一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器

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1.本发明涉及飞行器技术领域，具体是指一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器。

背景技术：

2.发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器是一种根据自然界鸟类及昆虫的飞行特点、身体结构等设计的微型飞行器，其特征是尺寸小、重量轻、坚固耐用、拥有很好的飞行灵活性和高升力以及飞行稳定性和抗干扰能力，可以依靠较少的能量进行长时间飞行。由于这些突出的优点，发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器在民用和国防领域有广阔的应用前景。
3.鸟类和昆虫能够如此灵活的在空中飞行，完成各种复杂的动作，正是扑翼飞行给他们提供的极强机动性。扑翼飞行的方式在很多方面都比现有的固定翼和旋翼飞行更有优势，扑翼飞行通过扇动扑翼产生升力，通过扑动频率控制速度，通过扑翼角度变化实现偏航，这种飞行方式给飞行器制造提供了一种新的实现方案。
4.国内对于发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的研究起步较晚，国内研发出的发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器相比于国外的机械结构较为简单，传动效率较低、功能较少，大部分研究仍处于理论分析阶段。大部分扑翼飞行器与真实鸟类或昆虫的扑翼运动相差较大，没有达到最优的气动性能，无法有效利用扑翼带来的大升力；目前市面上的扑翼飞行器多以平面曲柄摇杆机构进行驱动，这种驱动方式只能实现扑翼的上下扑动，其中应用最广泛的是双曲柄摇杆机构，该机构通过一个主动齿轮带动一个大小相同的从动齿轮，再结合平面曲柄摇杆机构，实现两侧扑翼的对称扑动。
5.仿生学研究表明，真实鸟类与昆虫在飞行时，翅膀翅尖大多呈现出类似“8”字形的轨迹，这种扑翼方式相比与现有常见的上下扑动具有更优的气动性能和传动效率；国内南京航空航天大学的朱保利提出了一种由两自由度驱动的七杆八铰链机构，实现了“8”字形的翼尖轨迹，但是其体积过大，结构繁琐，传动效率低。不适用于微型飞行器的传动机构设计。

技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，克服以上技术问题，提供一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，包括机架、传动系统、平面四杆机构、空间四杆机构、电机架、翅膀机构、支撑杆及尾翼机构，所述机架、电机架、尾翼机构固定在支撑杆上，所述传动系统安装在机架和电机架上，所述机架上设有输出轴，所述传动系统通过齿轮传动带动输出轴转动，所述平面四杆机构设有两套，且分别安装在输出轴的两端，所述空间四杆机构设有两套，并分别与两套平面四杆机构相连，所述翅膀机构设有两套，分别安装在两套空间四杆机构上。
8.所述传动系统包括驱动电机、电机轴、电机轴齿轮、大齿轮、传动轴、小齿轮伞、大
齿轮伞和输出轴，所述传动轴设置于机架和电机架之间，传动轴穿过机架；所述大齿轮和小齿轮伞均安装在传动轴上，且同步转动；输出轴安装在机架上，大齿轮伞安装在输出轴上；输出轴与传动轴相互垂直；驱动电机安装在电机架上，电机轴齿轮安装在驱动电机的电机轴上，大齿轮与电机轴齿轮啮合；小齿轮伞与大齿轮伞啮合；小齿轮伞安装于传动轴的自由端。
9.所述平面四杆机构包括曲柄、平面连杆、平面摇杆和同步钢轴；曲柄的一端固定安装在输出轴的端头，另一端与平面连杆的第一端形成第一转动副；平面连杆的第二端与平面摇杆的第一端形成第二转动副；所述平面摇杆的第二端设有第三转动副，并通过第三转动副与机架相连，两套平面四杆机构之间通过同步钢轴相连。
10.所述空间四杆机构包括万向节、空间连杆、空间摇杆；所述空间连杆第一端与万向节形成第四转动副，所述万向节另一侧设有第五转动副，所述平面连杆上设有孔一，所述万向节通过第五转动副安装在孔一上，所述空间连杆的第二端与空间摇杆的第一端形成第六转动副，所述空间摇杆上设有球副，并通过球副与机架连接，所述空间摇杆的第二端设有孔二，所述孔二上固定安装有翅膀机构。
11.所述尾翼机构包括尾翼连接件、平翼、竖翼、摆翼、摆动驱动器；所述尾翼连接件的第一端固定安装在支撑杆上，所述尾翼连接件的第二端设有孔三，所述尾翼连接件的第二端通过孔三与平翼的前端连接，所述竖翼的底部与平翼对称轴处连接，所述摆翼与竖翼的尾部通过摆动驱动器连接；所述平翼水平放置，所述竖翼竖直放置，所述平翼与竖翼相互垂直，所述摆动驱动器可以驱动摆翼在机架对称方向左右摆动。
12.进一步的，所述机架包括本体、设置于本体前部的平面摇杆固定架、设置于所述本体前部的一对球副支撑杆和一对输出轴支撑杆；所述平面摇杆固定架上有平面摇杆安装孔；球副支撑杆上设置有球副安装孔；输出轴支撑杆上设置有输出轴安装孔；本体下侧设置有传动轴安装孔；本体中部设置有电机轴安装孔；本体两侧设置有电机架安装孔；本体上侧设置有支撑杆安装孔。
13.进一步的，所述电机架上设置有支撑杆安装孔；中心设置有电机安装孔；两侧设置有固定在机架上的定位孔；底部设置有传动轴安装孔。
14.进一步的，所述支撑杆上还安装有电池和驱动电机控制板，所述电池、驱动电机、驱动电机控制板电性相连。
15.进一步的，所述驱动电机为720空心杯电机。
16.进一步的，所述平面四杆机构和空间四杆机构为3d打印件，材料为光敏树脂。
17.本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用单电机驱动方式，采用二级减速即输出所需转速，提高了能量利用率，利用对称布置的平面四杆和空间四杆机构，实现与真实鸟类和昆虫类似的“8”字形翼尖轨迹，能够实现两侧同步运转，具有较大飞行升力的同时，提高了扑翼机构运动的稳定性，利用小齿轮伞和大齿轮伞实现输出变向，使整体结构趋于合理，便于各零件的安装，同时结构紧凑、传动效率高；尾翼利用摆动驱动器控制左右运动，简化结构，提高效率，使飞行器能够实现多自由度的飞行；利用空心杯电机和微型驱动电机控制器，能实现较低转速至较高转速的稳定调节，适应不同飞行速度；整体的发明提供的一种8 字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器具有轻重量，结构紧凑，传动效率高，气动性能好，飞行姿态多，仿生性高的优点。
附图说明
18.图1为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的一种实施方案的结构示意图。
19.图2为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的一种实施方案的等轴测后视图。
20.图3为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的传动系统的结构示意图。
21.图4为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的平面四杆机构的结构示意图。
22.图5为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的空间四杆机构的结构示意图。
23.图6为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的电机架的结构示意图。
24.图7为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的尾翼机构的结构示意图。
25.图8为本发明提供的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器的机架的结构示意图。
26.如图所示：1、机架；100、本体；101、平面摇杆固定架；102、平面摇杆安装孔；103、球副支撑杆；104、球副安装孔；105、输出轴支撑杆；106、输出轴安装孔；107、传动轴安装孔；108、电机轴安装孔；109、电机架安装孔；110、支撑杆安装孔；2、传动系统；201、驱动电机；202、电机轴；203、电机轴齿轮；204、大齿轮；205、传动轴；206、小齿轮伞； 207、大齿轮伞；208、输出轴；3、平面四杆机构；301、曲柄；302、平面连杆；303、平面摇杆；304、第一转动副；305、孔一；306、同步钢轴；307、第三转动副；4、空间四杆机构； 401、万向节；402、空间连杆；403、空间摇杆；404、第四转动副；405、第六转动副；406、球副；407、孔二；5、电机架；501、支撑杆安装孔；502、电机安装孔；503、定位孔；504、安装孔；6、翅膀机构；7、支撑杆；8、尾翼机构；801、尾翼连接件；802、平翼；803、竖翼；804、摆翼；805、摆动驱动器；806、孔三。
具体实施方式
27.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通
技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.结合附图，一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，包括机架1、传动系统2、两套平面四杆机构3、两套空间四杆机构4、电机架5、翅膀机构6、支撑杆7、尾翼机构8；机架1、电机架5、尾翼机构8固定在支撑杆7上；传动系统2安装在机架1和电机架5上；机架1 上固定输出轴208；传动系统2通过齿轮传动带动输出轴208转动。
31.如图3所示，传动系统2包括驱动电机201、电机轴202、电机轴齿轮203、大齿轮204、传动轴205、小齿轮伞206、大齿轮伞207和输出轴208，传动轴205设置于机架1和电机架 5之间，传动轴205穿过所述机架1；大齿轮204和小齿轮伞206安装在传动轴205上；输出轴208安装在机架1上，大齿轮伞207安装在输出轴208上；输出轴208与传动轴205相互垂直；驱动电机201安装在电机架5上，电机轴齿轮203安装在驱动电机201的电机轴202 上，大齿轮204与电机轴齿轮203啮合；小齿轮伞206与大齿轮伞207啮合；小齿轮伞206 安装于传动轴205的自由端；小齿轮伞206与大齿轮伞207同轴同步转动。
32.如图4所示，两套平面四杆机构3安装在输出轴208的两端；平面四杆机构3包括曲柄 301、平面连杆302、平面摇杆303和同步钢轴306；曲柄301的一端固定安装在输出轴208 的端头，另一端通过第一转动副304连接平面连杆302的第一端；平面连杆302上孔一305 的运动等价于空间四杆机构4中的空间曲柄；孔一305用于与空间四杆机构4的连接；平面连杆302的第二端与平面摇杆303的第一端形成第二转动副；平面摇杆303的第二端通过第三转动副307与机架1连接；两套平面四杆机构3之间通过同步钢轴306来保持相对位置不变，实现同步运动。曲柄301、平面连杆302、平面摇杆303和机架1的局部形成闭环，构成平面四杆机构3。
33.如图5所示，两套空间四杆机构4安装在两套平面四杆机构3的外侧；空间四杆机构4 包括空间连杆402和空间摇杆403；空间连杆402的第一端与万向节401形成第四转动副404；万向节401通过第五转动副安装在平面连杆302上的孔一305上；空间连杆402的第二端与空间摇杆403的第一端形成第六转动副405；空间摇杆403的第二端上的孔二407上固定安装翅膀机构6；空间摇杆403与机架1通过球副406连接。平面四杆机构3、空间连杆402、空间摇杆403和机架1的局部形成闭环，构成空间四杆机构4。
34.翅膀机构6安装在两套空间四杆机构4上，翅膀机构6的第一端通过孔二407固定安装在空间摇杆403的第二端；翅膀机构6的第二端为自由端；
35.如图6所示，电机架5上设置有支撑杆安装孔501；中心设置有电机安装孔502；两侧设置有固定在机架1上的定位孔503；底部设置有传动轴安装孔504；
36.如图7所示，尾翼机构8包括尾翼连接件801、平翼802、竖翼803、摆翼804、摆动驱动器805；尾翼连接件801的第一端固定安装在支撑杆7上；尾翼连接件801的第二端与平翼802的前端通过孔三806固定连接；竖翼803的底部与平翼802对称轴处连接；摆翼804 与竖翼803的尾部通过摆动驱动器805连接；平翼802水平放置；竖翼803竖直放置；平翼 802与竖翼803相互垂直；摆动驱动器805可以驱动摆翼804在机架对称方向左右摆动。
37.如图8所示，机架1包括本体100、设置于本体前部的平面摇杆固定架101、设置于本体前部的一对球副支撑杆103和一对输出轴支撑杆105；平面摇杆固定架101上有平面摇杆安装孔102；球副支撑杆103上设置有球副安装孔104；输出轴支撑杆105上设置有输出轴安装孔106；本体100下侧设置有传动轴安装孔107；本体100中部设置有电机轴安装孔108；本
体两侧设置有电机架安装孔109；本体100上侧设置有支撑杆安装孔110。
38.作为本发明的一个实施例，机架1、电机架5、平面四杆机构3、空间四杆机构4均为3d 打印件，材料为光敏树脂；翅膀机构6的骨架采用碳纤维粘接而成，其上再利用聚酯薄膜进行包裹；驱动电机201选用型号为720的空心杯电机；所有转动副连接处均采用钢轴连接；支撑杆7材料选用碳纤维；支撑杆7上还需安装锂电池和驱动电机控制板，电池、驱动电机、驱动电机控制板直接通过线路连接。
39.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：包括机架(1)、传动系统(2)、平面四杆机构(3)、空间四杆机构(4)、电机架(5)、翅膀机构(6)、支撑杆(7)及尾翼机构(8)，所述机架(1)、电机架(5)、尾翼机构(8)固定在支撑杆(7)上，所述传动系统(2)安装在机架(1)和电机架(5)上，所述机架(1)上设有输出轴(208)，所述传动系统(2)通过齿轮传动带动输出轴(208)转动，所述平面四杆机构(3)设有两套，且分别安装在输出轴(208)的两端，所述空间四杆机构(4)设有两套，并分别与两套平面四杆机构(3)相连，所述翅膀机构(6)设有两套，分别安装在两套空间四杆机构(4)上。2.根据权利要求1所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述传动系统(2)包括驱动电机(201)、电机轴(202)、电机轴齿轮(203)、大齿轮(204)、传动轴(205)、小齿轮伞(206)、大齿轮伞(207)和输出轴(208)，所述传动轴(205)设置于机架(1)和电机架(5)之间，传动轴(205)穿过机架(1)；所述大齿轮(204)和小齿轮伞(206)均安装在传动轴(205)上，且同步转动；输出轴(208)安装在机架(1)上，大齿轮伞(207)安装在输出轴(208)上；输出轴(208)与传动轴(205)相互垂直；驱动电机(201)安装在电机架(5)上，电机轴齿轮(203)安装在驱动电机(201)的电机轴(202)上，大齿轮(204)与电机轴齿轮(203)啮合；小齿轮伞(206)与大齿轮伞(207)啮合；小齿轮伞(206)安装于传动轴(205)的自由端。3.根据权利要求1所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述平面四杆机构(3)包括曲柄(301)、平面连杆(302)、平面摇杆(303)和同步钢轴(306)；曲柄(301)的一端固定安装在输出轴(208)的端头，另一端与平面连杆(302)的第一端形成第一转动副(304)；平面连杆(302)的第二端与平面摇杆(303)的第一端形成第二转动副；所述平面摇杆(303)的第二端设有第三转动副(307)，并通过第三转动副(307)与机架(1)相连，两套平面四杆机构(3)之间通过同步钢轴(306)相连。4.根据权利要求3所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述空间四杆机构(4)包括万向节(401)、空间连杆(402)、空间摇杆(403)；所述空间连杆(402)第一端与万向节(401)形成第四转动副(404)，所述万向节(401)另一侧设有第五转动副，所述平面连杆(302)上设有孔一(305)，所述万向节(401)通过第五转动副安装在孔一(305)上，所述空间连杆(402)的第二端与空间摇杆(403)的第一端形成第六转动副(405)，所述空间摇杆(403)上设有球副(406)，并通过球副(406)与机架(1)连接，所述空间摇杆(403)的第二端设有孔二(407)，所述孔二(407)上固定安装有翅膀机构(6)。5.根据权利要求1所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述尾翼机构(8)包括尾翼连接件(801)、平翼(802)、竖翼(803)、摆翼(804)、摆动驱动器(805)；所述尾翼连接件(801)的第一端固定安装在支撑杆(7)上，所述尾翼连接件(801)的第二端设有孔三(806)，所述尾翼连接件(801)的第二端通过孔三(806)与平翼(802)的前端连接，所述竖翼(803)的底部与平翼(802)对称轴处连接，所述摆翼(804)与竖翼(803)的尾部通过摆动驱动器(805)连接；所述平翼(802)水平放置，所述竖翼(803)竖直放置，所述平翼(802)与竖翼(803)相互垂直，所述摆动驱动器(805)可以驱动摆翼(804)在机架(1)对称方向左右摆动。6.根据权利要求1所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述机架(1)包括本体(100)、设置于本体(100)前部的平面摇杆固定架(101)、设置于所述本体前部的一对球副支撑杆(103)和一对输出轴支撑杆(105)；所述平面摇杆固定架(101)上有平
面摇杆安装孔(102)；球副支撑杆(103)上设置有球副安装孔(104)；输出轴支撑杆(105)上设置有输出轴安装孔(106)；本体(100)下侧设置有传动轴安装孔(107)；本体(100)中部设置有电机轴安装孔(108)；本体(100)两侧设置有电机架安装孔(109)；本体(100)上侧设置有支撑杆安装孔(110)。7.根据权利要求2所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述电机架(5)上设置有支撑杆安装孔(501)；中心设置有电机安装孔(502)；两侧设置有固定在机架(1)上的定位孔(503)；底部设置有传动轴安装孔(504)。8.根据权利要求2所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述支撑杆(7)上还安装有电池和驱动电机控制板，所述电池、驱动电机(201)、驱动电机控制板电性相连。9.根据权利要求2所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述驱动电机(201)为720空心杯电机。10.根据权利要求1所述的一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，其特征在于：所述平面四杆机构(3)和空间四杆机构(4)为3d打印件，材料为光敏树脂。

技术总结

本发明公开了一种8字形翼尖轨迹的扑翼微型飞行器，包括机架、传动系统、平面四杆机构、空间四杆机构、电机架、翅膀机构、支撑杆及尾翼机构。本发明利用单电机驱动方式，采用二级减速即输出所需转速，提高了能量利用率，利用对称布置的平面四杆和空间四杆机构，实现与真实鸟类和昆虫类似的“8”字形翼尖轨迹，具有较大飞行升力的同时，提高了扑翼机构运动的稳定性，利用小齿轮伞和大齿轮伞实现输出变向，便于各零件的安装；尾翼利用摆动驱动器控制左右运动，简化结构，提高效率，使飞行器能够实现多自由度的飞行；整体的扑翼微型飞行器具有轻重量，结构紧凑，传动效率高，气动性能好，飞行姿态多，仿生性高的优点。仿生性高的优点。仿生性高的优点。