專利名稱：超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生撲翼飛行機(jī)器人(俗稱機(jī)器飛鳥)的撲動(dòng)系統(tǒng)，尤其涉及一種超
小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
撲翼的飛行方式廣泛存在于自然界飛行生物的飛行之中，撲翼飛行囊括了固定翼 飛行和旋翼飛行的優(yōu)點(diǎn)，可以快速的起飛、加速和懸停，具有高度機(jī)動(dòng)性和靈活性。飛行生 物的飛行方式大致可以分為三類低頻率的撲動(dòng)飛行，如許多大型鳥類(鷹、鷲、大雁、海 鷗、天鵝等)，翼展較長(zhǎng)較大，撲動(dòng)頻率較低，從零到數(shù)十赫茲不等，采用低頻率的撲動(dòng)和滑 翔相結(jié)合的撲動(dòng)形式；中頻的撲動(dòng)飛行，主要為體形中等的鳥類(如燕子、麻雀、鴿子等)， 翅膀不太大，撲動(dòng)頻率相對(duì)較高，極少采用滑翔方式；高頻的撲動(dòng)飛行，這種飛行方式是采 用頻率極高、翅膀的運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜的撲翼形式，如蜂鳥及體形更小的鳥類和大多數(shù)昆蟲，撲 動(dòng)頻率約為60 80赫茲，能夠在空中實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、懸停和其它一些高難度的機(jī)動(dòng)飛行。
超小型飛行器主要是尺寸大小介于無(wú)人飛機(jī)( 一般10m以內(nèi))和微型飛行器(一 般10cm以內(nèi))之間的一類飛行器，一般指外形尺寸在lm以內(nèi)。在超小型飛行器方面，和固 定翼布局相比，仿生撲翼在氣動(dòng)方面，優(yōu)勢(shì)非常明顯，但是，仿生撲翼的布局首先給超小型 飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，尤其是在撲翼的結(jié)構(gòu)、材料以及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微小型 化設(shè)計(jì)方面面臨著較多的技術(shù)難題。撲動(dòng)裝置是仿生超小型飛行器中的核心組成部分，撲 動(dòng)裝置的優(yōu)劣將對(duì)超小型仿生飛行器產(chǎn)生極大的影響。另外，在超小型撲翼飛行器的撲動(dòng) 方式上，比較適合采用低頻、中頻撲動(dòng)，也適合采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 自然界中飛鳥在飛行時(shí)翅膀的運(yùn)動(dòng)是三維的，存在著拍打、擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)撲 動(dòng)裝置時(shí)，必須滿足撲翼的這種運(yùn)動(dòng)方式。目前，在超小型撲翼飛行器方面，撲動(dòng)裝置采用 的是一維的拍打運(yùn)動(dòng)，有些采用一維拍打運(yùn)動(dòng)結(jié)合飛行器尾部舵面控制，都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正 意義上的撲翼三維飛行運(yùn)動(dòng)。在拍打運(yùn)動(dòng)方面，所采用的機(jī)構(gòu)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)或者曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在著左右撲翼運(yùn)動(dòng)不嚴(yán)格對(duì)稱的情況，增加了飛行的不穩(wěn)定性，且 提供的拍打力量不大。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)高度方向尺寸較大，滑塊機(jī)構(gòu)不容易減小重量，也不容 易提供較大的拍打力量，不太適合超小型飛行器對(duì)尺寸的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了提供一種超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，主要是仿生 飛鳥的低頻、中頻撲動(dòng)飛行，它能夠?qū)崿F(xiàn)仿生飛鳥翅膀的拍打、扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的三維飛行運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn) 超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，其特征在于，電機(jī)5通過(guò)齒輪13、齒輪11、齒 輪9、齒輪23、齒輪15、齒輪17、齒輪35嚙合傳動(dòng)，經(jīng)曲柄26搖桿29機(jī)構(gòu)與曲柄33搖桿30 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)左右撲翼同步拍打運(yùn)動(dòng)；電機(jī)12經(jīng)齒輪14、齒環(huán)2嚙合傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)左右撲翼同步扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；電機(jī)4經(jīng)齒輪20、齒輪21嚙合傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)左右撲翼協(xié)調(diào)擺動(dòng)轉(zhuǎn)向。
所述的電機(jī)5經(jīng)過(guò)兩條傳動(dòng)鏈，分別驅(qū)動(dòng)左右撲翼。 所述的電機(jī)5經(jīng)過(guò)兩條傳動(dòng)鏈中的一條驅(qū)動(dòng)右撲翼，其傳動(dòng)鏈?zhǔn)墙?jīng)過(guò)齒輪13、齒 輪11、齒輪15嚙合傳動(dòng)，齒輪15經(jīng)過(guò)軸16與齒輪17固定連接，軸16通過(guò)圓柱副與支架8 相連，齒輪17與齒輪35嚙合傳動(dòng)，齒輪35、銷軸32與曲柄33固定連接，齒輪35通過(guò)軸18 與支架8經(jīng)圓柱副相連，曲柄33通過(guò)軸32與支架24經(jīng)圓柱副相連，銷軸32可在滑槽31 內(nèi)滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)搖桿30上下拍打運(yùn)動(dòng)；所述的電機(jī)5經(jīng)過(guò)兩條傳動(dòng)鏈中的另一條驅(qū)動(dòng)左撲翼， 其傳動(dòng)鏈?zhǔn)墙?jīng)過(guò)齒輪13、齒輪11嚙合傳動(dòng)，齒輪11經(jīng)過(guò)軸10與齒輪9固定連接，軸10通 過(guò)圓柱副與支架8相連，齒輪9與齒輪23嚙合傳動(dòng)，齒輪23、銷軸27與曲柄26固定連接， 齒輪23通過(guò)軸7與支架8經(jīng)圓柱副相連，曲柄26通過(guò)軸27與支架24經(jīng)圓柱副相連，銷軸 27可在滑槽28內(nèi)滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)搖桿29上下拍打運(yùn)動(dòng)。 所述的搖桿30、搖桿29通過(guò)軸36與支架8、支架24以圓柱副形式相連，齒輪15、 齒輪11與齒輪17、齒輪9、齒輪23、齒輪35位于支架8的兩側(cè)，電機(jī)5固定在支架8、支架 24上。 所述的齒環(huán)2與半圓柱環(huán)3固定連接，支架8、支架24固定在半圓柱環(huán)3上面，半 圓柱環(huán)與圓柱支架1、圓柱支架6通過(guò)圓柱副相連，電機(jī)12固定在基座齒輪21上。
所述的圓柱支架1、圓柱支架6與大齒輪21固定連接，大齒輪21與圓柱環(huán)38固 連，圓柱環(huán)38與基座19以圓柱副形式相連，電機(jī)4通過(guò)支撐37、支撐22與基座19固定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有最顯著特點(diǎn)是采用曲柄齒輪搖桿復(fù)合機(jī)構(gòu)，左右撲 翼嚴(yán)格對(duì)稱，具有拍打、扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng)三自由度的撲翼運(yùn)動(dòng)方式。目前現(xiàn)有技術(shù)采用的是一維 的拍打運(yùn)動(dòng)，有些采用了拍打運(yùn)動(dòng)結(jié)合尾部的舵面來(lái)控制飛行，這些都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義 的撲翼三維運(yùn)動(dòng)，而本發(fā)明的撲動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了撲翼三自由度運(yùn)動(dòng)。另外拍打系統(tǒng)采用曲柄 齒輪搖桿復(fù)合機(jī)構(gòu)，比現(xiàn)有采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的撲動(dòng)裝置更具有兩翼?yè)鋭?dòng) 飛行同步對(duì)稱性好，撲翼拍打力度大，撲翼拍打運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置前上方結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置后下方結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
本發(fā)明主要由拍打系統(tǒng)、扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)和擺動(dòng)系統(tǒng)組成。 拍打系統(tǒng)，拍打運(yùn)動(dòng)是最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)，拍打運(yùn)動(dòng)是撲翼飛行器能否飛起來(lái)的決定 性因素。本發(fā)明采用齒輪傳動(dòng)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，即采用曲柄齒輪搖桿聯(lián)合機(jī)構(gòu)，左右 兩邊對(duì)稱布置，齒輪傳動(dòng)采用兩級(jí)減速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的， 一是改變電機(jī)輸出的 轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以便達(dá)到兩搖桿的同步反向運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)兩翼同步上下運(yùn)動(dòng)；二是通過(guò)采用兩級(jí) 齒輪減速傳動(dòng)，以提高扭矩，實(shí)現(xiàn)增大拍打力度。兩翼的主要拍打運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是曲柄齒輪搖 桿復(fù)合機(jī)構(gòu)，兩翼的曲柄齒輪搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置，為了使兩翼產(chǎn)生相同的運(yùn)動(dòng)，從而提高撲 翼飛行器的飛行穩(wěn)定性。
扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)，主要采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)半圓柱環(huán)作為拍打系統(tǒng)的支架，支撐 整個(gè)拍打系統(tǒng)，再設(shè)計(jì)兩個(gè)圓柱支架作為半圓柱環(huán)支架，以圓柱副形式相連。設(shè)計(jì)一個(gè)齒圈 與半圓柱環(huán)固連，電機(jī)通過(guò)與齒圈嚙合傳動(dòng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 擺動(dòng)系統(tǒng)，主要是產(chǎn)生兩撲翼的協(xié)同擺動(dòng)。設(shè)計(jì)一個(gè)大齒輪作為整個(gè)系統(tǒng)的支撐， 支撐整個(gè)系統(tǒng)，該齒輪通過(guò)圓柱副與基座相連，電機(jī)通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)，提供擺動(dòng)的動(dòng)力。
只要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制好拍打，扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序，就可以實(shí)現(xiàn)撲翼飛行器 的復(fù)雜三維飛行運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例如圖1、圖2所示，一種超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝 置，主要由拍打系統(tǒng)、扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)和擺動(dòng)系統(tǒng)組成。拍打系統(tǒng)包括支架8、24，搖桿29、30，齒輪 23、35，曲柄26、33，銷軸27、32，軸7、 18、25、34、36， 10、 16，齒輪9、 17、 11、 15、 13，電機(jī)5組 成。扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括圓柱支架1、6，半圓柱環(huán)3，齒環(huán)2，齒輪14，電機(jī)12組成。擺動(dòng)系統(tǒng)包括 基座19，圓柱環(huán)38，基座齒輪21，齒輪20，支撐22、37，電機(jī)4組成。 本發(fā)明是由三個(gè)電機(jī)4、12、5獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制撲動(dòng)裝置產(chǎn) 生復(fù)雜的三維飛行運(yùn)動(dòng)。三自由度的運(yùn)動(dòng)如下 拍打運(yùn)動(dòng)，即電機(jī)5通過(guò)齒輪13、 11、 15嚙合傳動(dòng)，齒輪15經(jīng)過(guò)軸16與齒輪17固 連，軸16與支架8是圓柱副相連，齒輪17與齒輪35嚙合，齒輪35通過(guò)銷軸32與曲柄33固 連，銷軸32在滑槽31內(nèi)滑動(dòng)，從而使搖桿30產(chǎn)生上下拍打運(yùn)動(dòng)。電機(jī)5另一條傳動(dòng)鏈?zhǔn)?通過(guò)齒輪13、 11嚙合傳動(dòng)，齒輪11經(jīng)過(guò)軸10與齒輪9固定連接，軸10與支架8圓柱副相 連，齒輪9與齒輪23嚙合傳動(dòng)，齒輪23通過(guò)銷軸27與搖桿26固連，銷軸27在滑槽28內(nèi) 滑動(dòng)，從而使搖桿29產(chǎn)生上下拍打運(yùn)動(dòng)。 扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)12經(jīng)過(guò)齒輪14，齒環(huán)2嚙合，齒環(huán)2與整個(gè)拍打系統(tǒng)支撐半圓柱環(huán)
3固連，使半圓柱環(huán)3在圓柱支座1、6內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)兩撲翼的同步扭轉(zhuǎn)。 擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)4通過(guò)齒輪20與基座齒輪21嚙合，電機(jī)4通過(guò)支撐22 、37與基座
齒輪固連，基座齒輪21作為整個(gè)系統(tǒng)的支架，通過(guò)圓柱38與底座19圓柱副相連，從而通過(guò)
齒輪嚙合傳動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)左右兩撲翼協(xié)同擺動(dòng)轉(zhuǎn)向。
權(quán)利要求
超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，其特征在于，電機(jī)(5)通過(guò)齒輪(13)、齒輪(11)、齒輪(9)、齒輪(23)、齒輪(15)、齒輪(17)、齒輪(35)嚙合傳動(dòng)，經(jīng)曲柄(26)搖桿(29)機(jī)構(gòu)與曲柄(33)搖桿(30)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)左右撲翼同步拍打運(yùn)動(dòng)；電機(jī)(12)經(jīng)齒輪(14)、齒環(huán)(2)嚙合傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)左右撲翼同步扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；電機(jī)(4)經(jīng)齒輪(20)、齒輪(21)嚙合傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)左右撲翼協(xié)調(diào)擺動(dòng)轉(zhuǎn)向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，其特征在于，所述的電 機(jī)(5)經(jīng)過(guò)兩條傳動(dòng)鏈，分別驅(qū)動(dòng)左右撲翼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，其特征在于，所述的電 機(jī)(5)經(jīng)過(guò)兩條傳動(dòng)鏈中的一條驅(qū)動(dòng)右撲翼，其傳動(dòng)鏈?zhǔn)墙?jīng)過(guò)齒輪(13)、齒輪(11)、齒輪 (15)嚙合傳動(dòng)，齒輪(15)經(jīng)過(guò)軸(16)與齒輪(17)固定連接，軸(16)通過(guò)圓柱副與支架 (8)相連，齒輪(17)與齒輪(35)嚙合傳動(dòng)，齒輪(35)、銷軸(32)與曲柄(33)固定連接，齒 輪(35)通過(guò)軸(18)與支架(8)經(jīng)圓柱副相連，曲柄(33)通過(guò)軸(32)與支架(24)經(jīng)圓柱 副相連，銷軸(32)可在滑槽(31)內(nèi)滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)搖桿(30)上下拍打運(yùn)動(dòng)；所述的電機(jī)(5)經(jīng) 過(guò)兩條傳動(dòng)鏈中的另一條驅(qū)動(dòng)左撲翼，其傳動(dòng)鏈?zhǔn)墙?jīng)過(guò)齒輪(13)、齒輪(11)嚙合傳動(dòng)，齒 輪(11)經(jīng)過(guò)軸(10)與齒輪(9)固定連接，軸(10)通過(guò)圓柱副與支架(8)相連，齒輪(9) 與齒輪(23)嚙合傳動(dòng)，齒輪(23)、銷軸(27)與曲柄(26)固定連接，齒輪(23)通過(guò)軸(7) 與支架(8)經(jīng)圓柱副相連，曲柄(26)通過(guò)軸(27)與支架(24)經(jīng)圓柱副相連，銷軸(27)可 在滑槽(28)內(nèi)滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)搖桿(29)上下拍打運(yùn)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，其特征在于，所述的搖 桿(30)、搖桿(29)通過(guò)軸(36)與支架(S)、支架(24)以圓柱副形式相連，齒輪(15)、齒輪 (11)與齒輪(17)、齒輪(9)、齒輪(23)、齒輪(35)位于支架(8)的兩側(cè)，電機(jī)(5)固定在支 架(S)、支架(24)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，其特征在于，所述的齒 環(huán)(2)與半圓柱環(huán)(3)固定連接，支架(S)、支架(24)固定在半圓柱環(huán)(3)上面，半圓柱環(huán) 與圓柱支架(1)、圓柱支架(6)通過(guò)圓柱副相連，電機(jī)(12)固定在基座齒輪(21)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置，其特征在于，所述的圓 柱支架(1)、圓柱支架(6)與大齒輪(21)固定連接，大齒輪(21)與圓柱環(huán)(38)固連，圓柱 環(huán)(38)與基座(19)以圓柱副形式相連，電機(jī)(4)通過(guò)支撐(37)、支撐(22)與基座(19)固 定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超小型仿生撲翼飛行器的撲動(dòng)裝置。仿生飛鳥的拍翅飛行是人類古老飛行夢(mèng)想之一，一直延續(xù)至今。在超小型飛行器方面，撲翼飛行方式有其獨(dú)到的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。一種撲翼飛行器能否理想飛行，關(guān)鍵核心是其撲動(dòng)裝置。本發(fā)明提供一種可以模擬飛鳥展翅飛行的具有三自由度的撲動(dòng)裝置，采用曲柄齒輪搖桿復(fù)合機(jī)構(gòu)，分別可以實(shí)現(xiàn)撲翼拍打、扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的三自由度飛行運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，構(gòu)造精巧，可以應(yīng)用于各種機(jī)器飛鳥和各種超小型仿生撲翼飛行器。
文檔編號(hào)B64C33/02GK101734375SQ20081020245
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者胡盛斌, 賈慈力, 陳閔葉 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)