一種可變撲動幅度的懸停撲翼實驗裝置

2024-04-13 08:04:05

1.本發明屬於撲翼飛行器領域，尤其涉及一種可變撲動幅度的懸停撲翼實驗裝置。


背景技術：

2.撲翼飛行器是一種依靠機翼撲動同時產生升力和推力的仿生飛行器，由於其隱蔽性好，氣動效率高的特點，受到了國內外學者的廣泛關注，尤其以懸停蜂鳥為仿生對象的懸停撲翼飛行器得到了廣泛研究。
3.懸停撲翼飛行器實現懸停飛行的關鍵在於撲翼產生足夠的用於平衡重力的升力，由於撲翼撲動過程中產生複雜的變形，並且撲動包含多自由度的運動，使用基於計算流體力學的方法評估懸停升力需要消耗巨大計算資源，並且由於無法準確復現撲動過程，因此精度不高。為了準確評估懸停撲翼升力，目前國內外學者主要的是針對撲翼飛行器進行測力實驗的方式。
4.目前國內外用於實驗的懸停撲翼飛行器或飛行平臺主要採用的驅動方式為連杆傳動和繩輪傳動。如南京理工大學的基於連杆的仿蜂鳥撲翼飛行器，申請號為cn201910506376.2，公開號為cn110329505a，北京航空航天大學的基於連杆的仿蜂鳥撲翼飛行器，申請號為cn201810140193.9，公開號為cn108438218a。美國航空環境公司的nano hummingbird和布魯塞爾自由大學的colibri採用了繩輪機構。兩種傳動方式均能夠作為懸停撲翼驅動方式，連杆傳動由於受到傳動角的限制，在實現140
°‑
180
°
的較大撲動幅度時存在困難，並且多級連杆傳動效率較低，可靠性差。繩輪傳動雖然能夠實現撲翼大幅撲動，但繩輪高速轉動時易打滑，並且傳動精度不高、安裝困難。
5.基於上述傳動方式實現的撲翼實驗平臺難以滿足變幅撲動的通用撲翼實驗平臺。煙臺大學的一種可實現大撲動幅值的微型撲翼裝置，申請號為cn202020841977.7，公開號為cn212195899u,雖能夠實現大幅撲動，但無法實現變幅。西北工業大學的差動變幅撲翼驅動機構以及驅動方法，申請號為cn201510745937.6，公開號為cn105197240a，雖然能夠實現變幅，但無法實現140
°‑
180
°
的較大撲動幅度，並且機構複雜。
6.由此可見，現有撲翼實驗裝置具有不足之處主要在於：傳動效率低，可靠性差，無法在滿足大幅撲動同時實現變幅撲動，並且缺乏具備測力功能的針對懸停撲翼的通用實驗裝置。


技術實現要素：

7.本發明的目的在於提供一種可變撲動幅度的懸停撲翼實驗裝置，解決了現有技術中存在的上述不足。
8.為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是：
9.本發明提供的一種可變撲動幅度的懸停撲翼實驗裝置，包括整體支架，所述整體支架的頂部安裝有電機，所述電機的輸出軸驅動連接有減速齒輪組；
10.所述減速齒輪組驅動連接有輸出齒輪組；
11.所述輸出齒輪組驅動連接有撲動翼。
12.優選地，所述整體支架包括機架、前腹板、後腹板、底板和底座，其中，所述底板固定安裝在底座的頂部；所述前腹板和後腹板分別安裝在底板的兩側；
13.所述前腹板和後腹板的頂部之間通過機架連接。
14.優選地，所述減速齒輪組包括主動齒輪、左從動齒輪和右從動齒輪，其中，所述主動齒輪安裝在電機的輸出軸上，所述主動齒輪與左從動齒輪嚙合連接；所述左從動齒輪與右從動齒輪嚙合連接。
15.優選地，所述左從動齒輪和右從動齒輪的端面上均開設有四個連杆軸安裝孔，且左從動齒輪上連杆軸安裝孔的開設位置與右從動齒輪上連杆軸安裝孔的開設位置鏡像布置。
16.優選地，所述減速齒輪組和輸出齒輪組之間通過連杆組驅動連接。
17.優選地，所述連杆組包括連杆和連杆軸，其中，所述連杆軸的一端安裝在減速齒輪組上的連接軸安裝孔內，另一端與連杆連接，所述連杆的自由端連接有滑塊，所述滑塊安裝在整體支架中；
18.所述滑塊的兩端均安裝有齒條，所述齒條與輸出齒輪組嚙合連接。
19.優選地，所述輸出齒輪組包括左輸出齒輪、右輸出齒輪、左輸出齒輪軸和右輸出齒輪軸，其中，所述左輸出齒輪安裝在左輸出齒輪軸上；所述右輸出齒輪安裝在右輸出齒輪軸上；
20.所述左輸出齒輪和右輸出齒輪均與連杆組上的齒條嚙合連接；
21.所述左輸出齒輪軸和右輸出齒輪軸分別與撲動翼中的左撲動翼和右撲動翼驅動連接。
22.優選地，所述撲動翼包括左撲動翼和右撲動翼，所述左撲動翼和右撲動翼的結構相同，其中，所述左撲動翼包括左撲動翼安裝底座、左撲動翼主梁、左撲動翼和左垂直轉軸，其中，所述左撲動翼安裝底座與輸出齒輪組中的左輸出齒輪軸連接；所述左撲動翼主梁的一端與左撲動翼安裝底座連接；所述左垂直轉軸的一端與左撲動翼安裝底座連接；
23.所述左撲動翼主梁和左垂直轉軸呈直角結構布置；
24.所述左撲動翼主梁和左垂直轉軸的自由端與左撲動翼的兩端連接。
25.與現有技術相比，本發明的有益效果是：
26.本發明提供的一種可變撲動幅度的懸停撲翼實驗裝置，利用連杆組、滑塊、輸出齒輪組的配合，可實現撲動翼的大幅度往復撲動，並且撲動幅度在120
°‑
180
°
範圍內可調，結構簡單，傳動效率高，可靠性好，通用性高，可針對不同尺寸和形式的撲翼進行測試。
附圖說明
27.圖1為本發明提供的實驗裝置立體結構示意圖；圖2為本發明提供的減速齒輪組的示意圖；圖3為本發明提供的連杆組與滑塊在機架上的安裝示意圖；圖4為本發明提供的機架的仰視圖；圖5為本發明提供的輸出齒輪組與輸出齒輪底座組安裝形式爆炸圖；圖6為本發明提供的右撲動翼結構示意圖；
圖7為本發明提供的底板俯視圖；圖8為本發明提供的右垂直轉軸固定座示意圖；下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0028][0029][0030][0031][0032][0033]
具體實施方式
[0034]
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0035]
本發明提供一種可變撲動幅度的懸停撲翼實驗裝置，結構簡單，可靠性高，能夠較為準確開展撲動翼懸停撲動的力與力矩測量。
[0036]
該試驗裝置的撲動幅度從120
°‑
180
°
可調，通用性高，可針對不同尺寸和形式的撲翼進行測試。
[0037]
本發明提供一種可變撲動幅度的懸停撲翼實驗裝置，包括：
[0038]
(一)機架
[0039]
機架2為外形左右對稱的整體結構，以電機安裝面為頂面，如圖4所示，為機架的仰視圖。機架2的中間部位開設主動齒輪孔1-5，通過主動齒輪孔1-5，使主動齒輪3a穿過機架2，並固定電機1於機架2上。
[0040]
機架2前後兩端分別設有軸線垂直於機架表面的結構固定孔1-1、1-2、1-10、1-11，通過前端結構固定孔1-1、1-2將機架2與前腹板10a固定，通過後端結構固定孔1-10、1-11將機架2與後腹板10b固定。
[0041]
機架2中間部位開設減速齒輪安裝孔1-3、1-4，通過減速齒輪安裝孔1-3、1-4將減速齒輪3b、3c安裝至機架2上。
[0042]
機架2左右兩側開設輸出齒輪底座安裝孔1-6、1-8、1-7、1-9，通過機架2左側的輸出齒輪底座安裝孔1-6、1-8將左齒輪底座頂板7a-1、左齒輪底座中間板7a-2，左齒輪底座底板7a-3固定在機架2上。通過機架2右側的輸出齒輪底座安裝孔1-7、1-9將右齒輪底座頂板7b-1、右齒輪底座中間板7b-2，右齒輪底座底板7b-3固定在機架2上。
[0043]
(二)電機和減速齒輪組
[0044]
電機1用於為減速齒輪組提供動力，電機1可採用定子型號為1804的外轉子直流無刷電機。
[0045]
減速齒輪組3為一級減速器，參考圖2為減速齒輪組的結構示意圖，包括主動齒輪3a，左從動齒輪3b，右從動齒輪3c，主動齒輪3a與左從動齒輪3b嚙合，所述左從動齒輪3b與所述右從動齒輪3c嚙合。主動齒輪3a、左從動齒輪3b、右從動齒輪3c均安裝於機架2底部。主動齒輪3a、左從動齒輪3b、右從動齒輪3c的模數相同。
[0046]
左從動齒輪3b與右從動齒輪3c表面均開設四個用於調幅的連杆軸安裝孔，其中，左從動齒輪3b表面的連杆軸安裝孔3b-1、3b-2、3b-3、3b-4，對應撲動幅度分別為120
°
、140
°
、160
°
、180
°
，四個連接軸安裝孔沿左從動齒輪3b的周向均勻分布，四個連接軸安裝孔
與左從動齒輪3b軸孔的距離不同，3b-1、3b-2、3b-3、3b-4與左從動齒輪3b軸孔的距離逐漸增大，通過調整連杆軸4c安裝於不同位置的連杆軸安裝孔，可實現對撲動幅度的調整。
[0047]
右從動齒輪3c表面的連杆軸安裝孔3c-1、3c-2、3c-3、3c-4對應撲動幅度分別為120
°
、140
°
、160
°
、180
°
，左從動齒輪3b表面的連杆軸安裝孔與右從動齒輪3c表面的連杆軸安裝孔呈鏡像對稱。
[0048]
在調整撲動機構的撲動幅度時，將左從動齒輪3b的連杆軸4c與右從動齒輪3c的連杆軸4d同步調整至相同撲動幅度的安裝孔，實現調幅。
[0049]
(三)滑塊與連杆組
[0050]
參考圖3，為連杆組與滑塊在機架2上的安裝示意圖。連杆組包括左連杆4a、右連杆4b、左連杆軸4c、右連杆軸4d。
[0051]
左連杆軸4c安裝於左從動齒輪3b上的連杆軸安裝孔內，右連杆軸4d安裝於右從動齒輪3c的連杆軸安裝孔內，並且左連杆軸4c在左從動齒輪3b上的安裝位置與右連杆軸4d在右從動齒輪3c上的安裝位置鏡像對稱。
[0052]
左連杆4a一端安裝於左從動齒輪3a上的可調連杆軸4c，另一端與滑塊5左側鉸接，右連杆4b一端安裝於右從動齒輪3b上的可調連杆軸4d，另一端與滑塊5右側鉸接，其中，左連杆4a和右連杆4b在滑塊5的鉸接位置左右對稱。
[0053]
通過減速齒輪與連杆的配合，可將電機的高速旋轉轉變為滑塊的上下直線運動。
[0054]
(四)輸出齒輪組與輸出齒輪底座組
[0055]
參考圖5，為輸出齒輪組與輸出齒輪底座組安裝形式爆炸圖。輸出齒輪組6包括左輸出齒輪6a、右輸出齒輪6b，左輸出齒輪軸6c，右輸出齒輪軸6d。左輸出齒輪6a通過過盈配合安裝於左輸出齒輪軸6c，另外，左輸出齒輪軸6c貫穿左輸出齒輪6a，上下各留有一定長度。右輸出齒輪6b通過過盈配合安裝於右輸出齒輪軸6d，另外，右輸出齒輪軸6d貫穿右輸出齒輪6b，上下各留有一定長度。左輸出齒輪6a與滑塊5左側齒條嚙合，右輸出齒輪6b與滑塊5右側齒條嚙合。
[0056]
輸出齒輪底座組7包括左齒輪底座頂板7a-1、左齒輪底座中間板7a-2，左齒輪底座底板7a-3、右齒輪底座頂板7b-1、右齒輪底座中間板7b-2，右齒輪底座底板7b-3。左齒輪底座中間板7a-2通過安裝孔7a-2-1、7a-2-2安裝於機架2上方，左齒輪底座頂板7a-1通過安裝孔7a-1-1、7a-1-2安裝於左齒輪底座中間板7a-2上方，左齒輪底座底板7a-3通過安裝孔7a-3-1、7a-3-2安裝於機架2下方。
[0057]
右齒輪底座中間板7b-2通過安裝孔7b-2-1、7b-2-2安裝於機架2上方，右齒輪底座頂板7b-1通過安裝孔7b-1-1、7b-1-2安裝於右齒輪底座中間板7b-2上方。右齒輪底座底板7b-3通過安裝孔7b-3-1、7b-3-2安裝於機架2下方。
[0058]
左齒輪輸出軸6c上端通過安裝孔7a-1-3安裝於左齒輪底座頂板7a-1，左齒輪輸出軸6c下端通過安裝孔7a-3-3安裝於左齒輪底座底板7a-3，右齒輪輸出軸6d上端通過安裝孔7b-1-3安裝於右齒輪底座頂板7b-1，右齒輪輸出軸6d下端通過安裝孔7b-3-3安裝於右齒輪底座底板7b-3。
[0059]
(五)撲動翼安裝底座與撲動翼
[0060]
撲動翼安裝底座8包括左撲動翼安裝底座8a、右撲動翼安裝底座8b、左撲動翼主梁8c，右撲動翼主梁8d。左撲動翼主梁8c採用1.5mm直徑的碳杆，一端通過過盈配合固定於左
撲動翼安裝底座8a的孔8a-3；右撲動翼主梁8d採用1.5mm直徑的碳杆，一端通過過盈配合固定於左撲動翼安裝底座8b的孔8b-3。左右撲動翼主梁均伸出撲動翼安裝底座，並且伸出長度可根據測試撲動翼實際尺寸進行調整，保證通用性。
[0061]
左撲動翼安裝底座8a採用過盈配合方式通過孔8a-2安裝在左輸出齒輪軸6c下端，右撲動翼安裝底座8b採用過盈配合方式通過孔8b-2安裝在右輸出齒輪軸6d上。
[0062]
左輸出齒輪軸6c驅動左撲動翼安裝底座8a作往復旋轉運動，左撲動翼主梁8c由左撲動翼安裝底座8a驅動，帶動左撲動翼9a運動；右輸出齒輪軸6d驅動右撲動翼安裝底座8b作往復旋轉運動，右撲動翼主梁8d由右撲動翼安裝底座8b驅動，帶動右撲動翼9b運動。
[0063]
撲動翼9包括左撲動翼9a和右撲動翼9b，其中，參考圖6所示，以右撲動翼9b為例：
[0064]
右撲動翼9b的前緣為套筒形式，該前緣套筒直徑為2mm，右撲動翼主梁8d穿過右撲動翼9b的前緣套筒9b-1，右撲動翼主梁8d與右撲動翼前緣套筒9b-1之間存在間隙，使得右撲動翼9b能夠繞右撲動翼主梁8d旋轉。
[0065]
右撲動翼9b的根部為套筒形式,該根部套筒直徑為1.5mm-2mm，右垂直轉軸13b穿過右撲動翼9b的根部套筒9b-2，右垂直轉軸13b與右撲動翼9b的根部套筒9b-2之間存在間隙，使得右撲動翼9b的根部套筒9b-2能夠繞著右垂直轉軸13b旋轉。
[0066]
左垂直轉軸13a和右垂直轉軸13b均採用直徑1mm的鋼棒，且左垂直轉軸13a與左齒輪輸出軸6c同軸，右垂直轉軸13b與右齒輪輸出軸6d同軸。
[0067]
左垂直轉軸13a的頂部與左撲動翼安裝底座8a的孔8a-1間隙配合，右垂直轉軸13b的頂部與右撲動翼安裝底座8b的孔8b-1間隙配合。
[0068]
(六)底板與垂直轉軸固定座
[0069]
參考圖7為底板11的俯視圖，底板11為外形左右對稱的整體結構，前端開設有軸線垂直於底板表面的結構固定孔11-3、11-4，用以固定前腹板10a，後端開設有軸線垂直於底板表面的結構固定孔11-1、11-2，用以固定後腹板10b。
[0070]
底板11中間開設三個測力傳感器安裝孔11-11、11-12、11-13。其中孔11-11在底板11的縱向對稱軸內，孔11-12與孔11-13關於底板縱向對稱軸對稱分布；所述孔11-11、11-12、11-13的圓心間距兩兩相等，且三孔的圓心位於直徑為33mm的圓上。
[0071]
底板左右兩側的耳片上開設有與垂直轉軸固定座12連接的孔，包括與左垂直轉軸固定底座12a連接的孔11-8、11-9、11-10，與右垂直轉軸固定底座12c連接的孔11-5、11-6、11-7。
[0072]
(七)垂直轉軸固定座
[0073]
所述垂直轉軸固定座包括左垂直轉軸固定底座12a，左垂直轉軸卡榫12b、右垂直轉軸固定底座12c，右垂直轉軸卡榫12d，其中，所述左垂直轉軸固定底座12a和左垂直轉軸卡榫12b之間榫卯連接；所述右垂直轉軸固定底座12c和右垂直轉軸卡榫12d之間榫卯連接；該連接方式方便拆卸更換撲動翼，又能夠保證撲動過程，垂直轉軸能夠被固定住。
[0074]
參考圖8所示，其中，以右垂直轉軸固定座為例，右垂直轉軸固定底座12c通過孔12c-1、12c-2、12c-3固定於底板11右側的耳片上，右垂直轉軸卡榫12d配合安裝在右垂直轉軸固定底座12c中，右垂直轉軸固定底座的孔12c-4與右撲動翼安裝底座8b的孔8b-1同軸，經過右垂直轉軸卡榫12d與右垂直轉軸固定底座12c的配合安裝後，右垂直轉軸13b的底部固定於右垂直轉軸固定底座的孔12c-4。
[0075]
測力傳感器14的頂部安裝於底板11的底部，測力傳感器可選用ati公司的mini40測力傳感器。
[0076]
測力傳感器固定於底座15上。
[0077]
本發明的工作過程：
[0078]
電機1的輸出軸與減速齒輪組3驅動連接，用於驅動主動齒輪3a轉動；
[0079]
所述主動齒輪3a的轉動依次驅動左從動齒輪3b和右從動齒輪3c轉動；進而分別帶動左連杆軸4c和右連杆軸4d轉動；
[0080]
所述左連杆軸4c和右連杆軸4d的轉動分別帶動左連杆4a和右連杆4b移動，進而帶動滑塊5來回移動。
[0081]
所述滑塊5的來回移動帶動左右齒條來回移動，所述左右齒條分別與左輸出齒輪6a和右輸出齒輪6b嚙合連接，進而帶動左輸出齒輪6a和右輸出齒輪6b轉動。
[0082]
進而通過安裝在左輸出齒輪6a和右輸出齒輪6b上的左輸出齒輪軸6c和右輸出齒輪軸6d帶動左撲動翼安裝底座8a和右撲動翼安裝底座8b轉動。
[0083]
進而通過左撲動翼安裝底座8a和右撲動翼安裝底座8b帶動左撲動翼9a和右撲動翼9b撲動。
[0084]
左從動齒輪3b上布置四個連杆軸安裝孔，分別為3b-1、3b-2、3b-3、3b-4；右從動齒輪3c上布置四個連杆軸安裝孔，分別為3c-1、3c-2、3c-3、3c-4；調整撲動幅度時，將左從動齒輪3b上的連杆軸4c從當前連杆軸安裝孔更換至下一連杆軸安裝孔，同時將右從動齒輪3c上的連杆軸4d從當前連杆軸安裝孔更換至下一連杆軸安裝孔，並保證連杆軸4c和連杆軸4d的位置呈鏡像布置；3b-1、3b-2、3b-3、3b-4連杆軸安裝孔分別對應撲動幅度為120
°
、140
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、160
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、180
°
；3c-1、3c-2、3c-3、3c-4連杆軸安裝孔分別對應撲動幅度為120
°
、140
°
、160
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、180
°
。
[0085]
本發明結構簡單，可靠性高，通用性好，利用連杆組、滑塊、輸出齒輪組的配合，可實現撲動翼的大幅度往復撲動，通過調整減速齒輪上的連杆軸安裝位置可實現撲動翼撲動幅度從120
°‑
180
°
可調，可針對不同尺寸和形式的撲動翼進行力與力矩的測量。
[0086]
開展力的力矩測量時，先將撲動翼設定到預定撲動頻率，待撲動翼穩定撲動後，讀取並記錄測力傳感器此時測量得到的力與力矩數據，即為撲動機構驅動撲動翼產生的力與力矩。