一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，包括：機身框架，以及設(shè)置于機身框架上的空心杯動力馬達、曲柄搖桿傳動機構(gòu)、減速齒輪組、仿生撲翼、可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)和滾珠軸承組，曲柄搖桿傳動機構(gòu)將空心杯動力馬達輸出軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為兩只撲翼的往復(fù)拍打運動，以模仿昆蟲飛行；減速齒輪組用于將空心杯動力馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速降低，使最終撲翼的拍打動作在一范圍內(nèi)；可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)保證撲翼可繞轉(zhuǎn)軸進行扭轉(zhuǎn)以產(chǎn)生向上升力，同時限位器與電磁鐵之間的斥力使撲翼回到豎直位置。本發(fā)明滾珠軸承組、曲柄搖桿傳動機構(gòu)和可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)，達到了大幅度減小傳動摩擦，有效將動力轉(zhuǎn)化為飛行器升力的目的。
【專利說明】
一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器。
【背景技術(shù)】
[0002]微型飛行器的最初設(shè)計來源是來自軍事方面的需求。為了能更好的把握敵方軍情，更隱秘地執(zhí)行軍屬偵察任務(wù)，需要一種能自由穿梭于戰(zhàn)場的輕便、微型的飛行器，它能夠進行隱秘攝像、通信，甚至作為爆破武器。
[0003]傳統(tǒng)的飛行器以固定翼和旋翼為主，但當(dāng)飛行器整體尺度趨于微小時，傳動固定翼和旋翼的升力產(chǎn)生效率明顯降低，對新式微型飛行器的需求越來越大。自然界的昆蟲具有在微小尺度下依然保有高效飛行效率的特點，因此人們將研究的目光投向了仿生昆蟲飛行器，即撲翼飛行器。撲翼飛行器具有許多特有的優(yōu)點，如起飛所需空間小、飛行性能極佳、具有優(yōu)異的懸停能力、飛行結(jié)構(gòu)緊湊(集垂直飛行、水平飛行、姿態(tài)變換為一體)，且能耗較低。撲翼的飛行方式相比傳統(tǒng)的旋翼、固定翼來說，不僅能勝任飛行工作，還進一步提高飛行性能。這使得撲翼飛行器吸引了越來越多的研究人員對其進行拓展。
[0004]制造一種全新的撲翼飛行器有著各方面高難度的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)來自流體力學(xué)、空氣動力學(xué)以及制造工藝等。對一些文獻進行檢索，普渡大學(xué)的Zheng Hu和Xinyan Deng教授于2013年在IEEE上發(fā)表了文章 “Design and Performance of Insect Inspired HighFrequency Flapping Wing Robots”。文獻中提到了由四連桿驅(qū)動的撲翼飛行器，包括四連桿傳動機構(gòu)、減速齒輪組以及可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)，但文獻中的具體參數(shù)不明確，所述的飛行器沒有給出各部分尺寸參數(shù)、材質(zhì)及制造工藝的具體信息，并且所述飛行器整體的傳動效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，能夠通過減速齒輪組、曲柄搖桿傳動機構(gòu)、被動旋轉(zhuǎn)機制以及滾珠軸承組，將極為有限的空心杯馬達動力高效率地轉(zhuǎn)化為撲翼拍打的升力。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，包括:機身框架，以及設(shè)置于機身框架上的空心杯動力馬達、曲柄搖桿傳動機構(gòu)、減速齒輪組、仿生撲翼、可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)和滾珠軸承組，其中:
[0008]所述減速齒輪組連接空心杯動力馬達的輸出軸，用于將空心杯動力馬達的輸出軸的轉(zhuǎn)速降低，使仿生撲翼最終的拍打頻率在所需范圍，同時減速齒輪組中的被動齒輪的一部分作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄；
[0009]所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)為實現(xiàn)仿生撲翼拍打動作的主體，其通過翼軸與仿生撲翼連接，從而將空心杯動力馬達輸出軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為兩只仿生撲翼的往復(fù)拍打運動，實現(xiàn)模仿昆蟲飛行；
[0010]所述可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)由磁性角度限位器和電磁鐵構(gòu)成，磁性角度限位器用于仿生撲翼扭轉(zhuǎn)角限位，在仿生撲翼拍打時保證仿生撲翼繞翼軸進行旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生豎直向上的升力；同時磁性角度限位器與電磁鐵之間的斥力促使仿生撲翼回到豎直位置，實現(xiàn)可控性；
[0011]所述滾珠軸承組分布于飛行器各個轉(zhuǎn)軸，包括減速齒輪組的轉(zhuǎn)軸、曲柄搖桿傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸以及與仿生撲翼粘接的翼軸處，用于減小飛行器的傳動摩擦。
[0012]優(yōu)選地，所述空心杯動力馬達的額定電壓4.2V，給減速齒輪組提供45000r/min?55000r/min的轉(zhuǎn)速，用于保證仿生撲翼的拍打頻率以維持足夠的升力輸出。
[0013]更優(yōu)選地，所述空心杯動力馬達在保證能提供足夠大的輸出功率的前提下盡可能減小重量。
[0014]優(yōu)選地，所述減速齒輪組由主動齒輪和被動齒輪組成，其中:主動齒輪連接于空心杯動力馬達的輸出軸，被動齒輪與主動齒輪嚙合配合，空心杯動力馬達驅(qū)動主動齒輪轉(zhuǎn)動從而帶動被動齒輪轉(zhuǎn)動;被動齒輪上有多個圓孔，用于為曲柄搖桿傳動機構(gòu)提供不同的曲柄長度，以隨具體飛行狀況通過手動改變曲柄長度以改變仿生撲翼的拍打幅度。
[0015]更優(yōu)選地，所述被動齒輪在保證曲柄的長度的情況下，通過使用減重孔以減小被動齒輪的重量。
[0016]優(yōu)選地，所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)由兩個共用一個曲柄的四連桿機構(gòu)組成，每個四連桿機構(gòu)均由曲柄、中間連桿、翼軸搖桿以及機架組成，其中:曲柄為減速齒輪組中的被動齒輪的一部分，即被動齒輪的圓心到被動齒輪上開的圓孔的距離為曲柄；中間連桿連接曲柄和翼軸搖桿，翼軸搖桿處固定有與仿生撲翼粘接一起的翼軸，并在中間連桿上預(yù)留有與滾珠軸承組過盈連接的空間，同時中間連桿的厚度以保證強度需求。
[0017]更優(yōu)選地，由所述被動齒輪的一部分構(gòu)成的曲柄作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的輸入端，翼軸搖桿作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的輸出端并與仿生撲翼相連，從而將輸入端曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為輸出端翼軸搖桿的往復(fù)擺動，進而帶動仿生撲翼拍打，以機械傳動機構(gòu)再現(xiàn)昆蟲飛行時的撲翼拍打運動
[0018]優(yōu)選地，所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)為兩個曲柄搖桿機構(gòu)共用一個曲柄的復(fù)合機構(gòu)，其中:曲柄由減速齒輪組的被動齒輪的一部分構(gòu)成，從曲柄的輸出端引出兩個曲柄搖桿機構(gòu)，并且兩個曲柄搖桿機構(gòu)的安裝方向相反，以保證在曲柄轉(zhuǎn)動時兩個翼軸搖桿輸出端的運動關(guān)于機身框架中心軸近似鏡面對稱，從而進一步地保證飛行器的兩個仿生撲翼產(chǎn)生的升力近似相等。
[0019]優(yōu)選地，所述仿生撲翼與翼軸粘接，翼軸與曲柄搖桿傳動機構(gòu)的翼軸搖桿通過滾動軸承組連接。
[0020]優(yōu)選地，所述仿生撲翼模仿蟬翼的形狀，并采用聚脂薄膜和碳纖維材料由真空袋包裝工藝和激光切割工藝制成;其中:
[0021]仿生撲翼的迎風(fēng)面材料為聚脂薄膜，聚脂薄膜具有一定的韌性，用于保證在仿生撲翼高頻拍打過程中不會由于剛度太大(太脆)而撕裂；
[0022]仿生撲翼的邊框由碳纖維材料制成，為仿生撲翼提供拍打時所需的強度，保證仿生撲翼不會過度形變。
[0023]優(yōu)選地，所述可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)中的電磁鐵為圓柱形電磁鐵，圓柱形電磁鐵固定于翼軸搖桿上;仿生撲翼與翼軸搖桿配合，并在翼軸的末端與磁性角度限位器過盈連接;磁性角度限位器在仿生撲翼拍打時，用于保證仿生撲翼繞翼軸進行攻角不大于45°的角度扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生向上的升力;磁性角度限位器與仿生撲翼一同轉(zhuǎn)動過程中，與圓柱形電磁鐵發(fā)生機械碰撞以達到仿生撲翼的最大扭轉(zhuǎn)角。
[0024]優(yōu)選地，所述滾珠軸承組采用微型鋼制滾珠軸承，用于減小曲柄搖桿傳動機構(gòu)、可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)以及減速齒輪組的被動齒輪的中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動的摩擦，從而提高整體的傳動效率，減輕動力源的負擔(dān)。
[0025]優(yōu)選地，所述飛行器的所有轉(zhuǎn)軸，即減速齒輪組的轉(zhuǎn)軸、曲柄搖桿傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸以及翼軸，均采用鋼制轉(zhuǎn)軸，以保證足夠的強度。
[0026]更優(yōu)選地，所有所述轉(zhuǎn)軸處均采用滾珠軸承組連接。
[0027]優(yōu)選地，所述機身框架采用3D打印制作，其形狀以保證能承載其他結(jié)構(gòu)的前提下盡可能減小體積為佳；同時在機身框架上預(yù)留有包括減速齒輪組被動齒輪轉(zhuǎn)軸和曲柄搖桿傳動機構(gòu)的搖桿轉(zhuǎn)軸的軸承的安裝空間。
[0028]優(yōu)選地，所述飛行器的其他形狀定制部件，包括角度限位器、減速齒輪組的被動齒輪以及曲柄搖桿機構(gòu)的搖桿和中間連桿，均采用3D打印制作，一方面降低成本，另一方面3D打印的材料密度小，降低飛行器的整體重量。
[0029]本發(fā)明中:所述空心杯動力馬達提供減速齒輪組所需的輸出轉(zhuǎn)速，經(jīng)過減速齒輪組的減速后，將動力傳動到減速齒輪組的被動齒輪，被動齒輪作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄，通過曲柄搖桿傳動機構(gòu)將被動齒輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為翼軸搖桿的往復(fù)運動，再通過翼軸搖桿與仿生撲翼的過盈連接，實現(xiàn)仿生撲翼的拍打運動；同時，當(dāng)仿生撲翼拍打時，磁性角度限位器保證仿生撲翼繞翼軸進行一定角度內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生豎直向上的升力;在整個飛行器中，滾珠軸承組分布于飛行器各個轉(zhuǎn)軸處，為飛行器的傳動減小摩擦。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0031 ]本發(fā)明通過減速齒輪組、曲柄搖桿傳動機構(gòu)、可控被動旋轉(zhuǎn)機制以及滾珠軸承組的多個機構(gòu)的組合，提供了一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器設(shè)計方案，將有限的空心杯動力馬達的動力高效率地轉(zhuǎn)化為撲翼拍打的升力。
【附圖說明】
[0032]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0033]圖1為本發(fā)明一實施例的飛行器的結(jié)構(gòu)簡圖；
[0034]圖2為本發(fā)明一實施例的曲柄搖桿傳動機構(gòu)俯視圖；
[0035]圖3為本發(fā)明一實施例的可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為本發(fā)明一實施例的可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)正視圖；
[0037]圖5為本發(fā)明一實施例的曲柄搖桿傳動機構(gòu)的不意圖；
[0038]圖中:中間連桿1、滾珠軸承組2、被動齒輪3、主動齒輪4、翼軸搖桿5、軸承槽6、翼軸
7、機身8、電機9、軸套10、磁性角度限位器11、限位圓柱電磁鐵12、翅膀13、搖桿轉(zhuǎn)軸14、被動齒輪轉(zhuǎn)軸15、機架16、曲柄17。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0040]如圖1-圖4所示，一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，包括:機身8，電機9，曲柄搖桿傳動機構(gòu)，由被動齒輪3、主動齒輪4組成的減速齒輪組，翅膀13，由磁性角度限位器11、限位圓柱電磁鐵12組成的可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)，以及滾珠軸承組2，其中:
[0041 ]機身8為飛行器的其他結(jié)構(gòu)提供基座；
[0042]電機9安裝在機身8上，電機9作為整個飛行器的動力源，給減速齒輪組提供45000r/min?55000r/min的轉(zhuǎn)速，用于保證翅膀13的拍打頻率能夠維持足夠的升力輸出；
[0043]減速齒輪組連接電機9的輸出軸，用于將飛行器的動力源，即電機9的輸出軸的轉(zhuǎn)速降低，使最終翅膀13的拍打頻率在50Hz左右，同時減速齒輪組中的被動齒輪3的一部分作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄部分；
[0044]曲柄搖桿傳動機構(gòu)是實現(xiàn)飛行器的翅膀13拍打動作的主體，其通過翼軸7與翅膀13連接，從而將電機9輸出軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為兩只翅膀13的往復(fù)拍打運動，達到模仿昆蟲飛行的目的；
[0045]翅膀13采用真空袋工藝并模仿蟬翼的形狀制作，材料是碳纖維和聚脂薄膜；
[0046]可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)由一個磁性角度限位器11與一個限位圓柱電磁鐵12構(gòu)成，磁性角度限位器11用于翅膀13扭轉(zhuǎn)角限位，當(dāng)翅膀13拍打時磁性角度限位器11保證翅膀13繞翼軸7進行一定角度內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生向上的升力；同時磁性角度限位器11與限位圓柱電磁鐵12之間的斥力促使翅膀13回到豎直位置，實現(xiàn)一定的可控性；
[0047]滾珠軸承組2分布于飛行器的各個轉(zhuǎn)軸，包括減速齒輪組的被動齒輪轉(zhuǎn)軸15、曲柄搖桿傳動機構(gòu)的搖桿轉(zhuǎn)軸14以及與翅膀13粘接的翼軸7處，用于減小飛行器的傳動摩擦。
[0048]作為一優(yōu)選方式，所述機身8采用3D打印制作，其形狀以保證能承載其他結(jié)構(gòu)的前提下盡可能減小體積為佳;同時機身8需要為各處轉(zhuǎn)軸，包括減速齒輪組的被動齒輪轉(zhuǎn)軸15和曲柄搖桿傳動機構(gòu)的搖桿轉(zhuǎn)軸14的軸承預(yù)留空間。
[0049]作為一優(yōu)選方式，所述電機9在保證能提供足夠大的輸出功率的前提下盡可能減小重量。
[ΟΟδΟ]作為一優(yōu)選方式，如圖5所不，為本發(fā)明一實施例的曲柄搖桿傳動機構(gòu)的不意圖。所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)由兩個共用一個曲柄的四連桿機構(gòu)組成，每個四連桿機構(gòu)均由曲柄
17、中間連桿1、翼軸搖桿5以及機架16組成，其中:曲柄為減速齒輪組中的被動齒輪3的一部分，即被動齒輪3的圓心到被動齒輪3上開的圓孔的距離為曲柄；中間連桿I連接曲柄和翼軸搖桿5，且在中間連桿I上需要預(yù)留出與滾珠軸承組2過盈連接的空間，同時中間連桿I的厚度在保證強度的前提下應(yīng)盡可能地薄。
[0051]作為一優(yōu)選方式，所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)為兩個曲柄搖桿機構(gòu)共用一個曲柄的復(fù)合機構(gòu)，兩個曲柄搖桿機構(gòu)是反對稱安裝的共用一個曲柄的雙四連桿機構(gòu)，其中曲柄是減速齒輪組中的被動齒輪3的一部分，被動齒輪3的繞被動齒輪轉(zhuǎn)軸15旋轉(zhuǎn)帶動兩個曲柄搖桿機構(gòu)(即四連桿機構(gòu))進行機械運動；同時，由于兩個曲柄搖桿機構(gòu)的安裝方式相反，因此翼軸搖桿5輸出端的往復(fù)擺動時關(guān)于機身8中心軸近似鏡面對稱;在翼軸搖桿5處固定翼軸7并將翼軸7與翅膀13粘接，如此可以實現(xiàn)仿昆蟲的翅膀13拍打運動。需注明的是，所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)形成的拍打運動并不是完全關(guān)于中心線對稱，而是有一定的相位差，但在高頻振動下，該相位差可以忽略不計。
[0052]具體的，所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄設(shè)置多個長度，曲柄長度定義為:從被動齒輪3的中心O到被動齒輪3上一點P的直線長度(P點到O點的距離由計算得出)，在P點處預(yù)留出插入被動齒輪3中心被動齒輪轉(zhuǎn)軸15的連接孔，則O點到P點的長度即為曲柄長度。曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性是由各桿的相對長度決定的，在給定了除曲柄外的其他桿的長度后，選用不同的曲柄長度0P，可以使得翼軸搖桿5的往復(fù)運動幅度發(fā)生改變，即使得翅膀13來回拍打的幅度發(fā)生改變。通過改變曲柄長度可以改變四連桿機構(gòu)的運動特性，即改變翼軸搖桿5往復(fù)運動的最大幅度。
[0053]作為一優(yōu)選方式，所述曲柄可設(shè)置4個不同的長度，從而使得翼軸搖桿5往復(fù)運動幅度分別為100°、110°、120°、130°。
[0054]作為一優(yōu)選方式，作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄的所述被動齒輪3在保證曲柄長度的情況下，盡可能使用減重孔來減小被動齒輪3的重量。
[0055]作為一優(yōu)選方式，所述翅膀13模仿蟬翼的形狀，并采用聚脂薄膜和碳纖維材料由真空袋包裝工藝和激光切割工藝制成，其中:
[0056]翅膀13的迎風(fēng)面材料是聚脂薄膜，具有一定的韌性，能保證在翅膀13高頻拍打過程中不會由于剛度太大(太脆)而撕裂；
[0057]翅膀13邊框由碳纖維材料制成，為翅膀13提供拍打時所需的強度，保證翅膀13不會過度形變。
[0058]作為一優(yōu)選方式，所述飛行器的所有轉(zhuǎn)軸，包括:減速齒輪組的被動齒輪轉(zhuǎn)軸15、曲柄搖桿傳動機構(gòu)的搖桿轉(zhuǎn)軸14以及與翅膀13粘接的翼軸7，均采用鋼制轉(zhuǎn)軸，從而保證足夠的強度。所述翼軸7是用于仿生撲翼與曲柄搖桿傳動機構(gòu)連接的軸。
[0059]作為一優(yōu)選方式，所述飛行器所有轉(zhuǎn)軸處均采用滾珠軸承組2連接。
[0060]作為一優(yōu)選方式，所述滾珠軸承組2采用微型鋼制滾珠軸承，其優(yōu)點是重量小，同時采用微型鋼制滾珠軸承可極大地降低傳動摩擦，使動力能高效率地傳遞到翅膀13上。
[0061]作為一優(yōu)選方式，所述飛行器的所有形狀定制部件，包括:機身8、角度限位器11、減速齒輪組的被動齒輪3以及曲柄搖桿傳動機構(gòu)的翼軸搖桿5和中間連桿I，均采用3D打印制作，一方面降低成本，另一方面3D打印的材料密度小，可以盡可能降低飛行器的整體重量。
[0062]本實施例中，所述電機9固定在機身8上，電機9的輸出軸與減速齒輪組的主動齒輪4配合;減速齒輪組中的被動齒輪3上開有數(shù)個圓孔，用于固定曲柄搖桿傳遞機構(gòu)的搖桿轉(zhuǎn)軸14，圓孔到被動齒輪3中心的距離即為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄；曲柄搖桿傳動機構(gòu)的翼軸搖桿5通過搖桿轉(zhuǎn)軸14與機身8相連接，與翅膀13粘接的翼軸7通過軸承與翼軸搖桿5相連，另一側(cè)通過磁性角度限位器11進行角度限位，同時可以對翼軸7的軸向位置進行固定；
[0063]當(dāng)電機9運轉(zhuǎn)時，其輸出軸帶動減速齒輪組的主動齒輪4，進而帶動被動齒輪3，即曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄進行旋轉(zhuǎn);兩側(cè)的翅膀13拍打運動系統(tǒng)實際上對應(yīng)共用一個曲柄的兩個曲柄搖桿機構(gòu)，且兩個曲柄搖桿機構(gòu)的安裝方式相反;在曲柄進行旋轉(zhuǎn)運動時，同時帶動兩個曲柄搖桿機構(gòu)運動，翼軸搖桿5的往復(fù)運動即為翼軸7的往復(fù)運動，最終使得飛行器完成翅膀13的拍打運動。
[0064]如圖1所示，所述翼軸搖桿5上設(shè)置有一軸承槽6，用于豎直放置滾珠軸承組2，該滾珠軸承組2與翼軸7配合，用于保證翼軸7在旋轉(zhuǎn)過程中不受較大摩擦力的阻礙。
[0065]如圖1所示，在兩個所述中間連桿I連接處設(shè)置有一軸套10，軸套10與插入其中心的轉(zhuǎn)軸過盈配合，用于將兩個中間連桿I進行限位，防止在被動齒輪3高速轉(zhuǎn)動時中間連桿I從轉(zhuǎn)軸中甩脫。
[0066]如圖2所示，為飛行器的曲柄搖桿傳動機構(gòu)的俯視簡圖；所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)的機架16 (在圖2中是指減速齒輪組的被動齒輪3的中心與翼軸搖桿5的轉(zhuǎn)軸中心之距)、翼軸搖桿5及中間連桿I的長度分別為12mm、5mm、12mm，曲柄長度預(yù)設(shè)4個值:3.80mm、4.07mm、4.31111111和4.52111111，對應(yīng)翅膀13拍打幅度分別為100°、110°、120°、130°。若需要其他的拍打幅度，只需要改變曲柄長度即可。
[0067]如圖3、圖4所示，所述可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)中，限位圓柱電磁鐵12固定在翼軸搖桿5上，翼軸7與曲柄搖桿傳動機構(gòu)的翼軸搖桿5米用滾珠軸承組2配合，并在翼軸7的末端與磁性角度限位器11過盈連接。在翅膀13拍打的同時，翅膀13在空氣阻力的作用下繞翼軸7轉(zhuǎn)動。由于迎風(fēng)面關(guān)于水平面有一定的攻角，因此可以產(chǎn)生豎直向上的升力，驅(qū)使飛行器向上飛行。同時，為了使該攻角不至于過大，當(dāng)磁性角度限位器11隨翅膀13—起旋轉(zhuǎn)時，其與限位圓柱電磁鐵12之間的斥力作用會阻礙翅膀13進一步的扭轉(zhuǎn)，使攻角能保持在一個較佳的范圍內(nèi)(即翅膀13的攻角在正負45°以內(nèi))。當(dāng)磁性角度限位器11與限位圓柱電磁鐵12發(fā)生機械碰撞時達到最大扭轉(zhuǎn)角。
[0068]作為一優(yōu)選方式，所述磁性角度限位器11與翼軸7過盈連接，翅膀13拍打的同時在一定角度內(nèi)自由繞翼軸7扭轉(zhuǎn)，以形成對飛行有利的攻角。如需要較大的攻角，只需要通過改變電流大小降低限位圓柱電磁鐵12的磁性即可。
[0069]本實施例中，通過合理地選擇電機9的功率、減速齒輪組的減速比、曲柄搖桿傳動機構(gòu)的長度參數(shù)以及磁性角度限位器11的角度限制最大值，從而使飛行器能獲得最佳的飛tx性能;比如:
[0070]所述電機9在市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品中轉(zhuǎn)速一般在50000r/min左右，可以考慮減速齒輪組的減速比為5:1;
[0071]所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)的參數(shù)是決定飛行器傳動機構(gòu)運動特性的主體，其中曲柄通過在減速齒輪組的被動齒輪3上預(yù)留出多個到齒輪中心距離不同的圓孔，以隨具體飛行環(huán)境改變飛行器的翅膀13拍打幅度；
[0072]所述飛行器在拍打翅膀13時的最佳攻角為45°，因此考慮將磁性角度限位器11可控制的最大撲翼旋轉(zhuǎn)角設(shè)置為45°左右。
[0073]本實施例通過滾珠軸承組為由四連桿機構(gòu)驅(qū)動的飛行器提供了一種很有價值的優(yōu)化傳動方案，達到了大幅度減小傳動摩擦，有效將動力轉(zhuǎn)化為飛行器升力的目的。
[0074]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，包括:機身框架，以及設(shè)置于機身框架上的空心杯動力馬達、曲柄搖桿傳動機構(gòu)、減速齒輪組、仿生撲翼、可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)和滾珠軸承組，其中: 所述減速齒輪組連接空心杯動力馬達的輸出軸，用于將空心杯動力馬達的輸出軸的轉(zhuǎn)速降低，使仿生撲翼最終的拍打頻率在所需范圍，同時減速齒輪組中的被動齒輪的一部分作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄； 所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)為實現(xiàn)仿生撲翼拍打動作的主體，其通過翼軸與仿生撲翼連接，從而將空心杯動力馬達輸出軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為兩只仿生撲翼的往復(fù)拍打運動，實現(xiàn)模仿昆蟲飛行； 所述可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)由磁性角度限位器和電磁鐵構(gòu)成，磁性角度限位器用于仿生撲翼扭轉(zhuǎn)角限位，在仿生撲翼拍打時保證仿生撲翼繞翼軸進行旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生豎直向上的升力；同時磁性角度限位器與電磁鐵之間的斥力促使仿生撲翼回到豎直位置，實現(xiàn)可控性； 所述滾珠軸承組分布于飛行器各個轉(zhuǎn)軸，包括減速齒輪組的轉(zhuǎn)軸、曲柄搖桿傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸以及與仿生撲翼粘接的翼軸處，用于減小飛行器的傳動摩擦。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述空心杯動力馬達的額定電壓4.2V，給減速齒輪組提供45000r/min?55000r/min的輸入轉(zhuǎn)速，用于保證仿生撲翼的拍打頻率能夠維持足夠的升力輸出。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述減速齒輪組由主動齒輪和被動齒輪組成，其中:主動齒輪連接于空心杯動力馬達的輸出軸，被動齒輪與主動齒輪嚙合配合，空心杯動力馬達驅(qū)動主動齒輪轉(zhuǎn)動從而帶動被動齒輪轉(zhuǎn)動;所述被動齒輪上有多個圓孔，用于為曲柄搖桿傳動機構(gòu)提供不同的曲柄長度，以隨具體飛行狀況通過手動改變曲柄長度以改變仿生撲翼的拍打幅度。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述被動齒輪在保證曲柄的長度的情況下，通過使用減重孔以減小被動齒輪的重量。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)由兩個共用一個曲柄的四連桿機構(gòu)組成，每個四連桿機構(gòu)均由曲柄、中間連桿、翼軸搖桿以及機架組成，其中:曲柄為減速齒輪組中的被動齒輪的一部分，即被動齒輪的圓心到被動齒輪上開的圓孔的距離為曲柄；中間連桿連接曲柄和翼軸搖桿，翼軸搖桿處固定有與仿生撲翼粘接一起的翼軸，并在中間連桿上預(yù)留有與滾珠軸承組過盈連接的空間，同時中間連桿的厚度以保證強度需求； 由所述被動齒輪的一部分構(gòu)成的曲柄作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的輸入端，翼軸搖桿作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的輸出端并與仿生撲翼相連，從而將輸入端曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為輸出端翼軸搖桿的往復(fù)擺動，進而帶動仿生撲翼拍打，以機械傳動機構(gòu)再現(xiàn)昆蟲飛行時的撲翼拍打運動。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述曲柄搖桿傳動機構(gòu)為兩個曲柄搖桿機構(gòu)共用一個曲柄的復(fù)合機構(gòu)，其中:曲柄由減速齒輪組的被動齒輪的一部分構(gòu)成，從曲柄的輸出端引出兩個曲柄搖桿機構(gòu)，并且兩個曲柄搖桿機構(gòu)的安裝方向相反，以保證在曲柄轉(zhuǎn)動時兩個翼軸搖桿輸出端的運動關(guān)于機身框架中心軸近似鏡面對稱，從而進一步地保證飛行器的兩個仿生撲翼產(chǎn)生的升力近似相等。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述仿生撲翼與翼軸粘接，翼軸與曲柄搖桿傳動機構(gòu)的翼軸搖桿通過滾動軸承組連接;所述仿生撲翼模仿蟬翼的形狀，并采用聚脂薄膜和碳纖維材料由真空袋包裝工藝和激光切割工藝制成;其中: 仿生撲翼的迎風(fēng)面材料為聚脂薄膜，聚脂薄膜具有韌性，用于保證在仿生撲翼高頻拍打過程中不會由于剛度太大而撕裂； 仿生撲翼的邊框由碳纖維材料制成，為仿生撲翼提供拍打時所需的強度，保證仿生撲翼不會過度形變。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)中的電磁鐵為圓柱形電磁鐵，圓柱形電磁鐵固定于翼軸搖桿上;仿生撲翼與翼軸搖桿配合，并在翼軸的末端與磁性角度限位器過盈連接;磁性角度限位器在仿生撲翼拍打時，用于保證仿生撲翼繞翼軸進行攻角不大于45°的角度扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生向上的升力；磁性角度限位器與仿生撲翼一同轉(zhuǎn)動過程中，與圓柱形電磁鐵發(fā)生機械碰撞以達到仿生撲翼的最大扭轉(zhuǎn)角。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述滾珠軸承組采用微型鋼制滾珠軸承，用于減小曲柄搖桿傳動機構(gòu)、可控被動扭轉(zhuǎn)機構(gòu)以及減速齒輪組的被動齒輪的中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動的摩擦，從而提高整體的傳動效率，減輕動力源的負擔(dān)。10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述飛行器的所有轉(zhuǎn)軸，即減速齒輪組的轉(zhuǎn)軸、曲柄搖桿傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸以及翼軸，均采用鋼制轉(zhuǎn)軸，以保證足夠的強度； 所有所述轉(zhuǎn)軸處均采用滾珠軸承組連接。11.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述飛行器的所有形狀定制部件，包括:機身、角度限位器、減速齒輪組的被動齒輪以及曲柄搖桿機構(gòu)的搖桿和中間連桿，均采用3D打印制作。12.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的一種具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，其特征在于，所述空心杯動力馬達提供減速齒輪組所需的輸出轉(zhuǎn)速，經(jīng)過減速齒輪組的減速后，將動力傳動到減速齒輪組的被動齒輪，被動齒輪作為曲柄搖桿傳動機構(gòu)的曲柄，通過曲柄搖桿傳動機構(gòu)將被動齒輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為翼軸搖桿的往復(fù)運動，再通過翼軸搖桿與仿生撲翼的過盈連接，實現(xiàn)仿生撲翼的拍打運動；同時，當(dāng)仿生撲翼拍打時，磁性角度限位器保證仿生撲翼繞翼軸進行一定角度內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生豎直向上的升力;在整個飛行器中，滾珠軸承組分布于飛行器各個轉(zhuǎn)軸處，為飛行器的傳動減小摩擦。
【文檔編號】B64C33/02GK106005405SQ201610566362
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】張衛(wèi)平, 陳暢, 鄒陽, 樓星梁, 孫浩, 朱甲強, 李帆, 李一帆
【申請人】上海交通大學(xué)