拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器的製作方法

2023-05-29 00:42:11 1

專利名稱：拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型飛行器，尤指一種拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器。
背景技術：
為應和無人駕駛、可遙控的微型飛行器(MAV)在救援、偵察、監視、傳 訊、軍事或玩具上的用途，已有模仿昆蟲或飛鳥拍翼飛行的微型飛行器被揭露 出來。
例如，美國專利第6,082,671號公開了多模式仿昆蟲飛行器(Entom叩ter)， 此為模仿昆蟲的拍翼飛行特性以產生升力(lift),但是其缺乏產生充沛推力 (thrust)的機制，因此其飛行性能倍受限制。
而一般微型拍翼飛行器(ornithopter)用來模擬昆蟲或飛鳥的拍翼飛行，若 欲兼顧其升力與推力的提升，則必須具仿生的拍翼(flapping )與翻轉(pitching ) 機制，其機、電構造將趨複雜，且需依賴控制機制(control mechanism )，在微 小化的飛行器中要配備如此複雜的機、電及控制裝置，則增加了製作的困難與 成本；就連其電池或供電系統，也有載重、電力使用時間、續航力等諸多因素 有待考慮。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種拍翼軌跡呈8字形的仿生微型 飛行器，同時具備升力和推力的飛行性能，且成本低，製作簡單，適用於救援、 偵察、監視、傳訊、軍事或玩具等多種場合。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的本發明提供的拍翼軌 跡呈8字形的仿生微型飛行器包括拍翼傳動機構，設在該機身的前端；
拍翼，設在該機身的前方，且由該傳動機構所連動；以及
尾翼，設在該機身尾部；
該拍翼傳動機構是單自由度拍翼傳動機構，操作地驅動該拍翼使產生8字 形的拍翼軌跡，並賦予該飛行器的升力及推力。
本發明成功地將MAV往下減重到6g的範圍。本發明的可撓機翼骨架配合 單自由度四連杆傳動的上下拍翼機構是最簡潔且適用的設計，能同時產生升力 與推力，而且碳纖棒製成的翼前緣懸臂的截面最好是圓形，另外拍翼頻率須遠 小於翼前緣懸臂的自然頻率，以避免發生共振，而損害其結構。


圖l為本發明中飛行器的外觀示意圖； 圖2為本發明中傳動機構組合後的立體示意圖； 圖3為圖2中各組件的立體分解圖； 圖4為本發明中飛行器加上機鼻的另一示意圖； 圖5為本發明修飾尾翼的示意圖； 圖5a為圖5沿A-A方向的截面圖6為以高速電荷耦合器件圖像傳感器(CCD)拍攝的本發明於20.83Hz 拍翼頻率下作連續飛行的實況圖；其中1 P為對應A H的側視圖(其機翼未加 補強肋)；而Q X也為對應A H的側視圖(但機翼有加補強肋)；
圖7為以高速CCD拍攝本發明翼尖的8字形軌跡圖(其中有加30度的補 強肋)；
圖8為以高速CCD拍攝本發明翼尖的8字形軌跡圖(其中未加30度的補 強肋)。
5附圖標記說明
1機身2拍翼傳動.
3拍翼4尾翼
31翼前緣懸臂32翼膜
33中間部34鏤空部
10機鼻20基座
21馬達22驅轉齒輪
23內齒輪231傳動齒輪
24外齒輪
25、 26驅動連杆27、 28偏動杆
35補強肋
241凸輪
具體實施例方式
參閱圖1至圖3,本發明拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器包括機身1; 拍翼傳動機構2;拍翼3;以及尾翼4。
該拍翼傳動機構2是單自由度拍翼傳動機構，設在機身l前端，位於該機 身前方的拍翼3的下方且操作驅動該拍翼3產生8字形的拍翼軌跡，而賦予該 飛行器的升力及推力。所述尾翼4設在機身尾部。
如圖2，圖3所示，該拍翼傳統機構2可為四連杆拍翼傳動機構，其包括 基座20連接在機身1的前端下方，馬達21電氣連接電池(未示出)以供電驅 轉該馬達，驅轉齒輪22軸接馬達21,由內齒輪23、傳動齒輪231及外齒輪24 組成的減速齒輪組嚙合該驅轉齒輪22，以使馬達21轉速減速，凸輪241軸接 該減速齒輪組中的外齒輪24且樞接第一驅動連杆25,第二驅動連杆26樞連該 外齒輪24, —對偏動杆27、 28分別樞接於該基座20的兩端；各該偏動杆27 或28裡端分別樞連該第一、第二驅動連杆25、 26,而各該偏動杆27或28外 端則分別固接該拍翼3的一對翼前緣懸臂31中的一個，驅轉該馬達21以驅動該四連杆傳動機構時，能上、下往復拍動該對翼前緣懸臂31及所連接的拍翼3。
該拍翼3為複合式可撓性機翼結構，其翼前緣(leading edge )為一對可撓 性翼前緣懸臂31 (或懸梁)，向著翼後緣(trailing edge)的方向連接可呈現波 浪狀的翼膜32，當翼前緣在拍動平面上作上下往復拍撲時，可令該拍翼3因拍 動加上振動疊加出三維空間的8字形拍翼軌跡，而賦予該飛行器的升力與推力。
該翼前緣懸臂31可用碳纖維或塑料等質輕、富可撓性的材質加以製作。當 然樞轉用的關節可用鋁合金、鈦合金或其它輕質塑料製作。
該翼膜32採用厚度為20~30微米的聚對二甲苯(parylene或 poly-para-xylene)等輕質材料，可撓性薄膜加以製作。
但是本發明的製作材料並未限定在所述的材料，可加以適當修飾、變化應用。
該翼膜32鄰其翼根部(即接近中間部33處)開設鏤空部34, —則不會阻 礙該傳動機構2的上下往復動作，二則不會"綁死"該翼膜，以免阻滯波浪狀 拍翼變形的順暢傳遞。
該翼膜32上可連設若干補強肋35 (rib)以增其強度(如圖5a所示)。 如圖4所示，該機身l或傳動機構2前端可加設機鼻IO以減風阻，並增機 型美觀。
如圖5所示，將圖l和圖4的尾翼4修飾為仿鳥尾的造型，但此為公知技 術，不作詳述。
本發明的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器(翼展可低至20公分以下， 機重可輕至5.9克)雖以簡單的拍翼傳動機構2進行拍翼，但卻能產生拍動與 振動疊加出三維空間的8字形拍翼軌跡，不僅產生升力，且充沛推力，而賦予 優異的飛行特性，整體構造簡單，製作成本低廉，而富經濟實用價值。
本發明的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器還採用鋰電池動力遙控方式 飛行，直徑6 7mm的電動馬達安裝在塑料基座，並以一組塑料齒輪與四連杆機 構(4-bar linkage)減速傳動為機翼的往復拍翼運動，鋰電池的電容量為 30 70mAh。拍翼傳動機構的爆炸分解圖如圖3所示。要注意本發明可撓性機翼的聚對二甲苯(parylene )蒙皮只與翼前緣骨架以不變形但可轉動的邊界條件方 式連接，所以當上下往復簡諧拍動時，機翼的瞬時攻角(angle-of-attack)會被 動地跟著進行同頻率簡諧往復變動，從而產生振翅動作並產生升力(lift)，當 然也包括"失速延遲"(delayed stall )、"尾跡捕捉"(wake capture )與"旋轉旋 度"(rotation circulation),而自然地同時產生升力與推力。
本發明可將質量輕，強度均勻的碳纖維(直徑0.6 mm,規格0.43g/m)細 杆安裝在鋁合金關節，取代一般微飛行器用巴沙木材質杆件，以避免因使用過 久而導致磨損擴孔。另外將MAV持續減重縮小，翼展可降至20公分，機重則 為5.9克。
本發明利用可撓性材料作為拍翼式微型飛行器的機翼結構，還具有流固耦 合現象利用圖2、圖3所示的單自由度拍翼傳動機構，只要機翼結構的主要 自然振頻(例如此實施例為85Hz)遠高於拍翼頻率(例如此實施例為15~22Hz), 原本機翼上下往復的拍動，便可經由本發明抗彎慣性矩均不大的"碳纖維-聚對 二甲苯"複合式可撓性機翼結構，成功耦合到流向(streamwise)的前後振動。 換言之，翼前緣在拍動平面上下往復拍撲的同時，產生推力，且推力最明顯時 發生在接近最上點或最下點行程逆轉(stroke reversal)處，因此在接近行程逆 轉時翼尖部位變形量最為明顯，而同構型地(coherently)以相同頻率進行往前 來回振動，最終令拍動加上振動疊加出三維空間8字形拍翼軌跡。為進一步驗 證本實施例，將本發明的可撓性機翼架構安裝到風洞之中，使其自由拍動，並 同時對其高速攝影，如圖6所示。可撓機翼面的外形沒有太大的限制，唯一要 注意的是當拍動時，機翼蒙皮的表面形貌能呈現波浪狀， 一方面由翼前緣往翼 後緣(trailing edge)傳遞，另一方面由兩端翼尖(tip)向中央翼根(root)傳 遞。所以若要加上強化機翼的補強肋(rib),接近翼根部不能與主機翼架構綁 死，以免妨礙波浪狀拍翼變形的順暢傳遞。至於強化肋條與翼前緣夾角可為30
度，或其它適當角度。
同一拍翼頻率下的連續幾個周期的軌跡雖不重合，不過可視為同一約東範
圍之內的結果。本實施例收集整理了不同的拍翼頻率下各自掃過的8字形軌跡
8如圖7、圖8所示，該8字形的寬長比(width-to-lengthratio)數值呈現單調的 變化，頻率越高，8字越明顯且呈短胖狀；頻率降低，8字形窄化。另一方面， 較佳的8字拍翼軌跡只出現在某一段頻率區間，例如圖7有強化翼肋(剛性較 佳)的15.6 21.7Hz，與圖8無強化翼肋(剛性較差)的ll.9~20.8Hz;換言之， 機翼的剛性越高，出現適當的8字拍翼的頻率區間也越往髙頻移動。
本發明的聚對二甲苯(parylene)翼後緣可撓性佳，至於翼前緣的碳纖細杆, 不管在拍動的平行或垂直方向，牽就於碳纖維的質地與細長外型特性，抗彎強 度儘管不是最理想，而沿平行拍動的方向來看，因翼前緣撓性有限而產生的彎 曲變形，固然造成升力渦流的延遲發生，有礙於"失速延遲"與升力的維持， 但8字形拍翼瞬間恰好營造了行程逆轉的"反槳"效果，增加的正旋(pronation) 與反旋(supination)行程在某種程度內以"尾跡捕捉"與"旋轉旋度"的機制 適當地彌補了升力在平移行程上因撓性延遲的損失。
另一方面，若沿著流向方向(或垂直拍動的方向)來看，其誘引出的前後 彎曲振動，不僅直接成就了 8字形拍翼的事實，也落實了推力(thrust)充沛的 說法。更明確地說，當機翼往下拍動時所產生推動空氣往後的力道若夠強勁， 其反作用力(reactant;也即推力)自然同時迫使機翼往前挪動或變形，因此配 合機翼上抬行程而與遠低於結構自然振頻的往後回彈，即產生本發明8字形拍 翼軌跡。如此的8字形軌跡拍翼具有充沛推力，為上述可撓機翼蒙皮波浪起伏 傳遞的結果，由於一般有效推進的拍翼，翼尖攻角遠負於翼根攻角，因此在拍 翼行程時，翼尖總受力所提供充足的推力會超過翼根的阻力(drag)。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
9
權利要求
1、一種拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於，其包括機身；拍翼傳動機構，設在該機身的前端；拍翼，設在該機身的前方，且由該拍翼傳動機構所連動；以及尾翼，設在該機身尾部；該拍翼傳動機構是單自由度拍翼傳動機構，操作地驅動該拍翼使產生8字形的拍翼軌跡，並賦予該飛行器的升力及推力。
2、 如權利要求1所述的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於， 所述拍翼傳統機構為四連杆拍翼傳動機構，包括基座連接於所述機身的前端 下方，馬達電氣連接電池，以供電驅轉該馬達，驅轉齒輪軸接該馬達，減速齒 輪組嚙合該驅轉齒輪，以將馬達轉速減速，凸輪軸接該減速齒輪組中的外齒輪 且樞接第一驅動連杆，第二驅動連杆樞連該外齒輪， 一對偏動杆分別樞接於該 基座的兩極端；所述各個偏動杆裡端分別樞連該第一、第二驅動連杆中的一個， 而所述各個偏動杆外端則分別固接該拍翼的一對翼前緣懸臂中的一個，在驅轉 該馬達以驅動該四連杆傳動機構時，上、下往復拍動該對翼前緣懸臂及所連接 的拍翼。
3、 如權利要求1所述的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於， 所述拍翼為複合式可撓性機翼結構，其翼前緣為一對可撓性翼前緣懸臂，向著 翼後緣的方向連接可呈現波浪狀的翼膜，該翼前緣在拍動平面上作上下往復拍 撲時，該拍翼因拍動加上振動疊加出三維空間的8字形拍翼軌跡，以賦予該飛 行器升力與推力。
4、 如權利要求3所述的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於,所述翼前緣懸臂由碳纖維或塑料等質輕、富可撓性的材質製成。
5 、如權利要求3所述的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於,所述翼膜由聚對二甲苯製成。
6、 如權利要求l所述的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於, 所述翼膜鄰其翼根部開設鏤空部。
7、 如權利要求1所述的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於，所述翼膜連設有補強肋。
8、 如權利要求1所述的拍翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器，其特徵在於， 所述機身或所述傳動機構前端加設機鼻。
全文摘要
一種拍翼軌跡呈8字形的仿生(biomimetic)微型飛行器，利用可撓式的碳纖維棒與聚對二甲苯薄膜，分別作為掌狀大小微型飛行器的機翼骨架與機翼蒙皮。即便拍翼(齒輪連杆)傳動機構只是單自由度的四連杆(機構)設計，但上下拍翼的連動經由可撓性機翼的材質與外型設計，成功耦合到流向的前後振動，因此使翼尖組合出三維的8字形拍翼軌跡；該8字形軌跡發生於接近或甚至超過20Hz的拍翼頻率，由此構成構造簡單的微型飛行器，可經由空氣彈性力學的本質而自動產生，無需藉助複雜精巧的多自由度運動機構設計。
文檔編號B64C33/00GK101508343SQ20081000816
公開日2009年8月19日 申請日期2008年2月14日 優先權日2008年2月14日
發明者楊龍傑 申請人:私立淡江大學