专利名称：仿蜂鸟扑翼微飞行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿生微飞行器的技术领域，具体地说，涉及的是ー种仿蜂鸟扑翼微飞行器。
背景技术：
微飞行器是ー种能够在任何方向的尺度均不大于15cm的一类飞行器，其在军事、エ业和民用领域具有十分广泛的用途——它可以去完成搜救、侦查、监视等诸多任务。随着科技的进步，微飞行器也在向更加稳定、更加灵活、更加节能的方向发展。对于微飞行器而言，最常见的几种飞行方式莫过于固定翼式飞行、旋翼飞行和扑 翼飞行。利用前两种飞行机理的微飞行器已经面世，但是不能否认，这两种飞行方式在微飞行器领域有着与生俱来的局限。例如，固定翼微飞行器面临着在风速下的失稳问题，旋翼微飞行器面临着品质因子降低的问题。与这两种飞行方式相比，扑翼飞行在微飞行器领域有着无与伦比的优点；利用这种飞行机理的鸟类和昆虫则为扑翼微飞行器的研究提供了典范。扑翼微飞行器不仅可微性好、机动性高，而且兼有固定翼微飞行器的高速特点和旋翼微飞行器的悬停功能，现在已经成为世界上各个开发小组的研究热点。经过对现有技术的检索发现，西北エ业大学在2008年设计出了 ー种基干“曲柄-摇杆”结构的新型仿生扑翼微飞行器，并且该飞行器实现了自由飞行(具体内容可以參考Liu，L.& Z. Fang & Z. He. Optimization Designof Flapping Mechanism and Wings forFlapping-Wing MAVs[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2008，5314:245-255)。但是该扑翼微飞行器的两只翅膀的拍打运动并不完全对称，给尺寸优化和后续控制都带来了很大的问题，进而严重影响了飞行器的性能。此外，该飞行器的结构也难以进行进ー步的改进，从而就很难完成未来的各种复杂任务。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，该飞行器结构紧凑、尺寸合理，整个结构互換性高，易于装配、维修、改进，便于大批量生产从而降低生产成本。为实现上述的目的，本发明所述的ー种仿蜂鸟扑翼微飞行器，包括机架、減速齿轮组、电机、传动机构、平行轴结构以及ー对翅膀，其中机架为整台微飞行器提供了一个整体框架；减速齿轮组直接安装在机架上面；电机通过过盈配合与机架形成一个统ー的整体；平行轴结构通过几何关系的限制以及轴承的作用与机架装配在一起；传动机构的两端分别与減速齿轮组的大齿轮和平行轴结构相连接，一对翅膀通过翅膀连接件而与平行轴结构相连接。所述的机架由多个零件粘结而成，或者通过三维打印的方法制作而成。通过粘结方式制作机架的加工方式比较简单，便于实施；通过三维打印的方法制作机架，可以进一歩提闻精度。
所述的减速齿轮组及电机均安装在机架上面。电机采用空心杯电机，通过过盈配合安装在底座上面有着最大直径的孔处；大齿轮为普通的塑料齿轮，安装在底座上面有着最小直径的孔处，可以自由旋转；同吋，作为与传动机构的接ロ，大齿轮上面钻有小孔，这使得大齿轮起到了曲柄的作用；小齿轮也是塑料齿轮，安装在电机的输出轴上面，作为主轴齿轮。所述的减速齿轮组由塑料齿轮构成，并且输出端的大齿轮与作为传动机构的连杆结构相连。所述的传动机构由ー种“曲柄-滑块”加“滑块-摇杆”的连杆结构组成，且用的材料为树脂。第一连杆一端与大齿轮相连，另一端与第二连杆相连，在“曲柄-滑块”结构中起着连杆的作用；第二连杆一端与第一连杆相连，一端与机架连接件相连，另一端与第三连杆相连，在“曲柄-滑块”与“滑块摇杆”结构中都起着滑块的作用，不同点在干，在前者中属于输出兀件，在后者中属于输入兀件；第三连杆一端与第二连杆相连，另一端与第四连杆相连，在“滑块摇杆”结构中起着连杆的作用；第四连杆一端与第三连杆相连，另一端通过过盈配合与平行轴结构中的平行轴相连，带动平行轴实现往复的转动。 所述的平行轴结构由ー对阶梯轴组成，且该平行轴结构一端通过轴承连接在机架底部，另一端通过间隙配合连接在机架顶部，从而能够绕着自身的轴线进行自由的旋转。所述的ー对翅膀形状完全对称，且均由碳纤维材料的翅脉与聚酰亚胺材料的薄膜组成，这里的翅脉包括翅膀前缘的主脉、翅膀根部的辅脉和翅膀表面的辅脉，通过调节这三根翅脉的长度与直径，就能够对翅膀的性能进行优化。本发明主要模仿蜂鸟的骨骼系统来设计自身的扑翼结构。具体而言，本发明利用空心杯电机作为运动输出，并通过減速齿轮组、传动机构和平行轴结构将运动传递给翅膀，最終使两只翅膀得以实现对称的拍打运动，使飞行器能够进行平稳的飞行。而且，翅膀的往复运动与空心杯电机等零件的安装布局也进行了匹配，使得微飞行器所产生的升力和自身的重力合力得以处在一条竖直线上，这就更近一步增强了微飞行器的稳定性。同吋，对于翅膀连接件这ー构件，我们也可以进行进ー步的改进设计，从而提高微飞行器的控制性能和气动性能。本发明在飞行时需要设定ー个初始的攻角，使得翅膀沿着从前方下方到后方上方这ー方向进行往复的拍打运动。同时，翅膀在上下扑动过程中，由于柔性的存在会发生变形，从而产生被动旋转，使得攻角发生不断的变化。这样ー来，微飞行器将不但能够产生向上的升力，还能够产生向前的推力，支撑飞行器飞行。本发明结构紧凑、尺寸合理，适用于扑翼微飞行器上。机架可进行一体化加工，也可由简单的零件组合在一起，具有加工简单且定位精度高的特点，有利于实现整体微型化；翅膀连接件的存在，为后续的改进工作提供了很大的发挥空间，能够使翅膀在未来实现各种复杂的运动；齿轮组、轴承和空心杯电机都采用了标准构件，更换十分方便；空心杯电机作为本发明的驱动源，不需要很高的电源电压，从而便于微飞行器自己携带电源。本发明整个结构互換性高，易于装配、维修、改进，便于大批量生产从而降低生产成本。
图I为本发明实施例整体轴测图。
图2为本发明实施例机架结构示意图。图3为本发明实施例齿轮组及电机安装示意图。图4为本发明实施例传动机构示意图。图5为本发明实施例平行轴结构及翅膀连接件安装示意图。图6为本发明实施例翅膀结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进ー步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。如图I所示，本实施例提供一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，包括机架I、減速齿轮组2、 电机3、传动机构4、平行轴结构5以及ー对翅膀6，其中机架I为整台微飞行器提供了一个整体框架；减速齿轮组2直接安装在机架I上面；电机3通过过盈配合与机架I形成ー个统ー的整体；平行轴结构5通过几何关系的限制以及轴承的作用与机架I装配在一起；传动机构4的两端分别与减速齿轮组2的大齿轮和平行轴结构5相连接，一对翅膀6通过ー个翅膀连接件而与平行轴结构5相连接。如图2所示，所述的机架I由天花板7、连接件8、底座9与ー对底座挡板10所组成。连接件8的两端将分别与天花板7和底座9相粘合在一起,构成机架I的基本框架；天花板7上面的孔用来定位平行轴结构5 ;连接件8上的矩形槽用来约束传动机构4的自由度；底座9上的孔按由大到小的顺序而言分别安装着电机3、平行轴结构5和減速齿轮组2 ；底座挡板10粘合在底座9下面，起到支撑平行轴结构5的轴承的作用。注意通过粘合方式制作机架的加工方式比较简单，便于实施；也可以通过三维打印的方法将机架做出来，这样可以进一步提闻精度。如图3所示，所述的减速齿轮组2及电机3均安装在机架I上面。电机3采用空心杯电机，通过过盈配合安装在底座9上面有着最大直径的孔处；大齿轮11为普通的塑料齿轮，安装在底座9上面有着最小直径的孔处，可以自由旋转；同吋，作为与传动机构4的接ロ，大齿轮11上面钻有小孔，这使得大齿轮起到了曲柄的作用；小齿轮12也是塑料齿轮，安装在电机3的输出轴上面，作为主轴齿轮。如图4所示，所述的传动机构4由ー种新型的“曲柄滑块”加“滑块摇杆”的连杆结构组成，且用的材料为树脂。连杆13—端与大齿轮11相连，一端与连杆14相连，在“曲柄-滑块”结构中起着连杆的作用；连杆14 一端与连杆13相连，一端与连接件8相连，在“曲柄-滑块”与“滑块-摇杆”结构中都起着滑块的作用，不同点在于，在前者中属于输出元件，在后者中属于输入兀件；连杆15—端与连杆14相连,一端与连杆16相连,在“滑块-摇杆”结构中起着连杆的作用；连杆16 —端与连杆15相连，一端通过过盈配合与平行轴结构5中的平行轴相连，带动平行轴实现往复的转动。如图5所示，所述的平行轴结构5安装在机架I上，所述的翅膀连接件19安装在平行轴结构5的平行轴上。轴承17采用最普通的深沟球轴承即可，主要用来承受轴向的载荷；平行轴18属于典型的阶梯轴，其上面不仅安装着传动机构4的输出端，而且安装着翅膀连接件，从而使翅膀实现拍打运动；翅膀连接件19用于将翅膀与平行轴18连接在一起，在此实施例中属于固连在一起。
如图6所示，所述的翅膀6由翅膀连接件19、翅膀前缘的主脉20、翅膀表面的辅脉21、翅膜22和翅膀根部的辅脉23组成。主脉20、辅脉21、辅脉23均采用碳纤维材料，翅膜22则采用聚酰亚胺材料；主脉20、辅脉23通过环氧树脂胶粘合在翅膜22的边缘，且互相垂直；辅脉22通过环氧树脂胶粘合在翅膀表面，与主脉20成一定的角度；这样的“翅脉+翅膜”的结构，可以很好地提高翅膀的气动性能。本发明所述仿蜂鸟扑翼微飞行器的扑翼机构模仿蜂鸟的骨骼结构，易于实现灵活的飞行，并便于进行后续的改迸。本装置采用ー个空心杯电机3作为运动输出，并利用減速齿轮组2、传动机构4和平行轴结构5将运动传递给翅膀6，最終使两只翅膀得以实现对称的拍打运动，使飞行器能够进行平稳的飞行。本装置的结构组件较简单，采用了一部分标准构件，其余部件形状规格也较简单，材料采用的是塑料、树脂、碳纤维和聚酰亚胺薄膜等材料，加工容易，便于采用数控微加工批量生产，有利于结构整体微型化。此外，本装置采用的空心杯电机作为驱动源，不需要很高的电源电压，市面上常见的聚合物锂电池就可以作为电源，这便于微飞行器自己携带电源。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种仿蜂鸟扑翼微飞行器,包括机架、减速齿轮组、电机、传动机构、平行轴结构以及一对翅膀，其特征在于所述减速齿轮组直接安装在机架上面，电机通过过盈配合与机架形成一个统一的整体，平行轴结构通过几何关系的限制以及轴承的作用与机架装配在一起，传动机构的两端分别与减速齿轮组的大齿轮和平行轴结构相连接，一对翅膀通过一个翅膀连接件与平行轴结构连接。
2.根据权利要求I所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，其特征在于所述的机架由多个零件粘结而成，或者通过三维打印的方法制作而成。
3.根据权利要求2所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，其特征在于所述的机架由天花板、连接件、底座与一对底座挡板所组成；连接件的两端分别与天花板和底座相粘合在一起，构成机架的基本框架；天花板上面的孔用来定位平行轴结构；连接件上的矩形槽用来约束传动机构的自由度；底座上的孔按由大到小的顺序而言分别安装着电机、平行轴结构和减速齿轮组；底座挡板则被粘合在底座下面，起到了支撑平行轴结构附属轴承的作用。
4.根据权利要求I所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，其特征在于所述的平行轴结构由一对阶梯轴组成，且该平行轴结构一端通过轴承连接在机架底部，另一端通过间隙配合连接在机架顶部，从而能够绕着自身的轴线进行自由的旋转。
5.根据权利要求I所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，其特征在于所述的减速齿轮组由塑料齿轮构成，并且输出端的大齿轮与作为传动机构的连杆结构相连。
6.根据权利要求I所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，其特征在于所述的电机采用空心杯电机，通过过盈配合安装在底座上面有着最大直径的孔处；大齿轮为普通的塑料齿轮，安装在底座上面有着最小直径的孔处，可以自由旋转；同时，作为与传动机构的接口，大齿轮上面钻有小孔，这使得大齿轮起到了曲柄的作用；小齿轮也是塑料齿轮，安装在电机的输出轴上面，作为主轴齿轮。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器,其特征在于所述的传动机构由连杆结构构成，该连杆结构属于“曲柄-滑块”加“滑块-摇杆”的结构。
8.根据权利要求7所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器，其特征在于所述的连杆结构包括四个连杆组成，其中第一连杆的一端与大齿轮相连，另一端与第二连杆相连，在“曲柄-滑块”结构中起着连杆的作用；第二连杆的一端与第一连杆相连，一端与机架连接件相连，另一端与第三连杆相连，在“曲柄-滑块”与“滑块-摇杆”结构中都起着滑块的作用；第三连杆一端与第二连杆相连，另一端与第四连杆相连，在“滑块-摇杆”结构中起着连杆的作用；第四连杆一端与第三连杆相连，另一端通过过盈配合与平行轴结构中的平行轴相连，带动平行轴实现往复的转动。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种仿蜂鸟扑翼微飞行器,其特征在于所述的一对翅膀形状完全对称，且均由碳纤维材料的翅脉与聚酰亚胺材料的薄膜组成，这里的翅脉包括翅膀前缘的主脉、翅膀根部的辅脉和翅膀表面的辅脉，通过调节这三根翅脉的长度与直径，就能够对翅膀的性能进行优化。
10.根据权利要求9所述的仿蜂鸟扑翼微飞行器，其特征在于所述翅膀连接件将翅膀与实现了拍打运动的平行轴结构连接了起来，实现两翅膀的拍打运动完全对称。
全文摘要
本发明公开一种仿生微飞行器领域的仿蜂鸟扑翼微飞行器，包括机架、减速齿轮组、电机、传动机构、平行轴结构以及一对翅膀。其中机架上面直接装配减速齿轮组、电机和平行轴结构；传动机构装配在减速齿轮组和平行轴结构之间，用来将减速齿轮组输出的连续转动转化成平行轴的往复转动；一对翅膀装配在平行轴结构上面，从而实现自身的拍打运动，并与其他部分形成一个完整的扑翼微飞行器。本发明中两翅膀的拍打运动完全对称，很大程度上减小了振动对飞行器性能的影响，降低了飞行器的控制难度；同时，本发明结构简洁合理，便于加工，更便于进行改进以完成各种复杂的任务。
文档编号B64C33/00GK102815399SQ20121028245
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者张卫平, 杨宋渊, 柯希俊, 谭小波, 陈文元, 刘武, 崔峰, 吴校生 申请人:上海交通大学