技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于飛行器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生撲翼飛行器。

背景技術(shù)：
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撲翼微型飛行器是模仿鳥類或昆蟲的新概念飛行器，相比旋翼和固定翼微型飛行器在升力、速度、微型化、飛行靈活性、視覺隱蔽性等方面有天然優(yōu)勢。在現(xiàn)有的撲翼飛行器中，飛行驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計大多是單自由度上下?lián)鋭?，靈活度相對較低，且具有較大的不穩(wěn)定性，飛行效率低，耗能較大等問題。在真實(shí)的鳥類飛行過程中，翅膀的撲動在三維空間中進(jìn)行復(fù)雜的上下?lián)鋭?、扭轉(zhuǎn)和前后掃掠運(yùn)動，撲翼飛行器很難進(jìn)行完全模擬。

該撲翼飛行器通過對鳥類翅膀運(yùn)動長期觀測，設(shè)計出了具有多種自由度的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使撲翼飛行器的撲翼可同時進(jìn)行撲動、扭轉(zhuǎn)和前后掃掠運(yùn)動，較好模仿了鳥類翅膀的運(yùn)動，從而具有飛行效率高、操縱靈活的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明目的是發(fā)明一種高度仿鳥類飛行，機(jī)械效率高，飛行靈活自如的仿生撲翼飛行器。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器包括左機(jī)翼、左機(jī)翼支架、左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)、左旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承、機(jī)身、右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承、右機(jī)翼支架、右機(jī)翼、右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)、左后部調(diào)控機(jī)構(gòu)。機(jī)身為框架結(jié)構(gòu)，采用碳纖維材料，機(jī)身由左機(jī)架、右機(jī)架和橫向機(jī)架組成，左機(jī)架和右機(jī)架固連在橫向機(jī)架上；驅(qū)動系統(tǒng)包括無刷電機(jī)、第一級減速小齒輪、雙聯(lián)減速齒輪、第二級減速大齒輪、鋰電池、電機(jī)調(diào)速裝置和無線電導(dǎo)航控制裝置；左機(jī)翼支架和右機(jī)翼支架形狀和結(jié)構(gòu)均相同，分別對稱分布于機(jī)身兩側(cè)，采用碳纖維材料；左機(jī)翼支架由左橫向機(jī)翼支架、左豎向機(jī)翼支架組成，右機(jī)翼支架由右橫向機(jī)翼支架、右豎向機(jī)翼支架組成；左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理均相同，分別對稱分布于機(jī)身左右兩側(cè)，由驅(qū)動系統(tǒng)第二級減速大齒輪輸出軸帶動同步轉(zhuǎn)動；左后部調(diào)控機(jī)構(gòu)和右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理均相同，分別對稱分布在機(jī)身左右兩側(cè)。

左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)包括左滾輪軌道、左滾輪、左滾輪齒輪、左滾輪傳動齒輪、左接頭、左滾輪舵機(jī)接線針腳、左滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)、左滾輪舵機(jī)、左保持架；右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)包括右滾輪軌道、右滾輪、右滾輪齒輪、右滾輪傳動齒輪、右接頭、右滾輪舵機(jī)接線針腳、右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)、右滾輪舵機(jī)、右保持架；左滾輪軌道與右滾輪軌道通過第二級減速大齒輪輸出軸相連，對稱分布在機(jī)身左右兩側(cè)并可保持同步轉(zhuǎn)動；左滾輪舵機(jī)和右滾輪舵機(jī)可分別單獨(dú)驅(qū)動左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)沿左滾輪軌道、右滾輪軌道滾動；左橫向機(jī)翼支架和右橫向機(jī)翼支架末端分別與左接頭、右接頭固連，左接頭、右接頭又分別通過安裝在左保持架、右保持架內(nèi)的軸承與左保持架和右保持架相連；

右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)為：右滾輪軌道外部曲面中心通過圓形安裝孔與第二級減速大齒輪輸出軸固連，內(nèi)部凹槽軌道曲面與右滾輪相切；右滾輪與右滾輪軌道凹槽上下內(nèi)壁留有間隙，間隙尺寸為0.1至0.3毫米，右滾輪上下兩面可與右滾輪軌道凹槽上下內(nèi)壁面接觸，但摩擦很小；右滾輪軌道從側(cè)面看為一圓弧，圓弧角度為100度，從而也限制了右側(cè)滾輪最大運(yùn)動范圍；右滾輪軌道圓弧的圓心正好位于右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈中心點(diǎn)；右側(cè)滾輪為多層復(fù)合滾輪，分為三層，上下兩層為滾輪，中間為右滾輪齒輪，三者保持同心并固連在一起；右滾輪傳動齒輪安裝在右滾輪舵機(jī)輸出軸上，始終與右滾輪齒輪保持嚙合，可將右滾輪舵機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)動傳遞給右滾輪齒輪所在的右滾輪，并可將右滾輪鎖死；右保持架靠近右滾輪部分有光軸結(jié)構(gòu)，右滾輪可繞該滾軸結(jié)構(gòu)滾動；保持架通過左右及底部薄板結(jié)構(gòu)及螺釘將右滾輪舵機(jī)完全固連；右滾輪舵機(jī)接線針腳材料為半硬質(zhì)塑料管，半硬質(zhì)塑料管內(nèi)部為右滾輪舵機(jī)兩根正負(fù)供電線和一根信號線；右滾輪舵機(jī)正負(fù)供電線和信號線在右滾輪舵機(jī)接線針腳帶動下可與右滾輪舵機(jī)同步轉(zhuǎn)動，并保持與右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)的接觸；右接頭前端通過軸承與保持架相連，可相對保持架轉(zhuǎn)動；右接頭后端開有正方形凹槽孔，利用該正方形凹槽孔可與右橫向機(jī)翼支架固連；右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)固接在右接頭上，當(dāng)右滾輪舵機(jī)相對右接頭轉(zhuǎn)動時，右滾輪舵機(jī)接線針腳內(nèi)的舵機(jī)正負(fù)供電線和信號線也可始終與右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)環(huán)形滑槽接觸，右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)再通過其外邊緣接線將正負(fù)供電線和信號線通過右橫向機(jī)翼支架、右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承、橫向機(jī)架機(jī)構(gòu)連接至機(jī)身內(nèi)部的鋰電池和驅(qū)動系統(tǒng)；

右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)工作原理為：當(dāng)右滾輪軌道在減速大齒輪輸出軸帶動下轉(zhuǎn)動時，也會帶動右滾輪、右滾輪齒輪、右滾輪傳動齒輪、右保持架一起轉(zhuǎn)擺，而右橫向機(jī)翼支架在右接頭作用下將轉(zhuǎn)擺運(yùn)動變?yōu)閿[動；在右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)擺運(yùn)動同時，右舵機(jī)還可驅(qū)動右滾輪傳動齒輪帶動右滾輪齒輪，使右滾輪沿右滾輪軌道滾動。

左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)和工作原理與右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)的相同；左滾輪軌道與右滾輪軌道均與第二級減速大齒輪輸出軸相連，從而帶動整個機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動。

左后部調(diào)控機(jī)構(gòu)由左后部舵機(jī)、左擺桿、左后部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承、左滑桿組成；右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)由右后部舵機(jī)、右擺桿、右后部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承、右滑桿組成。

右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)為：右后部舵機(jī)固連在右機(jī)架外側(cè)壁上；右擺桿的一端固連在右后部舵機(jī)輸出軸上，在右后部舵機(jī)的輸出軸帶動下可繞輸出軸轉(zhuǎn)動；右擺桿的另一端開有盲孔，右后部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承的桿端通過該盲孔結(jié)構(gòu)與右擺桿相連，并可自由轉(zhuǎn)動；右滑桿穿在右后部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承的軸承內(nèi)圈中，并可相對軸承內(nèi)圈自由滑動；右滑桿的一端和右豎向機(jī)翼支架鉸接。

左后部調(diào)控機(jī)構(gòu)和右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和工作原理均相同，分別對稱分布在機(jī)身左右兩側(cè)。

左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)、右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)、左后部調(diào)控機(jī)構(gòu)、右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)均具有舵機(jī)，可通過無線電導(dǎo)航控制裝置獨(dú)立分開控制。

左橫向機(jī)翼支架、右橫向機(jī)翼支架可分別繞左旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承、右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承的軸承外圈中心轉(zhuǎn)擺，轉(zhuǎn)擺范圍為圓錐形，角度最大為100度；左橫向機(jī)翼支架、右橫向機(jī)翼支架上存在圓柱形結(jié)構(gòu)，該圓柱形結(jié)構(gòu)在左旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈、右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈被套住，無法進(jìn)行軸向移動，實(shí)現(xiàn)了軸向定位。左橫向機(jī)翼支架和左豎向機(jī)翼支架固連，并保持上下兩端面面重合；右橫向機(jī)翼支架和右豎向機(jī)翼支架固連，并保持上下兩端面面重合。

左滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)和右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)具有三層環(huán)狀滑槽結(jié)構(gòu)，滑槽表面材料為導(dǎo)電性良好的純銅。左滾輪舵機(jī)、右滾輪舵機(jī)的兩根正負(fù)供電線和一根信號線可分別與左滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)、右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)三層環(huán)形滑槽接觸，通過左滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)、右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)外邊緣接線將實(shí)現(xiàn)電信號的交流。該結(jié)構(gòu)有效避免了左滾輪舵機(jī)、右滾輪舵機(jī)在運(yùn)動過程中正負(fù)供電線和信號線纏繞問題。

從該飛行器的左側(cè)往右看，左機(jī)翼1和右機(jī)翼8的轉(zhuǎn)動方向相同，都是作逆時針旋轉(zhuǎn)。

右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)和右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)配合原理：第二級減速大齒輪輸出軸傳遞至左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)；由于右滾輪軌道圓弧的圓心正好位于右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈幾何中心，而右橫向機(jī)翼支架固連在右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈中心點(diǎn)；右滾輪在右滾輪舵機(jī)驅(qū)動下遠(yuǎn)離右滾輪軌道中心位置，并由右滾輪舵機(jī)鎖定在該位置；右橫向機(jī)翼支架和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)的軸線在一條直線上，所以右橫向機(jī)翼支架和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)共同圍繞右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈中心點(diǎn)作轉(zhuǎn)擺運(yùn)動，從而帶動右機(jī)翼上下?lián)鋭雍娃D(zhuǎn)動；右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)在右豎向機(jī)翼支架配合下，使右機(jī)翼完成前后掃掠動作；通過右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)相配合，右機(jī)翼形成具有三個自由度的上下?lián)鋭?、轉(zhuǎn)動，前后掃掠三種形式運(yùn)動，產(chǎn)生足夠的升力與推力提供撲翼飛行器飛行；當(dāng)右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)的右滾輪被帶動至到最高點(diǎn)時，即下?lián)溟_始位置，右后部舵機(jī)也將右擺桿抬升至最高位置，即右豎向機(jī)翼支架整體被提升至最高位置；此時右機(jī)翼前高后低，形成正攻角；隨后，右滾輪軌道轉(zhuǎn)動的同時帶動右滾輪轉(zhuǎn)動，右后部舵機(jī)也帶動右擺桿向下轉(zhuǎn)動；右豎向機(jī)翼支架在右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)帶動向前運(yùn)動，與右豎向機(jī)翼支架鉸接的右滑桿同時在右后部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈內(nèi)向前滑動；從而，右機(jī)翼維持正攻角，運(yùn)動趨勢為向右前方下?lián)渑c掃掠，此時右機(jī)翼產(chǎn)生較大升力和部分阻力；當(dāng)右滾輪即將轉(zhuǎn)動至軌道最低位置，右后部舵機(jī)帶動右擺桿開始向上擺動；隨后右滾輪轉(zhuǎn)動至軌道最低位置，接著開始轉(zhuǎn)動上升，此時右后部舵機(jī)帶動的右擺桿也在向上轉(zhuǎn)動階段；從而，右機(jī)翼形成并維持負(fù)攻角，運(yùn)動趨勢為向左后方上撲與掃掠，產(chǎn)生了較大推力和部分負(fù)升力；隨后右擺桿和右滾輪先后到達(dá)最高位置并開始下一個周期運(yùn)動；在一個連續(xù)運(yùn)動周期內(nèi)，右機(jī)翼產(chǎn)生的升力遠(yuǎn)大于負(fù)升力，產(chǎn)生的推力遠(yuǎn)大于阻力，該周期內(nèi)的綜合作用力可提供撲翼飛行器飛行時足夠的升力與推力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器的總體結(jié)構(gòu)立體圖；

圖2是本發(fā)明一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器的俯視圖；

圖3是本發(fā)明一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器的右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器的右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器的右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)示意圖；

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式舉例對本發(fā)明提供的一種多自由度撲翼飛行器加以說明。

如圖1至圖5所示，本發(fā)明提供的一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器，包括左機(jī)翼1、左機(jī)翼支架2、左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)3、左旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承4、機(jī)身5、右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承6、右機(jī)翼支架7、右機(jī)翼8、右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)9、驅(qū)動系統(tǒng)10、右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)11、尾翼12、左后部調(diào)控機(jī)構(gòu)13；機(jī)身5包括右機(jī)架501、橫向機(jī)架502、左機(jī)架503；左機(jī)翼1和右機(jī)翼8形狀大小均相同，分別固連在左機(jī)翼支架2和右機(jī)翼支架7上；左機(jī)翼支架2和右機(jī)翼支架7形狀和結(jié)構(gòu)均相同，分別對稱分布于機(jī)身5兩側(cè)；右機(jī)翼支架7由右橫向機(jī)翼支架701、右豎向機(jī)翼支架702組成；右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)9包括右滾輪軌道901、右滾輪902、右滾輪齒輪903、右滾輪傳動齒輪904、右接頭905、右滾輪舵機(jī)接線針腳906、右滾輪舵機(jī)接線換向滑環(huán)907、右滾輪舵機(jī)908、右保持架909；驅(qū)動系統(tǒng)10包括無刷電機(jī)1001、第一級減速小齒輪1002、雙聯(lián)減速齒輪1003、第二級減速大齒輪1004、鋰電池、電機(jī)調(diào)速裝置和無線電導(dǎo)航控制裝置；右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)11包括右后部舵機(jī)1101、右擺桿1102、右后部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸承1103、右滑桿1104組成；

下面就該發(fā)明一種翅膀具有三自由度的撲翼飛行器的飛行狀態(tài)對該發(fā)明作進(jìn)一步說明。

起飛：地面遙控器向無線電導(dǎo)航控制裝置發(fā)射信號，啟動無刷電機(jī)1001，無刷電機(jī)的動力通過第一級減速小齒輪1002、雙聯(lián)減速齒輪1003、第二級減速大齒輪1004、第二級減速大齒輪輸出軸傳遞至左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)3和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)9；左前部調(diào)控機(jī)構(gòu)3和右前部調(diào)控機(jī)構(gòu)9同時在左后部調(diào)控機(jī)構(gòu)13和右后部調(diào)控機(jī)構(gòu)11配合下帶動左機(jī)翼1和右機(jī)翼8上下?lián)鋭?；此時左滾輪和右滾輪902運(yùn)動至遠(yuǎn)離左滾輪軌道、右滾輪軌道901中心的位置；當(dāng)無刷電機(jī)1001轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，左機(jī)翼1和右機(jī)翼8循環(huán)運(yùn)動的一個周期內(nèi)產(chǎn)生的平均升力和大于機(jī)體重力，該撲翼飛行器升空起飛。

前飛：起飛后，左滾輪舵機(jī)和右滾輪舵機(jī)908同時驅(qū)動左滾輪傳動齒輪、右滾輪傳動齒輪904，使左滾輪和右滾輪902朝遠(yuǎn)離左滾輪軌道、右滾輪軌道901中心位置方向移動，使得左機(jī)翼1和右機(jī)翼8在向后掠動階段產(chǎn)生的負(fù)攻角變大，使得一個周期內(nèi)平均推力變大，同時調(diào)整無刷電機(jī)1001轉(zhuǎn)速使得豎直方向平均推力和機(jī)體重力平衡，該飛行器實(shí)現(xiàn)向前平飛。

轉(zhuǎn)彎飛行：在向前飛時，左滾輪舵機(jī)驅(qū)動左滾輪傳動齒輪，帶動左滾輪朝靠近左滾輪軌道中心位置的方向移動，從而使得左機(jī)翼1負(fù)攻角變小，左側(cè)一個周期內(nèi)平均推力變小與右側(cè)，實(shí)現(xiàn)向左轉(zhuǎn)彎飛行；向右轉(zhuǎn)彎飛行控制原理與向左相同。

降落：慢慢降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)無刷電機(jī)1001轉(zhuǎn)速低于一定值時，一個周期內(nèi)平均升力小于機(jī)體重力，該撲翼飛行器緩慢降落。

以上說明是在沒有氣流干擾的工況下作出的，如果有氣流干擾的存在，則應(yīng)根據(jù)氣流的方向和流速進(jìn)行修偏。