一种扑翼飞行器的仿生翼面及其折叠扑动结构

本发明涉及扑翼飞行器的机翼及驱动结构领域，具体涉及一种扑翼飞行器的仿生翼面及其折叠扑动结构。

背景技术：

1、扑翼飞行器是一种仿生学的飞行器，它的设计灵感来自于鸟类的飞行方式。与传统的固定翼扑翼飞行器不同，仿生折叠翼扑翼飞行器通过在飞行中折叠其翼形来产生升力和推力，从而实现飞行。在鸟类飞行时，翅膀会产生折叠，使其能获得更好的气动效果。仿生扑翼飞行器在飞行过程中也要通过一些结构的变化来提升其本身的气动特性。目前国内外已经在扑翼飞行器的机翼的结构方面有了一定的研究。如2022年广西大学蔡毓在“折叠翼飞行器设计与气动仿真分析”论文中介绍了一种“拍打－折叠”扑翼机构，实现机翼在拍打的同时能垂直于体轴方向进行折叠运动，并经行了气动分析。2022年西班牙塞维利亚大学cristina ruiz等人在“optimal elastic wing for flapping-wing robots throughpassive morphing”论文中介绍了一种具有可变形机翼的扑翼飞行器，通过实验发现其升力提高了16％。

2、然而，目前对变形翼扑翼飞行器的研究大多数是在垂直于体轴面内进行变形，平行于体轴所在平面内的变形极少，且在动物飞行过程翅膀在平行与体轴平面内的折叠运动真实存在。现有扑翼飞行器能在体轴平面内的机翼折叠机构大多数复杂，质量大，且需要添加除驱动扑动机构以外的驱动元件，相比无折叠功能的扑翼飞行器，需要增加很多的质量来实现机翼的折叠运动和控制，使得飞行器飞行过程中的机翼的产生的惯性力较大，不利于飞行的稳定性、折叠扑动相互协调的控制和降低扑翼飞行器的能耗。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，提出了一种扑翼飞行器的仿生翼面及其折叠扑动结构，采用一个驱动元件实现扑翼飞行器扑动和机翼展开。

2、本发明的技术方案为：所述仿生扑翼飞行器包括机身、一对折叠机翼、v型尾翼，一对折叠机翼和v型尾翼分别对称的分布在扑翼飞行器的机身两侧；

3、所述折叠机翼包括与机身相连的翼杆(2)以及连接在翼杆(2)上的翼膜(1)；

4、所述翼杆(2)包括机翼杆一(3)、机翼杆二(4)、外翼杆一(5)和外翼杆二(6)，所述机翼杆一(3)的中部和机翼杆二(4)的中部铰接，所述外翼杆二(6)的根部铰接所述机翼杆一(3)，所述外翼杆一(5)的两端则分别铰接机翼杆二(4)和外翼杆二(6)，使得机翼杆一(3)、机翼杆二(4)、外翼杆一(5)和外翼杆二(6)四者之间形成一菱形；采用此菱形机构实现机翼的折叠，结构简单质量轻，相比复杂的机翼折叠机构有利于减小机翼在扑动和折叠过程中所产生的惯性力，从而有利于飞行器飞行的稳定性。

5、在机身上铰接有可以上下翻转的连接件一(8)，所述机翼杆二(4)的根部铰接在连接件一(8)上，并且机翼杆二(4)可以相对于连接件一(8)前后摆动；

6、在所述机身上还固定连接有沿其长度方向设置的杆件(11)，在所述杆件(11)上套装有与其滑动相连的连接件三(10)，所述连接件三(10)上铰接有可以上下翻转的连接件二(9)，所述机翼杆一(3)的根部铰接在连接件二(9)上，并且机翼杆一(3)可以相对于连接件二(9)前后摆动；这样，当机翼杆二(4)相对于机身上下摆动时，由于机翼杆一(3)的根部与机身处在自由上下翻转的状态，因此，机翼杆一(3)、机翼杆二(4)、外翼杆一(5)和外翼杆二(6)四者也将做出同步的上下翻转；而当机翼杆一(3)的根部和机翼杆二(4)的根部之间的间距出现变化，即当连接件三(10)在杆件(11)上滑动时，受菱形结构影响，将使得机翼杆一(3)、机翼杆二(4)、外翼杆一(5)和外翼杆二(6)四者可以同步向内收缩或同步向外展开；

7、所述仿生扑翼飞行器还包括固定安装在所述机身上的电机(12)，与电机(12)保持联动的齿轮六(19)，连接在齿轮六(19)和机翼杆一(3)之间的连接杆二(21)，以及连接在齿轮六(19)和连接件三(10)之间的连接杆一(20)；

8、所述齿轮六(19)垂直于机身的长度方向布置，并且其中心转动连接在机身上，所述连接杆二(21)的一端通过球面铰活动连接在齿轮六(19)的表面上，另一端则通过球销铰活动连接所述连接件一(8)，所述连接杆一(20)的两端则直接铰接齿轮六(19)的表面以及连接件三(10)。这样，当电机收到信号开始旋转之后，将带动齿轮六(19)绕自身轴心旋转，此后，齿轮六19、连接杆二21和连接件一8构成的扑动机构将在球铰结构的影响下使得连接件一8以及翼杆2整体做上下往复运动，而齿轮六19、连接杆一20和连接件三10构成的折叠机构，亦是一曲柄滑块机构，将使得连接件三10做出前后往复滑动，从而使得翼杆2整体折叠或展开。

9、最终，通过一个驱动元件实现了折叠与扑动，折叠和扑动驱动结构简单轻便，在飞行过程中，当机翼下扑时在机身两侧的机翼逐渐张开，增大其翼面的面积，从而提升其升力；当机翼上扑时在机身两侧的机翼逐渐折叠减少其翼面的面积，从而减少其上扑时带来的阻力，提升了扑翼飞行器在飞行过程中的气动特性，降低了飞行能耗。

10、此外本发明的机翼折叠机构较为简单，轻便，运用到扑翼飞行器上有利于减小因为增加折叠机构而带来的重量。减小折叠翼增加的重量有利于降低扑翼飞行器在飞行过程中由于机翼上下扑动和折叠运动而产生的惯性力，降低受机翼惯性力的影响飞行动作姿态发生突变的可能性，从而保证了飞行的稳定性，降低了飞行器需克服自身质量和运动惯性力而消耗的能量。本发明折叠机构能在不工作的状态下进行折叠，方便扑翼飞行器的收纳和运输。机翼的折叠和扑动采用同一驱动元件，通过巧妙的结构设计使飞行器机翼的折叠和扑动相互协调，减少了因为增加折叠机构而需要增加的额外的驱动元件及其电子设备的质量，避免了对单独驱动飞行器机翼折叠和扑动运动的驱动元件的协调控制设计。本发明中机翼及其折叠扑动机构，结构简单，便于设计和控制，质量小，在减小飞行器飞行中的惯性力，提升飞行的稳定性，降低飞行中的能耗有显著的作用。本发明的折叠翼结构对于负载能力小，尺寸较小的扑翼飞行器同样适用。

11、进一步的，所述翼膜(1)为超薄的tpu软膜，翼膜(1)的前沿粘贴在翼杆(2)的前缘上，随着翼杆结构的变化而发生折叠和展开。以左侧机翼为例，翼膜(1)的前沿从内向外分别粘贴在机翼杆二(4)、机翼杆一(3)、外翼杆二(6)的部分位于翼杆前缘的部分。在翼杆(2)的下方，还装有翼面支撑杆(49)、连接件四(50)、连接件五(51)用来固定翼面，从而保证翼面的气动效果。翼面支撑杆(49)的一端同时与机翼杆一(3)及外翼杆二(6)铰接，另一端与翼膜(1)固定相连，所述连接件四(50)与机翼杆二(4)及外翼杆一(5)铰接，翼面支撑杆(49)贯穿连接件四(50)，并与其滑动连接。当翼杆(2)发生角度变化时，翼面支撑杆(49)与连接件四(50)可随之发生相对滑动。连接件五(51)固定安装在翼面支撑杆(49)上，且其上方与翼膜(1)粘连，起到固定作用。

12、进一步的，所述电机(12)和齿轮六(19)之间通过二级减速传动机构保持联动；二级减速齿轮总减速比为10；

13、所述二级减速传动机构包括齿轮一(13)、齿轮二(15)、齿轮三(16)、齿轮四(17)、齿轮五(18)、齿轮六(19)。齿轮三(16)固定连接在电机(12)的输出轴上，并且与齿轮五(18)相互啮合，实现一级减速。转动连接在机身上的齿轮一(13)、齿轮四(17)、齿轮五(18)同轴且相互固定，转速相同，可绕同一转轴轴二(27)转动。齿轮一(13)、齿轮四(17)对称安装在机身外侧，齿轮五(18)安装在机身内侧。齿轮二(15)、齿轮六(19)固定安装在同一转轴轴一(25)上，两齿轮对称安装在机身外侧，转速相同。齿轮一(13)与齿轮二(15)相互啮合，齿轮四(17)与齿轮六(19)相互啮合，实现二级减速。齿轮一(13)齿数为10、齿轮二(15)齿数为40、齿轮三(16)齿数为20、齿轮四(17)齿数为10、齿轮五(18)齿数为50、齿轮六(19)齿数为40，总减速比为10。

14、进一步的，所述电机(12)通过电调(47)进行转速控制，所述电调(47)则通过接收机(46)输入接收的控制信号，所述电机(12)、电调(47)、接收机(46)均通过电池(44)供电，所述电机(12)、电调(47)、接收机(46)固定布置在机身的一侧，所述电池(44)则布置在机身的另一侧。从而使得扑翼飞行器机身两侧的质量分布更为平衡。

15、进一步的，所述v型尾翼上由一对尾翼组成，在所述尾翼的尾部铰接有尾翼舵面，并且在所述尾翼上设有用于驱动尾翼舵面的舵机，所述舵机也连接接收机。

16、所述扑翼飞行器飞行姿态的控制主要由接收机(46)发出的信号控制，整个扑翼飞行器的机载电子设备包括接收机(46)、电调(47)、电机(12)、电池(44)、舵机一(33)和舵机二(37)，飞手根据扑翼飞行器的飞行任务和飞行姿态通过飞行遥控器发出2.4g信号，由接收机(46)接收，接收机(46)再传送给其他电子设备，通过信号的传递可以实现电机转速、舵机角度的变化，最终调整扑翼飞行器的飞行速度和飞行姿态。

17、本发明采用一个驱动完成扑翼飞行器机翼的扑动和翼面内的折叠，同时巧妙地实现了机翼折叠和扑动运动的协调配合，使得在机翼上扑时翼面折叠，下扑时翼面展开；避免为了实现机翼的折叠和扑动的协调运动对机翼折叠和扑动分别驱动的驱动元件需要进行的复杂控制设计，同时达到了提升机翼上扑极限角度，提高翼面内开合的折叠尺度，在上扑过程中减小翼面尺寸有利于减小机翼扑动阻力，三段式机翼结构与鸟类骨骼结构更类似，仿生性更强的技术效果。本发明主要采用电机驱动齿轮，经过二级减速通过球面副、球销副驱动机翼。驱动机构齿轮同时带动一个曲柄滑块机构实现直线移动从而在扑翼飞行器机翼在扑动的基础上完成折叠运动。机翼折叠采用菱形机构，结构简单，质量轻。在本发明尾部采用v型尾翼结构简单，易于控制；机身采用碳纤维板，质量轻。整个驱动和折叠结构有效解决了扑翼飞行器扑动阻力大，克服了扑翼飞行器负载能力有限的问题。

18、本发明采用一个驱动元件同时实现机翼扑动和体轴平面内折叠的仿生驱动和三段折叠机构，通过对家鸽飞行过程中姿态进行记录，本结构设计的三段翼与家鸽飞行时翅膀的折叠极为相似，仿生性较强。本发明机翼结构简单，采用的碳纤维杆价格低且质量轻能解决扑翼飞行器飞行时负载能力低、复杂折叠结构质量大产生惯性力大，影响到飞行稳定性的难题。在扑翼飞行器飞行气动方面，本发明实现的扑动和折叠配合运动，有效的解决了降低扑翼飞行器机翼上扑时阻力大，浪费能量的难题。

19、本发明具有以下有益效果：

20、一、根据鸟类飞行时翅膀的变化设计了仿生翼面及其折叠扑动结构，具有良好的气动性能。在设计折叠结构的基础上设计了驱动结构和控制方案并使用在扑翼飞行器上，为提升扑翼飞行器的飞行性能提供了一种可靠方案。

21、二、本发明的机翼折叠结构完全模仿鸟类的骨骼，机翼的三段式结构与鸟类的三段式骨骼较为类似。翼膜与机翼杆完全贴合，其变化姿态与机翼杆的变化姿态完全一致。

22、三、本发明将机翼的折叠和扑动结合在一个驱动元件上，采用一个驱动机构实现扑翼飞行器扑动和机翼折叠的协调运动，减少了扑翼飞行器需要搭载的原动件个数，减少了需要增加的机载电子设备的重量，避免了复杂的控制设计，驱动结构可运用到扑翼飞行器的设计方案中。

23、四、本发明扑翼飞行器的机翼的折叠量和扑动的幅度可通过改变结构中机翼杆的杆长和驱动中连接杆的杆长来实现变化，可适用于不同尺寸的类似功能扑翼飞行器，有利于提升一定的飞行气动性能。

24、五、本发明的仿生翼面及其折叠扑动结构和控制简单，在一定程度上增强了扑翼飞行器机翼的下扑升力，实现了扑翼飞行器机翼翼面内的折叠，减小了扑翼飞行器机翼的上扑阻力，提升了机翼上扑极限角度；简单、轻便的机翼折叠结构有利于降低扑翼飞行器的机翼质量，在飞行过程中有利于降低由机翼扑动和折叠所产生的惯性力，减小由惯性力太大而引起的飞行器飞行姿态和速度的突变，提高飞行器飞行稳定性，降低飞行器的能耗，为不同尺寸的扑翼飞行器，尤其是小型扑翼飞行器的设计和提升气动性能提供了一种有效的设计方案。