專利名稱：基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微飛行器的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及的是一種基于三角結(jié)構(gòu)的新型撲翼微飛行器。
背景技術(shù)：
作為在任何方向的尺度均不大于6英寸(15cm)的一類飛行器，微飛行器在軍事、工業(yè)和民用領(lǐng)域具有十分廣泛的用途——它可以用來完成諸如偵查、監(jiān)視、搜救的眾多任務(wù)。自從1992年微飛行器這個(gè)概念被提出以來，各種形式的微飛行器就開始逐漸面世。這些微飛行器種類繁多，其所利用的飛行機(jī)理主要有固定翼式飛行、旋翼式飛行和撲翼式飛行。雖然利用前兩種飛行機(jī)理的微飛行器數(shù)量不少，但也應(yīng)該看到，這些種類的微飛行器有著與生俱來的局限。例如，固定翼微飛行器面臨著在低雷諾數(shù)下氣動力的不穩(wěn) 定的問題，旋翼微飛行器面臨著可微性差的問題。與這兩種微飛行器相比，利用撲翼式飛行機(jī)理的微飛行器的優(yōu)點(diǎn)十分突出它不僅可微性好、機(jī)動性高、可低速飛行，而且兼有固定翼微飛行器的高速特點(diǎn)和旋翼微飛行器的懸停功能。另外，具有高超飛行技巧的各種昆蟲也進(jìn)一步證明了撲翼微飛行器良好的發(fā)展前景?；谏鲜鲈?，撲翼微飛行器已經(jīng)成為了國際上的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，西北工業(yè)大學(xué)在2008年曾以“曲柄搖桿”結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出了一種新型撲翼微飛行器，并使其實(shí)現(xiàn)了自由飛行(具體內(nèi)容可以參考Liu，L. &Z.Fang&Z. He. Optimization Designof Flapping Mechanism and Wings for Flapping-WingMAVs[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2008，5314:245-255)。但是該微飛行器兩只翅膀的拍打運(yùn)動并不對稱，這使得尺寸優(yōu)化和后續(xù)的控制變得十分困難，并嚴(yán)重影響了微飛行器的整體性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供一種基于三角結(jié)構(gòu)的新型撲翼微飛行器，該飛行器結(jié)構(gòu)簡潔合理、可微性強(qiáng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)易于裝配和維護(hù)，便于大批量生產(chǎn)從而降低生產(chǎn)成本。為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明所述的一種基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，包括機(jī)架、平行軸結(jié)構(gòu)、運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)、運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)及一對翅膀，其中機(jī)架上直接裝配平行軸結(jié)構(gòu)和運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)；平行軸結(jié)構(gòu)將運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)、運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)和翅膀連成一整體；運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)與平行軸結(jié)構(gòu)的一端相連；運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的中部；翅膀安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的另一端。本發(fā)明中兩翅膀的拍動完全對稱，基本消除了飛行中的不平衡因素，提高了飛行器的整體性能，并使飛行器變得易于控制；同時(shí)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔合理，具有可加工性和可微性，便于采用數(shù)控微加工進(jìn)行批量生產(chǎn)。所述的機(jī)架由多個(gè)零件粘結(jié)而成，或者以三維打印的方式一體成型。所述的平行軸結(jié)構(gòu)由兩根平行軸組成，第一平行軸與運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)相連，第二平行軸與翅膀相連，且在這兩根平行軸之間安裝著運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)。兩根平行軸均只能沿著自身的軸向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并且兩根平行軸的運(yùn)動完全對稱。所述運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)是一種間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使平行軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間歇性的轉(zhuǎn)動。具體而言，所述的運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)由電機(jī)軸、三角結(jié)構(gòu)、擋板組成，三角結(jié)構(gòu)通過過盈配合安裝在電機(jī)輸出軸上面，擋板通過過盈配合安裝在第一平行軸上。所述的三角結(jié)構(gòu)的三個(gè)角兩兩之間的夾角均為120°。所述的運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)由大齒輪和小齒輪組成,所述大齒輪和小齒輪均采用塑料齒輪，大齒輪通過過盈配合安裝在第一平行軸上，小齒輪通過過盈配合安裝在第二平行軸上；大齒輪之間相互嚙合使平行軸結(jié)構(gòu)將間歇性的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的往復(fù)轉(zhuǎn)動，同時(shí)，大齒輪將運(yùn)動傳遞給小齒輪，從而使得兩只翅膀的實(shí)現(xiàn)對稱的拍打運(yùn)動。所述的一對翅膀形狀完全對稱，且均由碳纖維材料的翅脈與聚酰亞胺材料的薄膜組成，這里的翅脈包括翅膀前緣的主脈、翅膀根部的輔脈和翅膀表面的輔脈，通過調(diào)節(jié)這三 根翅脈的長度與直徑，能夠?qū)Τ岚虻男阅苓M(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明中，平行軸結(jié)構(gòu)的兩根平行軸均為階梯軸，第一平行軸與三角結(jié)構(gòu)、擋板和大齒輪相配合，將電機(jī)輸出的連續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成往復(fù)轉(zhuǎn)動；第二平行軸通過與大齒輪、小齒輪的配合，將第一平行軸的往復(fù)旋轉(zhuǎn)的幅度放大并傳遞給翅膀；翅膀固連在第二平行軸上面。本發(fā)明在飛行時(shí)需設(shè)定一個(gè)初始攻角，使得翅膀沿著一個(gè)向前下方傾斜的平面進(jìn)行拍打。柔性的存在會使得翅膀在上下?lián)鋭舆^程中發(fā)生變形，產(chǎn)生被動旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對整架微飛行器的氣動性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣一來，微飛行器將不但能夠產(chǎn)生向上的升力，還能夠產(chǎn)生向前的推力，支撐飛行器飛行。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔合理、可微性強(qiáng)，適合在撲翼微飛行器上進(jìn)行應(yīng)用。機(jī)架可由簡單的零件粘接在一起，也可以通過三維打印進(jìn)行一體化加工，加工容易，便于采用數(shù)控微加工批量生產(chǎn)；齒輪組、軸承和空心杯電機(jī)都采用了標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，維護(hù)十分方便；空心杯電機(jī)作為本發(fā)明的驅(qū)動源，不需要很高的電源電壓，這便于微飛行器自己攜帶電源以實(shí)現(xiàn)自主飛行。本發(fā)明整個(gè)結(jié)構(gòu)易于裝配和維護(hù)，便于大批量生產(chǎn)從而降低生產(chǎn)成本。


圖I為本發(fā)明一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖中機(jī)架I、電機(jī)輸出軸2、第一平行軸3、第二平行軸4、三角結(jié)構(gòu)5、擋板6、大齒輪7、小齒輪8、翅膀9。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的解釋，但是以下的內(nèi)容不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖I所示，本實(shí)施例提供一種基于三角結(jié)構(gòu)的新型撲翼微飛行器，包括機(jī)架I、電機(jī)輸出軸2、第一平行軸3、第二平行軸4、三角結(jié)構(gòu)5、擋板6、大齒輪7、小齒輪8以及翅膀9，其中機(jī)架I為整架微飛行器提供了一個(gè)整體框架；電機(jī)輸出軸2將電機(jī)的運(yùn)動傳遞給了其他部分；第一平行軸3與三角結(jié)構(gòu)5、擋板6和大齒輪7相配合，將電機(jī)輸出的連續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成往復(fù)轉(zhuǎn)動；第二平行軸4通過與大齒輪7、小齒輪8的配合，將第一平行軸3的往復(fù)旋轉(zhuǎn)的幅度放大并傳遞給翅膀9 ;翅膀9則固連在第二平行軸4上面。所述的機(jī)架I由多個(gè)零件粘接而成，它所用的材料為輕質(zhì)塑料，易于加工且成本較低；主要用來安裝電機(jī)輸出軸2、第一平行軸3與第二平行軸4，電機(jī)輸出軸2、第一平行軸3與第二平行軸4通過機(jī)架I的約束保持高度的平行，且不易發(fā)生松動。通過粘接制作機(jī)架的這種加工方式比較簡單，便于實(shí)施；也可以通過三維打印的方法制作機(jī)架，這樣可以進(jìn)一步提聞精度。所述的電機(jī)輸出軸2是微電機(jī)的輸出軸，所用材料為常見的不銹鋼；該軸是整架微飛行器的運(yùn)動源頭，通過三角結(jié)構(gòu)5將運(yùn)動傳遞給平行軸。所述的第一平行軸3是典型的階梯軸，所用的材料為輕質(zhì)塑料；第一平行軸3安裝在機(jī)架I上面，具體而言，由于通孔以及軸承的限制，第一平行軸3只具有沿著自身軸向進(jìn)行轉(zhuǎn)動的自由度；第一平行軸3在飛行器中一共有兩根，分布在電機(jī)輸出軸兩側(cè)，且互相平行，運(yùn)動完全對稱；第一平行軸3主要作用是接收輸入的往復(fù)轉(zhuǎn)動。
所述的第二平行軸4也是典型的階梯軸，材料采用輕質(zhì)塑料；同樣，第二平行軸4也只能沿著自身的軸向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并且飛行器中的兩根第二平行軸4的運(yùn)動完全對稱；第二平行軸4直接將輸出的運(yùn)動傳遞給翅膀。所述的三角結(jié)構(gòu)5的三個(gè)角兩兩之間的夾角均為120°，材料采用輕質(zhì)塑料；三角結(jié)構(gòu)5通過過盈配合安裝在電機(jī)輸出軸上面，將電機(jī)輸出的運(yùn)動傳遞給微飛行器的其他部分。所述的擋板6采用輕質(zhì)塑料加工而成；它通過過盈配合安裝在第一平行軸3上面；擋板6與三角結(jié)構(gòu)5、電機(jī)輸出軸2形成了一個(gè)統(tǒng)一的運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)。所述的大齒輪7采用普通的塑料/尼龍齒輪，在其上面開有減重孔以減小整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量；大齒輪7通過過盈配合安裝在第一平行軸3上面；大齒輪7—方面使電機(jī)輸出軸兩側(cè)平行軸的運(yùn)動對稱起來，另一方面將運(yùn)動傳遞給小齒輪8。所述小齒輪8同樣采用普通的塑料/尼龍齒輪；小齒輪8通過過盈配合安裝在第二平行軸4上面；小齒輪8與大齒輪7 —起構(gòu)成了運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)，用于放大從第一平行軸3輸入的往復(fù)轉(zhuǎn)動的幅度，并通過第二平行軸4將放大后的往復(fù)轉(zhuǎn)動輸出。所述翅膀9由翅膀前緣的主脈、翅膀表面的輔脈、翅膀根部的輔脈和翅膜組成；主脈、翅膀表面的輔脈、翅膀根部的輔脈均采用碳纖維材料，翅膜采用聚酰亞胺材料；主脈以及兩根輔脈均通過環(huán)氧樹脂膠粘接在翅膜上面；這樣的由偏剛性的翅脈和偏柔性的翅膜組成的仿生翅膀具有較好的氣動性能。本實(shí)施例的工作過程如下打開電源開關(guān)以后，三角結(jié)構(gòu)5將與電機(jī)輸出軸2 —起發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；如圖I所示，當(dāng)左邊的擋板6與三角結(jié)構(gòu)5的一個(gè)角接觸時(shí)，右邊的擋板6正好與三角結(jié)構(gòu)的另一個(gè)角脫離接觸，從而當(dāng)左邊的第一平行軸3主動轉(zhuǎn)動時(shí)，右邊的第一平行軸3就停止主動轉(zhuǎn)動，反之亦然；但由于兩只大齒輪7的相互嚙合，左右兩邊的第一平行軸3就可以帶動彼此進(jìn)行轉(zhuǎn)動，且運(yùn)動完全對稱，進(jìn)而就實(shí)現(xiàn)了兩根第一平行軸3對稱的往復(fù)轉(zhuǎn)動，此時(shí)的轉(zhuǎn)動幅度為30° ;第一平行軸3輸出的往復(fù)運(yùn)動最終經(jīng)過運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)的放大傳遞給了翅膀9，后者則產(chǎn)生相應(yīng)的拍打運(yùn)動使微飛行器得以起飛。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔合理、可微性強(qiáng)，適合在撲翼微飛行器上進(jìn)行應(yīng)用。機(jī)架可由簡單的零件粘接在一起，也可以通過三維打印進(jìn)行一體化加工，加工容易，便于采用數(shù)控微加工批量生產(chǎn)；齒輪組、軸承和空心杯電機(jī)都采用了標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，維護(hù)十分方便；空心杯電機(jī)作為本發(fā)明的驅(qū)動源，不需要很高的電源電壓，這便于微飛行器自己攜帶電源以實(shí)現(xiàn)自主飛行。本發(fā)明整個(gè)結(jié)構(gòu)易于裝配和維護(hù)，便于大批量生產(chǎn)從而降低生產(chǎn)成本。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的 描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于包括機(jī)架、平行軸結(jié)構(gòu)、運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)、運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)及一對翅膀，其中機(jī)架上直接裝配平行軸結(jié)構(gòu)和運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)；平行軸結(jié)構(gòu)將運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)、運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)和翅膀連成一整體；運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)與平行軸結(jié)構(gòu)的一端相連；運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的中部；翅膀安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的另一端，兩翅膀的拍動完全對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述的平行軸結(jié)構(gòu)由兩根平行軸組成，第一平行軸與運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)相連，第二平行軸與翅膀相連，且在這兩根平行軸之間安裝著運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)，兩根平行軸均只能沿著自身的軸向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并且兩根平行軸的運(yùn)動完全對稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)是一種使平行軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間歇性的轉(zhuǎn)動的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述的運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)由電機(jī)軸、三角結(jié)構(gòu)、擋板組成，三角結(jié)構(gòu)通過過盈配合安裝在電機(jī)輸出軸上面，擋板通過過盈配合安裝在第一平行軸上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述的三角結(jié)構(gòu)的三個(gè)角兩兩之間的夾角均為120°。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述平行軸結(jié)構(gòu)的兩根平行軸均為階梯軸，第一平行軸與三角結(jié)構(gòu)、擋板和大齒輪相配合，將電機(jī)輸出的連續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成往復(fù)轉(zhuǎn)動；第二平行軸通過與大齒輪、小齒輪的配合，將第一平行軸的往復(fù)旋轉(zhuǎn)的幅度放大并傳遞給翅膀；翅膀固連在第二平行軸上面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述的運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)由大齒輪和小齒輪組成，大齒輪通過過盈配合安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的第一平行軸上，小齒輪通過過盈配合安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的第二平行軸上；大齒輪之間相互嚙合使平行軸結(jié)構(gòu)將間歇性的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的往復(fù)轉(zhuǎn)動，同時(shí)，大齒輪將運(yùn)動傳遞給小齒輪，從而使得兩只翅膀的實(shí)現(xiàn)對稱的拍打運(yùn)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述大齒輪和小齒輪均采用塑料齒輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述的機(jī)架由多個(gè)零件粘結(jié)而成，或者以三維打印的方式一體成型。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，其特征在于所述的一對翅膀形狀完全對稱，且均由碳纖維材料的翅脈與聚酰亞胺材料的薄膜組成，這里的翅脈包括翅膀前緣的主脈、翅膀根部的輔脈和翅膀表面的輔脈，通過調(diào)節(jié)這三根翅脈的長度與直徑，能夠?qū)Τ岚虻男阅苓M(jìn)行優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微飛行器領(lǐng)域的基于三角結(jié)構(gòu)的撲翼微飛行器，包括機(jī)架、平行軸結(jié)構(gòu)、運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)、運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)及一對翅膀，其中機(jī)架上直接裝配平行軸結(jié)構(gòu)和運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)；平行軸結(jié)構(gòu)將運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)、運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)和翅膀連成一整體；運(yùn)動輸出結(jié)構(gòu)與平行軸結(jié)構(gòu)的一端相連；運(yùn)動放大結(jié)構(gòu)安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的中部；翅膀安裝在平行軸結(jié)構(gòu)的另一端。本發(fā)明中兩翅膀的拍動完全對稱，基本消除了飛行中的不平衡因素，提高了飛行器的整體性能，并使飛行器變得易于控制；同時(shí)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔合理，具有可加工性和可微性，便于采用數(shù)控微加工進(jìn)行批量生產(chǎn)。
文檔編號B64C33/00GK102815398SQ201210281708
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 楊宋淵, 柯希俊, 譚小波, 陳文元, 劉武, 崔峰, 吳校生 申請人:上海交通大學(xué)