一种基于类羽毛状机翼的仿生飞行器

1.本发明涉及飞行器技术领域，特别是一种基于类羽毛状机翼的仿生飞行器。


背景技术：

2.长期以来仿生研究一直是人类研究的重点，已对飞行生物翼(特别是昆虫翅)的拍动开展了大量而细致的观测及研究，发现其能产生更高的气动升力系数，受鸟类拍打翅膀以获得更好飞行能力的启发，扑旋翼结合了拍打运动和旋转运动从而获得更高的敏捷性和飞行效率，此概念最早由李道春、吴江浩等人提出，并制造了微型扑旋翼模型进行了可飞行实验和空气动力学分析。扑旋翼既具有旋翼垂直起飞的能力，又能够沿水平面上做旋转运动，但缺少了像扑翼一样在水平上续航飞行的能力。所以在该领域的不断的实验创新成为了当下研究人员主攻的方向。
3.扑旋翼的结构原理是通过运动，在扑打的过程中形成一种反卡门涡街现象从而衍生一个推进力，但在一段时间后会与旋转运动所产生的阻力达成一个动态平衡。无论是在军事领域还是人类日常生活，扑翼飞行器都有较好的发展前景，这就对飞行器的稳定性和灵活性提出了挑战，对飞行器的更加持久的续航能力以适应环境提出了更高的要求。目前，国内外大多数扑翼飞行器都是机翼上下扑打的仿鸟类飞行器，此类仿鸟类飞行器难以实现空中续航能力。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种基于类羽毛状机翼的仿生飞行器。本发明不仅拥有高效的续航能力，而且具有较高的升力效率。
5.本发明的技术方案：一种基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，包括机架，机架上设有电机，电机的输出端经减速机构连接有曲柄滑块机构；所述机架上穿设有与曲柄滑块机构连接的中心杆，中心杆经第一旋转轴承转动连接有机翼架；所述中心杆的外部套有连接在机架上的杆套，杆套经第二旋转轴承连接有支撑座；所述支撑座位于机翼架的下方；所述支撑座的两侧作为支点端分别铰接有叉手；所述机翼架的两侧分别铰接有驱动背板，驱动背板的中部与叉手的上间隙铰接；所述驱动背板上端设有套筒销装置，套筒销装置连接有机翼机构；所述机翼机构包括与套筒销装置连接的前缘杆，前缘杆上设有安定面，安定面上设有多片类羽毛扇片机构。
6.上述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述减速机构包括设置在机架上的第一传动轴和第二传动轴；所述第一传动轴上设有一级减速齿轮组，所述第二传动轴上设有二级减速齿轮组；所述电机的输出端与第一传动轴连接，所述一级减速齿轮组与二级减速齿轮组相啮合；所述第二传动轴的端部连接。
7.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述一级减速齿轮组和二级减速齿轮组作为动力传递装置，使减速比达到22.75：1。
8.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述曲柄滑块机构包括有两个铝块和一
个把手零件构成，中心杆与把手零件连接。
9.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述的支撑座和机翼架均为h型，且机翼架的长度短于支撑座的长度。
10.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述套筒销装置由下挡块，上挡块和销块构成；其中销块被下挡块、上挡块和铰接的驱动背板限制旋转的范围。
11.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述套筒销装置的中部设有中心孔，中心孔贯穿下挡块，上挡块和销块；所述机翼的前缘杆贯穿进中心孔内直到与下挡块固定，所述销块经下挡块，上挡块及驱动背板的耦合限制使机翼机构的俯仰角度受限。
12.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述机翼机构的俯仰角度控制在10
°‑
50
°
内。
13.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述的类羽毛扇片机构包括套筒装置、第三旋转轴承、限位杆、碳杆和扇片，所述套筒装置铰接在安定面的外边缘上，套筒装置的内部设置第三旋转轴承，第三旋转轴承将扇片上的碳杆配合在套筒装置内；所述套筒装置的一侧设置限位杆。
14.前述的基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，所述扇片的外边设有外边框，所述外边框采用铝制材料。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.1、本飞行器中电机的旋转运动经由两级减速齿轮组机构，驱动曲柄滑块机构运动，带动中心杆上下运动，再通过机翼架、叉手、支撑座、驱动背板形成的运动传递机构，将中心杆的往复直线运动转化成机翼的拍动运动，即中心杆下移扑旋翼进入上拍状态，中心杆上移扑旋翼进入下拍状态。同时扑旋翼的旋转运动是由机翼扑动产生的反卡门涡街形成的。本发明的中心杆穿过支撑座，中心杆与支撑座之间存在旋转轴承，使得支撑座相对于中心杆存在旋转运动且支撑座不随中心杆上下移动，因此支撑座与叉手的铰接点位置保持不变；随着中心杆带动机翼架上下移动，驱动背板与水平线的夹角会产生周期性的变化。上述方案将中心杆的上下直线运动转化成该仿生多模态飞行器的机翼的拍动运动。本发明不仅拥有高效的续航能力，而且具有较高的升力效率。
17.2、本发明的机翼的前缘杆件穿过套筒销装置的中心孔进行配合，从而使套筒销装置带动机翼进行拍打运动，因为销块受到了下挡块、上挡块及驱动背板的耦合限制，从而控制了机翼相对于驱动背板的可变扭转角度在10
°
到50
°
之间，在该扭转角的控制下，拍动的机翼能够获得较高的升力以及飞行效率。
18.3、本发明的驱动背板的数目设置为两个，使得机翼在上拍与下拍的过程中更加稳定，且能提供的升降力更强，而支撑座和机翼架采用对称构型，使两侧驱动背板的安装更加便捷。
19.4、本发明扇片上的碳杆通过轴承配合在套筒内，同时在套筒一侧设置铰接好的限位杆，控制扇片在进行拍打运动过程中的扭转角度。同时扇片的边缘使用了铝制材料，能使扇片在拍打过程中具有一定的抗击打能力。
附图说明
20.图1为本发明整体的结构示意图；
21.图2为本发明中除去机翼架装置的整体两级减速机构和曲柄滑块机构部分的结构示意图；
22.图3为本发明中运动传递机构部分和机翼驱动机构去除掉中心机架的上方机翼整体的结构示意图(不包含机翼片)；
23.图4为本发明中除去机翼片的一个机翼杆单侧机翼机构部分的结构示意图(不包含扇片)。
24.图5为本发明中类羽毛扇片机构部分的结构示意图；
25.图6为本发明中机翼在下冲程时类羽毛扇片部分的结构示意图；
26.图7为本发明中机翼在上冲程时类羽毛扇片部分的结构示意图.附图中的标记为：
27.1、机架；2、电机；3、一级减速齿轮组；4、第一传动轴；5、二级减速齿轮组；6、第二传动轴；7、铝块；8、杆套；9、把手零件；10、支撑座；11、机翼架；12、中心杆；13、机翼机构；14、第二旋转轴承；15、第一旋转轴承；16、叉手；17、驱动背板；181、上挡块；182、上挡块；19、销块；20、中心孔；21、前缘杆；22、安定面；23、套筒装置；24、旋转轴承；25、限位杆；26、碳杆；27、扇片；28、外边框；30、套筒销装置。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
29.实施例：一种基于类羽毛状机翼的仿生飞行器，如图1-3所示，包括机架1，机架1上设有电机2，采用空心杯电机作为该仿生飞行器的机械能产生装置并采用30c的微型航模电池给空心杯电机进行供电；所述电机2的输出端经减速机构连接有曲柄滑块机构；所述的减速机构包括设置在机架1上的第一传动轴4和第二传动轴6；所述第一传动轴4上设有一级减速齿轮组3，所述第二传动轴6上设有二级减速齿轮组5；所述电机2的输出端与第一传动轴4连接，所述一级减速齿轮组3与二级减速齿轮组5相啮合，所述一级减速齿轮组3和二级减速齿轮组5作为动力传递装置，使减速比达到22.75：1；所述第二传动轴6的端部连接有曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括有两个铝块7和一个把手零件9构成；所述机架1上穿设有与曲柄滑块机构连接的中心杆12，中心杆12与把手零件9连接；所述中心杆12经第一旋转轴承15转动连接有机翼架11；所述中心杆12的外部套有连接在机架1上的杆套8，杆套8经第二旋转轴承14连接有支撑座10；所述支撑座10位于机翼架11的下方，；所述支撑座10的两侧作为支点端分别铰接有叉手16；所述机翼架11的两侧分别铰接有驱动背板17，驱动背板17的中部与叉手16的上间隙铰接；所述驱动背板17上端设有套筒销装置30，套筒销装置30连接有机翼机构13；所述机翼机构13包括与套筒销装置30连接的前缘杆21，前缘杆21上设有安定面22，安定面22上设有多片类羽毛扇片机构；安定面22是由聚酰亚胺薄膜和复合材料碳杆梁构成。如图4-7所示，所述的类羽毛扇片机构包括套筒装置23、第三旋转轴承24、限位杆25、碳杆26和扇片27，所述套筒装置23铰接在安定面22的外边缘上，套筒装置23的内部设置第三旋转轴承24，第三旋转轴承24将扇片27上的碳杆26配合在套筒装置23内；所述套筒装置23的一侧设置限位杆25限位。所述扇片27的外边设有外边框28，所述外边框28采用铝制材料。本发明的扇片27上的碳杆26通过轴承配合在套筒装置23内，同时在套筒装置23一侧设置铰接好的限位杆25，控制扇片27在进行拍打运动过程中的扭转角度。同时扇片27的边
缘的外边框28使用了铝制材料，能使扇片27在拍打过程中具有一定的抗击打能力。所述的支撑座10和机翼架11均为h型，且机翼架11的长度短于支撑座10的长度，即支撑座10和机翼架11为对称构型，便于两个机翼机构13的安装铰接。同时也能使中心杆12进行竖直往复运动时让驱动背板17的旋转范围更大，从而带动机翼机构13的上拍与下拍的幅度更大，产生升力的能力更强。
30.本飞行器中电机2的旋转运动经由两级减速齿轮组机构，驱动曲柄滑块机构运动，带动中心杆12上下运动，再通过机翼架11、叉手16、支撑座10、驱动背板17形成的运动传递机构，将中心杆12的往复直线运动转化成机翼的拍动运动，即中心杆12下移扑旋翼进入上拍状态，中心杆12上移扑旋翼进入下拍状态。同时扑旋翼的旋转运动是由机翼扑动产生的反卡门涡街形成的。本发明的中心杆12穿过支撑座10，中心杆12与支撑座10之间存在旋转轴承24，使得支撑座10相对于中心杆12存在旋转运动且支撑座10不随中心杆12上下移动，因此支撑座10与叉手16的铰接点位置保持不变；随着中心杆12带动机翼架11上下移动，驱动背板17与水平线的夹角会产生周期性的变化。上述方案将中心杆12的上下直线运动转化成该仿生多模态飞行器的机翼的拍动运动。本发明不仅拥有高效的续航能力，而且具有较高的升力效率。
31.作为进一步的优选，如图3所示，所述套筒销装置30由下挡块181，上挡块182和销块19构成；其中销块19被下挡块181、上挡块182和铰接的驱动背板17限制旋转的范围。所述套筒销装置30的中部设有中心孔20，中心孔20贯穿下挡块181，上挡块182和销块19；所述机翼机构13的前缘杆贯穿进中心孔20内直到与下挡块181固定，所述销块19经下挡块181，上挡块182及驱动背板17的耦合限制使机翼机构13的俯仰角度控制在10
°‑
50
°
内。由于上拍能获得负升力，下拍获得正升力，在10
°‑
50
°
俯仰角控制下，微型飞行器能获得更多的升力和推力，提升飞行效率。
32.工作原理
33.本飞行器中电机2的旋转运动经由两级减速齿轮组机构，驱动曲柄滑块机构运动，带动中心杆12上下运动，再通过机翼架11、叉手16、支撑座10、驱动背板17形成的运动传递机构，将中心杆12的往复直线运动转化成机翼的拍动运动，即中心杆12下移扑旋翼进入上拍状态，中心杆12上移扑旋翼进入下拍状态。同时扑旋翼的旋转运动是由机翼扑动产生的反卡门涡街形成的。本发明的中心杆12穿过支撑座10，中心杆12与支撑座10之间存在第一旋转轴承和第二旋转轴承，使得支撑座10相对于中心杆12存在旋转运动且支撑座10不随中心杆12上下移动，因此支撑座10与叉手16的铰接点位置保持不变；随着中心杆12带动机翼架11上下移动，驱动背板17与水平线的夹角会产生周期性的变化。上述方案将中心杆12的上下直线运动转化成该仿生多模态飞行器的机翼的拍动运动。本发明不仅拥有高效的续航能力，而且具有较高的升力效率。