一種撲動‑扭轉耦合仿生鳥的製作方法

2023-06-11 17:33:26 1

本發明涉及撲翼飛行器領域，尤其涉及一種撲動-扭轉耦合仿生鳥。

背景技術：

撲翼飛行具有很好的機動性和靈活性，相比於固定翼飛行器，在低雷諾數下，能夠充分利用非定常空氣動力特性獲取高升力，具有很高的飛行穩定性。多自由度撲翼運動相比單自由度撲翼運動能夠更好地模擬飛行生物的姿態，飛行靈活，並且在運動的過程中能夠更好地控制飛行方式。

目前的撲翼飛行器的結構分單自由度和兩自由度兩種形式。

其中，單自由度撲翼飛行器採用結構有單曲柄搖杆機構和雙曲柄搖杆機構。單曲柄搖杆機構具有結構簡單、輕便靈活等特點，但運動時兩側機翼撲動不對稱，有一定的相位差，從而對撲翼的飛行穩定性產生影響；雙曲柄搖杆機構採用完全對稱設計，從而使載荷分布均勻、傳動平穩，然而該撲翼只有一個自由度，淨升力有限，仿生程度較低，氣動性能較差。

兩自由度撲翼飛行器能實現撲動-扭轉兩個動作，常見兩自由度的翼尖為「8」字形和「0」字形，「8」字形撲動方式比「0」字形撲動方式和單自由度撲動具有更好的氣動性。但目前的兩自由度撲翼飛行器多採用凸輪機構或球副機構來實現扭轉動作，凸輪與從動件之間為高副連接，在接觸處容易產生嚴重磨損，從而影響飛行穩定性能；此外，球副加工困難，並且引入虛約束，在實際傳動過程中平穩性較差。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種撲動-扭轉耦合仿生鳥，能實現撲動-扭轉兩種動作，撲動角和扭轉角相位相差90°，使仿生鳥具有良好的飛行氣動性能。

本發明的技術方案是這樣實現的：本發明提供了一種撲動-扭轉耦合仿生鳥，其包括機架、兩機翼、電機、第一減速齒輪、主齒輪和長軸，電機固定在機架上，電機旋轉軸上固定有主齒輪，主齒輪與第一減速齒輪傳動連接，長軸沿第一減速齒輪中心軸方向穿過並與之固定，長軸垂直穿過機架，還包括兩曲柄、兩搖杆、兩拉杆、兩機翼連杆和一開槽方塊，兩曲柄分別對稱設置於機架兩側且端部與長軸垂直固定，搖杆兩端分別鉸接曲柄與拉杆，搖杆兩端的鉸接孔相互垂直，機翼連杆一端與拉杆鉸接、一端與開槽方塊鉸接，開槽方塊開槽處設置有中軸，中軸與垂直穿過機架，開槽方塊嵌套在機架外側，兩機翼分別與兩機翼連杆固定並相對機架對稱設置。

在以上技術方案的基礎上，優選的，設曲柄有效連接長度為l1、搖杆有效連接長度為l2、拉杆有效連接長度為l3、機翼連杆有效連接長度為l4，機翼連杆與中軸之間的距離為l5，中軸與長軸之間的距離為h，機架、曲柄與長軸連接點之間的距離為a，則h：a：l1：l2：l3：l4：l5=26.5：27.5：13：18：16：30：7。

在以上技術方案的基礎上，優選的，還包括第二減速齒輪、軸承和兩微型軸承，第二減速齒輪分別與第一減速齒輪、主齒輪嚙合，軸承分別連接長軸和機架，兩微型軸承分別連接機翼連杆和開槽方塊。

在以上技術方案的基礎上，優選的，還包括兩長翅脈和兩短翅脈，兩長翅脈分別沿機翼連杆方向設置並與之固定，兩短翅脈分別沿機翼連杆垂直方向設置並與之固定，機翼包括兩直邊以及一弧形邊，兩直邊分別固定一長翅脈和一短翅脈。

在以上技術方案的基礎上，優選的，還包括副翼和方向舵機，副翼與機架尾部鉸接，方向舵機包括線圈、強磁鐵和連接頭，線圈固定在機架尾部，連接頭分別固定副翼與強磁鐵，強磁鐵伸入線圈內。

在以上技術方案的基礎上，優選的，還包括兩尾翼、升降舵機、大頭扣和尾翼軸，升降舵機固定在機架上，大頭扣與兩尾翼尾部分別固定，兩尾翼之間由尾翼軸連接。

在以上技術方案的基礎上，優選的，還包括固定在機架上的控制器、鋰電池和攝像頭，以及發射機，發射機與控制器信號連接，鋰電池與控制器、攝像頭、方向舵機、升降舵機和電機電性連接，控制器與攝像頭、方向舵機、升降舵機和電機信號連接。

本發明的撲動-扭轉耦合仿生鳥相對於現有技術具有以下有益效果：

（1）採用空間連杆機構，能實現撲動-扭轉兩種動作；

（2）連杆之間用轉動副連接，能顯著降低機構重量；

（3）通過設置特定的連杆長度，從而調整撲翼平均上反角，撲動角和扭轉角相位相差90°，提高飛行平穩性；

（4）本發明設計的仿生鳥結構緊湊、運行平穩、無幹涉、無卡點，而且兩側運動對稱。

附圖說明

圖1為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的立體圖；

圖2為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的部分結構分解圖；

圖3為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的正視圖；

圖4為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的搖杆立體圖；

圖5為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的連杆部分的長度關係示意圖；

圖6為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的方向控制部分的結構圖；

圖7為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的升降控制部分的結構圖；

圖8為本發明撲動-扭轉耦合仿生鳥的控制部分的連接關係圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施方式，對本發明技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基於本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1所示，結合圖2，本發明的撲動-扭轉耦合仿生鳥，其包括機架1、兩機翼4、電機22、第一減速齒輪19、主齒輪21和長軸15。

機架1，沿x軸向設置，具體的，還可在兩側設置機殼2。

電機22，提供機翼4撲動-扭轉的動力，其沿y軸方向固定在機架1上，電機22旋轉軸上固定有主齒輪21，主齒輪21與第一減速齒輪19傳動連接。具體的，還包括第二減速齒輪20，第二減速齒輪20分別與第一減速齒輪19、主齒輪21嚙合。

長軸15沿第一減速齒輪19中心軸方向穿過並與之固定，具體的，其沿y軸方向設置，長軸15垂直穿過機架1。具體的，還包括軸承18，軸承18分別連接長軸15和機架1。

如圖3所示，還包括兩曲柄11、兩搖杆10、兩拉杆9、兩機翼連杆8和一開槽方塊13。

兩曲柄11分別對稱設置於機架1兩側且端部與長軸15垂直固定，搖杆10兩端分別鉸接曲柄11與拉杆9，如圖4所示，搖杆10兩端的鉸接孔相互垂直，機翼連杆8一端與拉杆9鉸接、一端與開槽方塊13鉸接，開槽方塊13開槽處設置有中軸14，中軸14與垂直穿過機架1，開槽方塊13嵌套在機架1外側，兩機翼4分別與兩機翼連杆8固定並相對機架1對稱設置。具體的，如圖5所示，還包括兩微型軸承12，兩微型軸承12分別連接機翼連杆8和開槽方塊13。具體的，設曲柄11有效連接長度為l1、搖杆10有效連接長度為l2、拉杆9有效連接長度為l3、機翼連杆8有效連接長度為l4，機翼連杆8與中軸14之間的距離為l5，中軸14與長軸15之間的距離為h，機架1、曲柄11與長軸15連接點之間的距離為a，則h：a：l1：l2：l3：l4：l5=26.5：27.5：13：18：16：30：7。在以上連杆長度比範圍下，撲動角和扭轉角相位相差90°，使仿生鳥具有良好的飛行氣動性能。

具體的，還包括兩長翅脈16和兩短翅脈17，兩長翅脈16分別沿機翼連杆8方向設置並與之固定，兩短翅脈17分別沿機翼連杆8垂直方向設置並與之固定，機翼4包括兩直邊以及一弧形邊，兩直邊分別固定一長翅脈16和一短翅脈17。

作為本發明的方向控制部分，如圖6所示，還包括副翼6和方向舵機28，副翼6與機架1尾部鉸接，方向舵機28包括線圈29、強磁鐵30和連接頭31，線圈29固定在機架1尾部，連接頭31分別固定副翼6與強磁鐵30，強磁鐵30伸入線圈29內。如此，在線圈29通電後，與強磁鐵30產生磁力吸引或者排斥作用，從而驅動副翼6相對機架1左右擺動，從而控制方向。

具體的，作為本發明的升降控制部分，如圖7所示，還包括兩尾翼5、升降舵機25、大頭扣26和尾翼軸27，升降舵機25固定在機架1上，大頭扣26與兩尾翼5尾部分別固定，兩尾翼5之間由尾翼軸27連接。如此，升降舵機25控制大頭扣26上下運動，從而帶動兩尾翼5尾部升降，從而控制整個仿生鳥的升降。

具體的，做本發明的控制部分，如圖8所示，還包括固定在機架1上的控制器23、鋰電池24和攝像頭7，以及發射機32，發射機32與控制器23信號連接，鋰電池24與控制器23、攝像頭7、方向舵機28、升降舵機25和電機22電性連接，控制器23與攝像頭7、方向舵機28、升降舵機25和電機22信號連接。

本發明的仿生鳥的具體運動方式如下：

電機22驅動長軸15轉動，從而帶動曲柄11沿著y軸旋轉，通過搖杆10的傳到轉化，使得機翼連杆8沿著x軸往返旋轉，同時開槽方塊13帶動機翼連杆8沿著y軸往返旋轉，機翼連杆8帶動機翼4實現撲動-扭轉兩個動作。

以上所述僅為本發明的較佳實施方式而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。