼l、尾翼6、垂直安定面4、方向 舵5、电机15、电机ll、电机12、电池29、微型陀螺仪13、信号接收模块30、 GPS模块31、控制系统模块32以及扑动装置，由电机15驱动左扑翼3和右扑翼 l上下扑动，电机11驱动左扑翼3和右扑翼1扭转运动，电机12驱动方向舵5飞 行器转向，控制系统模块32协调三者运动时序，使飞行器灵活飞行。
所述的电机15通过齿轮16、齿轮24、齿轮23、齿轮18啮合传动、经过连杆 21、转轴48、滑槽28驱动左主摇杆44、右主摇杆26上下扑动；所述的电机11 经过齿轮IO、齿轮43、转轴50、齿轮33、左月牙齿条39、右月牙齿条37、圆柱 杆38、圆柱杆9、左支撑块40、右支撑块36、转动支架14驱动左扑翼3、右扑翼 1绕转轴17扭转运动；所述的电机12经过摇杆49、连杆52、摇杆51、转轴7驱 动方向舵5左右摆动。
所述的电机15、齿轮16、齿轮24、齿轮23与齿轮18位于十字型主支架27 两侧，电机15固定在转动支架14上，齿轮24与齿轮23经过转轴22固定连接，转 轴22与十字型主支架27通过转动副连接，齿轮18经过销轴19与十字型主支架 27通过转动副连接，连杆21与齿轮18经过转轴20通过转动副连接，连杆21与 转轴48固定连接，转轴48通过滑槽28与十字型主支架27经移动副相连，转轴 48通过与左主摇杆44上面的滑槽46、右主摇杆26上面的滑槽47经过移动副分别 与左主摇杆44、右主摇杆26相连，左主摇杆44、右主摇杆26通过转轴45、转轴 25经过转动副与十字型主支架27连接，十字型主支架27与转动支架14固定连接， 左副摇杆41经过转轴42与左支撑块40通过转动副连接，左主摇杆44、左副摇杆 41与左扑翼3固定连接，右副摇杆35经过转轴34与右支撑块36通过转动副连接， 右主摇杆26、右副摇杆35与右扑翼1固定连接。
所述的电机11固定在机架2上，齿轮43与转轴50固定连接，齿轮33与转轴50固定连接，转轴50与机架2通过转动副连接，左月牙齿条39与右月牙齿条 37通过圆柱杆38、圆柱杆9固定连接，左支撑块40、右支撑块36分别与左月牙 齿条39、右月牙齿条37固定连接，左支撑块40、右支撑块36通过转轴42、转轴 34分别与左副摇杆41、右副摇杆35通过转动副连接，左扑翼3、右扑翼l分别与 左副摇杆41、右副摇杆35固定连接。
所述的电机12固定在机架2上，摇杆49与连杆52通过转动副相连，连杆52 和摇杆51通过转动副相连，摇杆51与方向舵5垂直固定连接，摇杆51与方向舵 5通过转轴7与垂直安定面4经过转动副相连。
所述的控制系统模块32接收微型陀螺仪13和GPS模块31的信号，经过导航 算法实现自主飞行，或者通过信号接收模块30切换到遥控飞行。
与现有技术相比，本实用新型最显著特点是实现飞行器扑翼的拍打、扭转二 自由度复合飞行运动，再结合尾部方向舵，实现扑翼飞行器的三维飞行。目前一种 机械鸟只能实现扑翼一维拍打运动，离真正意义上的扑翼三维飞行运动还有很大差 距的情况，提供一种能够实现扑翼拍打和扭转二维运动，并结合尾部方向舵实现飞 行器的三维飞行，使仿生扑翼飞行器向真正意义上的扑翼飞行迈进了一大步。
图1为本实用新型一种机械鸟左下方结构示意图2为本实用新型一种机械鸟前上方局部结构示意图3为本实用新型一种机械鸟上方结构示意图。
图1中，右扑翼l、机架2、左扑翼3、垂直安定面4、方向舵5、尾翼6、转 轴7、配重块8、圆柱杆9、齿轮10、电机11、电机12、微型陀螺仪13、转动支 架14、电机15、齿轮16、转轴17;
图2中，齿轮18、转轴19、转轴20、连杆21、转轴22、齿轮23、齿轮24、 转轴25、右主摇杆26、十字型主支架27、滑槽28、电池29、信号接收模块30、 GPS模块31、控制系统模块32、齿轮33、转轴34、右副摇杆35、右支撑块36、 右月牙齿条37、圆柱杆38、左月牙齿条39、左支撑块40、左副摇杆41、转轴42、 齿轮43、左主摇杆44、转轴45、滑槽46、滑槽47、转轴48;
图3中，摇杆49、转轴50、摇杆51、连杆52。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
本实用新型主要由机架、转动支架、扑动装置、扑翼、尾翼、方向舵、微型 陀螺仪、GPS模块、信号接收模块以及控制模块组成。扑动装置主要实现扑翼的
拍打运动和扭转运动，方向舵实现飞行器转向。飞行器可以通过微型陀螺仪和GPS
模块的信号，经过控制系统的导航算法实现自主飞行，也可以通过信号接收模块切 换成遥控飞行。
本实用新型外形可以做到与真鸟相似，通过扑翼的拍打、扭转运动相结合， 可以快速改变飞行器的升力，从而快速实现飞行器上下运动，再结合尾部的方向舵 控制飞行器的转向，控制好三者的运动时序，就可以实现飞行器如飞鸟一般的灵活
飞行运动。
本实用新型的一个优选实施例如图1、图2、图3所示， 一种机械鸟，包括扑 翼拍打系统，扑翼扭转系统以及飞行器转向系统。扑翼拍打系统主要由电机15、 齿轮16、齿轮24、齿轮23、齿轮18、连杆21、转轴48、滑槽28、左主摇杆44、 右主摇杆26组成。扑翼扭转系统主要由电机11、齿轮IO、齿轮43、转轴50、齿 轮33、左月牙齿条39、右月牙齿条37、圆柱杆38、圆柱杆9、左支撑块40、右支 撑块36、转动支架14、左扑翼3、右扑翼l、轴17组成。飞行器转向系统主要由 电机12、摇杆49、连杆52、摇杆51、转轴7、方向舵5组成。由电机15驱动扑 翼上下扑动，电机ll驱动扑翼扭转运动，电机12驱动方向舵实现飞行器转向，控 制系统32协调三者运动时序，从而实现飞行器如飞鸟一般的灵活飞行。
本实用新型是由三个电机15、电机11、电机12独立驱动，通过控制系统协 调配合，可实现飞行器的三维飞行，特别是拍打系统和扭转系统协调配合，可以较 好的仿真飞鸟的飞行运动。
飞行器的三维飞行运动如下
扑翼拍打运动，电机15通过齿轮16、齿轮24、齿轮23、齿轮18啮合传动、 经过连杆21、转轴48、滑槽28驱动左主摇杆44、右主摇杆26同步上下扑动，从 而带动左扑翼3绕转轴45、转轴42上下扑动，右扑翼1绕转轴25、转轴34上下扑动。
所述的电机15、齿轮16、齿轮24、齿轮23与齿轮18位于十字型主支架27 两侧，电机15固定在转动支架14上，齿轮24与齿轮23经过转轴22固定连接，转轴22与十字型主支架27通过转动副连接，齿轮18经过销轴19与十字型主支架 27通过转动副连接，连杆21与齿轮18经过转轴20通过转动副连接，连杆21与 转轴48固定连接，转轴48通过滑槽28与十字型主支架27经移动副相连，转轴 48通过与左主摇杆44上面的滑槽46、右主摇杆26上面的滑槽47经过移动副分别 与左主摇杆44、右主摇杆26相连，左主摇杆44、右主摇杆26通过转轴45、转轴 25经过转动副与十字型主支架27连接，十字型主支架27与转动支架14固定连接， 左副摇杆41经过转轴42与左支撑块40通过转动副连接，左主摇杆44、左副摇杆 41与左扑翼3固定连接，右副摇杆35经过转轴34与右支撑块36通过转动副连接， 右主摇杆26、右副摇杆35与右扑翼1固定连接。
扑翼扭转运动，电机11经过齿轮10、齿轮43、转轴50、齿轮33、左月牙齿 条39、右月牙齿条37、圆柱杆38、圆柱杆9、左支撑块40、右支撑块36、转动支 架14驱动左扑翼3、右扑翼1绕转轴17同步扭转运动。
所述的电机11固定在机架2上，齿轮43与转轴50固定连接，齿轮33与转 轴50固定连接，转轴50与机架2通过转动副连接，左月牙齿条39与右月牙齿条 37通过圆柱杆38、圆柱杆9固定连接，左支撑块40、右支撑块36分别与左月牙 齿条39、右月牙齿条37固定连接，左支撑块40、右支撑块36通过转轴42、转轴 34分别与左副摇杆41、右副摇杆35通过转动副连接，左扑翼3、右扑翼l分别与 左副摇杆41、右副摇杆35固定连接。
飞行器转向运动，电机12经过摇杆49、连杆52、摇杆51、转轴7驱动方向 舵5左右摆动，借助空气动力实现飞行器的转向。
所述的电机12固定在机架2上，摇杆49与连杆52通过转动副相连，连杆52 和摇杆51通过转动副相连，摇杆51与方向舵5垂直固定连接，摇杆51与方向舵 5通过转轴7与垂直安定面4经过转动副相连。
所述的控制系统模块32接收微型陀螺仪13和GPS模块31的信号，经过导航 算法实现自主飞行，或者通过信号接收模块30切换到遥控飞行。
扑翼的拍打运动和扭转运动相结合，可以快速改变飞行器的升力，从而使飞 行器可以快速改变飞行高度。飞行器的方向舵结合扑翼的拍打和扭转运动，可以实 现更灵活的转向。
特别是，在扑翼的下扑和上扑过程中，可以控制扑翼以不同扭转转角飞行 一种方法是，扑翼上下扑过程中，扭转角恒定，上下扑动过程中扭转角可以相同，也可以不同。
另一种方法是，扑翼上扑和下扑过程中，扭转角实时相应改变，可以仿真飞 鸟飞行时的翅膀拍打和扭转的复合飞行运动。
权利要求1.一种机械鸟，其特征在于，主要包括机架(2)、转动支架(14)、左扑翼(3)、右扑翼(1)、尾翼(6)、垂直安定面(4)、方向舵(5)、电机(15)、电机(11)、电机(12)、电池(29)、微型陀螺仪(13)、信号接收模块(30)、GPS模块(31)、控制系统模块(32)以及扑动装置，由电机(15)驱动左扑翼(3)和右扑翼(1)上下扑动，电机(11)驱动左扑翼(3)和右扑翼(1)扭转运动，电机(12)驱动方向舵(5)飞行器转向，所述的控制系统模块(32)协调三者运动时序。
2. 根据权利要求1所述的一种机械鸟，其特征在于，所述的电机(15)通过 齿轮(16)、齿轮(24)、齿轮(23)、齿轮(18)啮合传动、经过连杆(21)、转轴(48)、滑槽(28)驱动左主摇杆(44)、右主摇杆(26)上下扑动；所述的电机(11) 经过齿轮(10)、齿轮(43)、转轴(50)、齿轮(33)、左月牙齿条(39)、右月牙 齿条(37)、圆柱杆(38)、圆柱杆(9)、左支撑块(40)、右支撑块(36)、转动支 架(14)驱动左扑翼(3)、右扑翼(1)绕转轴(17)扭转运动；所述的电机(12) 经过摇杆(49)、连杆(52)、摇杆(51)、转轴(7)驱动方向舵(5)左右摆动。
3. 根据权利要求2所述的一种机械鸟，其特征在于，所述的电机(15)、齿 轮(16)、齿轮(24)、齿轮(23)与齿轮(18)位于十字型主支架(27)两侧，电 机(15)固定在转动支架(14)上，齿轮(24)与齿轮(23)经过转轴(22)固定 连接，转轴(22)与十字型主支架(27)通过转动副连接，齿轮(18)经过销轴(19) 与十字型主支架(27)通过转动副连接，连杆(21)与齿轮(18)经过转轴(20) 通过转动副连接，连杆(21)与转轴(48)固定连接，转轴(48)通过滑槽(28) 与十字型主支架(27)经移动副相连，转轴(48)通过与左主摇杆(44)上面的滑 槽(46)、右主摇杆(26)上面的滑槽(47)经过移动副分别与左主摇杆(44)、右 主摇杆(26)相连，左主摇杆(44)、右主摇杆(26)通过转轴(45)、转轴(25) 经过转动副与十字型主支架(27)连接，十字型主支架(27)与转动支架(14)固 定连接，左副摇杆(41)经过转轴(42)与左支撑块(40)通过转动副连接，左主 摇杆(44)、左副摇杆(41)与左扑翼(3)固定连接，右副摇杆(35)经过转轴(34) 与右支撑块(36)通过转动副连接，右主摇杆(26)、右副摇杆(35)与右扑翼(1) 固定连接。
4. 根据权利要求2所述的一种机械鸟，其特征在于，所述的电机(11)固定在机架(2)上，齿轮(43)与转轴(50)固定连接，齿轮(33)与转轴(50)固 定连接，转轴(50)与机架(2)通过转动副连接，左月牙齿条(39)与右月牙齿 条(37)通过圆柱杆(38)、圆柱杆(9)固定连接，左支撑块(40)、右支撑块(36) 分别与左月牙齿条(39)、右月牙齿条(37)固定连接，左支撑块(40)、右支撑块 (36)通过转轴(42)、转轴(34)分别与左副摇杆(41)、右副摇杆(35)通过转 动副连接，左扑翼(3)、右扑翼(1)分别与左副摇杆(41)、右副摇杆(35)固定 连接。
5. 根据权利要求2所述的一种机械鸟，其特征在于，所述的电机(12)固定 在机架(2)上，摇杆(49)与连杆(52)通过转动副相连，连杆(52)和摇杆(51) 通过转动副相连，摇杆(51)与方向舵(5)垂直固定连接，摇杆(51)与方向舵(5)通过转轴(7)与垂直安定面(4)经过转动副相连。
6. 根据权利要求1所述的一种机械鸟，其特征在于，所述的控制系统模块(32) 接收微型陀螺仪(13)和GPS模块(31)的信号自主飞行，或者通过信号接收模 块(30)切换到遥控飞行。
专利摘要本实用新型涉及一种机械鸟，该机械鸟主要包括机架(2)、转动支架(14)、左扑翼(3)、右扑翼(1)、尾翼(6)、垂直安定面(4)、方向舵(5)、电机(15)、电机(11)、电机(12)、电池(29)、微型陀螺仪(13)、信号接收模块(30)、GPS模块(31)、控制系统模块(32)以及扑动装置，所述的电机(15)连接左扑翼(3)和右扑翼(1)，所述的电机(11)连接左扑翼(3)和右扑翼(1)，所述的电机(12)连接方向舵(5)，所述的控制系统模块(32)分别连接电机(15)、电机(11)和电机(12)。与现有技术相比，本实用新型能够实现扑翼拍打和扭转二维运动，并结合尾部方向舵实现飞行器的三维飞行。
文档编号B64C33/00GK201354147SQ200920066669
公开日2009年12月2日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者张兴媛, 徐海荣, 胡盛斌, 贾慈力, 陆文华, 陈闵叶 申请人:上海工程技术大学