專利名稱：一種雙翼式微型仿生撲翼機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型仿生飛行器領(lǐng)域，特別涉及一種雙翼式微型仿生撲翼機。
背景技術(shù)：
自然界中，鳥類或昆蟲的撲翼式飛行方式可以實現(xiàn)快速的起飛、加速和懸停，具有高度的機動性和靈活性。生物的飛行方式根據(jù)撲動的頻率主要分為三種低頻撲動方式、中頻撲動方式以及高頻撲動方式。撲翼飛行器因本身的飛行性能和使用目的等原因，在模型、軍事、航空等行業(yè)的發(fā)展上越來越重要。仿生類的撲翼飛行器的研究主要分為利用微機械(MEMS)技術(shù)的撲動和機械式撲動?；贛EMS技術(shù)的撲翼機可以使機體輕量化，達到真正意義上的仿生效果，但其成本較大，技術(shù)不夠成熟。傳統(tǒng)的機械式撲翼機具有成本低、制造技術(shù)成熟的優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且能耗較大，相比于通過微機械加工的撲翼機，往往質(zhì)量偏大。當(dāng)前微型撲翼機研究的主要問題是如何減小機體重量和體積，如何增加升力以及姿態(tài)控制。目前，常見的微型仿生撲翼機的設(shè)計中存在著以下一些常見的問題(1)撲翼運動不對稱。相當(dāng)多的微型撲翼機采用滑塊機構(gòu)或者不對稱連桿機構(gòu)實現(xiàn)撲翼運動，這種設(shè)計具有機構(gòu)簡單的優(yōu)點，卻大大增加了后期控制在保持平衡方面的復(fù)雜度。(2)單撲翼結(jié)構(gòu)。在已公布的專利中，微型撲翼機的設(shè)計多以左右兩片撲翼的上下?lián)鋭觼韺崿F(xiàn)飛行，升力有限。查閱相關(guān)文獻，現(xiàn)有的采用機械式撲動并且成功開發(fā)的微型撲翼機的機身重量多在20g以下，翼展25cm左右。在機構(gòu)、電池、電路板和電氣元件的總重量較重時，這種單撲翼結(jié)構(gòu)的撲翼機只能夠依靠增加撲翼面積來提高升力，這大大增加了微型撲翼機的體積，不符合微型撲翼機輕量化、微型化的發(fā)展趨勢。(3)轉(zhuǎn)向控制。查閱相關(guān)專利，絕大多數(shù)的微型撲翼機利用舵機拉動擺翼來實現(xiàn)機身的轉(zhuǎn)向。這種設(shè)計存在兩個明顯的缺陷1)舵機的質(zhì)量偏大，最輕的微型舵機的質(zhì)量也在3g以上，這對于以20g標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的微型撲翼機來說，是個不小的負(fù)擔(dān)；2)舵機的靈敏度較低，在轉(zhuǎn)向控制上易造成響應(yīng)的延時，在地形復(fù)雜地區(qū)飛行時，這種響應(yīng)的延時容易造成機身的損毀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種雙翼式微型仿生撲翼機。該雙翼式微型仿生撲翼機可以實現(xiàn)完全對稱的撲翼運動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，采用雙撲翼 式結(jié)構(gòu)設(shè)計增加升力，利用電磁舵拉動尾翼調(diào)節(jié)飛行方向，減輕質(zhì)量的同時增加了轉(zhuǎn)向靈敏度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種雙翼式微型仿生撲翼機，其特征是包括驅(qū)動機構(gòu)、雙撲翼機構(gòu)、尾翼機構(gòu)及主臂，驅(qū)動機構(gòu)連接在主臂的正前端，雙撲翼機構(gòu)位于主臂的正上方，尾翼機構(gòu)連接在主臂的正后端，其中驅(qū)動機構(gòu)包括菱形支架、微型直流電機、齒輪減速機構(gòu)、兩個連桿機構(gòu)和兩根撲翼架；將菱形支架豎立，定義其四個頂點分別為上頂點、下頂點、左頂點、及右頂點，上、下頂點及左、右頂點之間均設(shè)有支撐梁，上頂點與兩支撐梁交點之間的連線為中軸線，左、右頂點分列于中軸線兩側(cè)并對稱，兩支撐梁交點與下頂點之間的連線與中軸線的延長線之間設(shè)有傾斜角，兩支撐梁的交點處設(shè)有通孔，微型直流電機固定在菱形支架背面兩支撐梁的交點處，其輸出軸穿過通孔后于菱形支架的正面套接一驅(qū)動齒輪，該驅(qū)動齒輪與一減速齒輪嚙合，減速齒輪的轉(zhuǎn)軸鉸支連接在下頂點處，在菱形支架的左、右頂點處分別設(shè)置轉(zhuǎn)軸，兩轉(zhuǎn)軸上分別設(shè)有左右兩個同步齒輪且兩同步齒輪相互嚙合，設(shè)置一個與減速齒輪同軸、位于減速齒輪外側(cè)的小齒輪，該小齒輪與近側(cè)的一個同步齒輪嚙合；兩根撲翼架尺寸相同，將兩根撲翼架在中點處交叉疊合并通過一轉(zhuǎn)軸穿過兩根撲翼架鉸支連接在菱形支架的上頂點處，兩根撲翼架相對運動的交叉疊合段部分為對稱的鑲嵌設(shè)置，且相互滑動配合；在左右兩個同步齒輪上的對稱位置各設(shè)有左右兩個偏心的鉸支軸，分別鉸支連接左右兩根連桿的一端，左連桿的另一端鉸支連接在與左同步齒輪同側(cè)的一根撲翼架左端設(shè)置的鉸支軸上，右連桿的另一端鉸支連接在與右同步齒輪同側(cè)的另一根撲翼架右端設(shè)置的鉸支軸上；雙撲翼機構(gòu)包括四片相同的扇形撲翼及四根撲翼安裝桿，扇形撲翼的兩側(cè)邊互相垂直，四片扇形撲翼的一條側(cè)邊分別固定連接在四根撲翼安裝桿上，四根撲翼安裝桿分別與位于上頂點左右兩側(cè)的四段撲翼架固定連接，構(gòu)成一對對稱上撲翼和一對下?lián)湟?，四片·扇形撲翼的另一條側(cè)邊的后端均設(shè)有鉤環(huán)；尾翼機構(gòu)包括水平尾翼及垂直尾翼、垂直尾翼真立設(shè)置在水平尾翼平面的中心線上，中心線兩側(cè)的水平尾翼對稱，垂直尾翼分為兩段，前段為固定翼，與水平尾翼平面固定連接，后段為擺翼，與固定翼之間通過環(huán)形鉸鏈連接并與水平尾翼平面之間滑動配合，在固定翼上設(shè)有電磁舵，電磁舵的輸出分別通過位于固定翼兩側(cè)的兩根連桿分別連接在擺翼的兩側(cè)面上；主臂的前端垂直固定連接在菱形支架背面上頂點下方的槽孔中，主臂的后端與尾翼機構(gòu)固定連接，位于尾翼機構(gòu)前端的主臂上設(shè)有掛鉤，與四片扇形撲翼另一條側(cè)邊后端的鉤環(huán)套接。所述菱形支架的左頂點及右頂點與支撐梁交點之間，三點可為一條直線也可以是支撐梁交點與左頂點及右頂點之間為對稱的折線。所述菱形支架的兩支撐梁交點與下頂點之間的連線與中軸線的延長線之間傾斜角為5度。所述兩根撲翼架均可為直線也可以是在中點處折彎，左右兩段上傾。本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以實現(xiàn)完全對稱的撲翼運動。采用雙撲翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單撲翼設(shè)計，增加了飛行時所需的升力。用固定翼飛行模型上廣泛使用的電磁舵代替?zhèn)鹘y(tǒng)舵機來進行轉(zhuǎn)向控制，不僅減輕了機身的重量，也增加了轉(zhuǎn)向靈敏度。該雙翼式微型仿生撲翼機可在模型、監(jiān)控、情報搜集、災(zāi)難搜救等領(lǐng)域使用。


圖I是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的驅(qū)動機構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明驅(qū)動機構(gòu)中的菱形支架示意圖4是本發(fā)明的雙撲翼機構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明中由兩片撲翼構(gòu)成一對上撲翼的示意圖；圖6是本發(fā)明的尾翼機構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的主臂結(jié)構(gòu)及前、后連接示意圖；圖8是本發(fā)明的撲翼動作分解圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。 如圖I所示，雙翼式微型仿生撲翼機包括驅(qū)動機構(gòu)I、雙撲翼機構(gòu)2、尾翼機構(gòu)3及主臂(圖中看不見)，驅(qū)動機構(gòu)連接在主臂的正前端，雙撲翼機構(gòu)位于主臂的正上方，尾翼機構(gòu)連接在王臂的正后端。參看圖2、3，驅(qū)動機構(gòu)包括菱形支架、微型直流電機、齒輪減速機構(gòu)、兩個連桿機構(gòu)和兩根撲翼架。將菱形支架104豎立，定義其四個頂點分別為上頂點(開有孔204)、下頂點(開有孔209)、左頂點(開有孔201)、及右頂點(開有孔208)，上、下頂點及左、右頂點之間均設(shè)有支撐梁，上頂點孔204與兩支撐梁交點處孔207之間的連線為中軸線，左、右頂點分列于中軸線兩側(cè)并對稱，兩支撐梁交點處孔207與下頂點孔209之間的連線與中軸線的延長線之間設(shè)有右傾斜角5°。左頂點及右頂點與支撐梁交點之間，三點可為一條直線也可以如圖2所示為對稱的折線。微型直流電機110通過按裝孔202、203固定在菱形支架背面，其輸出軸穿過孔207后于菱形支架的正面套接驅(qū)動齒輪111并與減速齒輪108嚙合，減速齒輪108的轉(zhuǎn)軸鉸支連接在下頂點孔209處。在菱形支架的左、右頂點孔處分別設(shè)置轉(zhuǎn)軸，兩轉(zhuǎn)軸上分別設(shè)有左右兩個同步齒輪101、107且兩同步齒輪相互嚙合，設(shè)置一個與減速齒輪108同軸、位于減速齒輪外側(cè)的小齒輪109，該小齒輪與近側(cè)的右同步齒輪107嚙合。由于下頂點孔209設(shè)有右傾斜角5°保證了小齒輪109與同步齒輪107嚙合的同時不與另一個同步齒輪101碰撞。兩根撲翼架103、105尺寸相同，將兩根撲翼架在中點處交叉疊合并通過一轉(zhuǎn)軸穿過兩根撲翼架鉸支連接在菱形支架的上頂點孔204處。兩根撲翼架相對運動的交叉疊合段部分可通過對稱的活口，撲翼架103和105相互鑲嵌，相互滑動配合，以保證兩根撲翼架在同一垂直平面內(nèi)相對運動。兩根撲翼架可為直線也可以是如圖2在中點處折彎，左右兩段上傾。112為撲翼架105上的加強筋，有效增強撲翼架的強度，撲翼架103上分布相同的加強筋(未示出)。在左右兩個同步齒輪上的對稱位置各設(shè)有左右兩個偏心的鉸支軸，分別鉸支連接左右兩根連桿102、106的一端，左連桿102的另一端鉸支連接在與左同步齒輪101同側(cè)的撲翼架103左端設(shè)置的鉸支軸113上，右連桿106的另一端鉸支連接在與右同步齒輪107同側(cè)的撲翼架105右端設(shè)置的鉸支軸114上。參看圖4、5，雙撲翼機構(gòu)包括四片相同的扇形撲翼(薄膜材料，面積100-120 Cm2)及四根撲翼安裝桿，四片扇形撲翼的一條側(cè)邊分別固定連接在四根撲翼安裝桿301、302、303、304上(長度100-120 mm)，四根撲翼安裝桿分別與位于上頂點左右兩側(cè)的四段撲翼架(長度20-25 mm)固定連接，其連接結(jié)構(gòu)可采用將四根撲翼安裝桿前段(無扇面段)以插接方式分別伸入四段撲翼架外端的槽孔過盈配合固定(插入5-lOmm)。四片扇形撲翼的另一條側(cè)邊兩兩并接在一根軸上，構(gòu)成一對對稱的上撲翼308及另一對對稱的下?lián)湟?07。以上撲翼308為例說明(圖5)，兩片相同的扇形撲翼的一條側(cè)邊分別固定在兩根撲翼安裝桿302、304上，兩片相同的扇形撲翼的另一條垂直側(cè)邊之間并接在中心軸305上(軸長80-120 mm)，上撲翼308上設(shè)有6根加強筋401，中心軸305后端均設(shè)有鉤環(huán)306。撲翼安裝桿302、304分另IJ伸入撲翼架105、103的外端槽孔過盈配合。同理，下?lián)湟?07為同樣結(jié)構(gòu)，這樣，上、下?lián)湟淼那岸吮环謩e固定。上撲翼308的中心軸305末端的鉤環(huán)306扣在主臂601的掛鉤602上，下?lián)湟?07也以相同的結(jié)構(gòu)固定在掛鉤602上，上、下?lián)湟?07、308被完全固定，且可以隨著撲翼架103、105產(chǎn)生上下周期性 撲翼式運動。如圖6，尾翼機構(gòu)包括水平尾翼及垂直尾翼、垂直尾翼真立設(shè)置在水平尾翼平面的中心線上，中心線兩側(cè)的水平尾翼504、507對稱，垂直尾翼分為兩段，前段為固定翼501，與水平尾翼平面固定連接，后段為擺翼506，與固定翼之間通過上下兩個環(huán)形鉸鏈505、509連接并與水平尾翼平面之間滑動配合，在固定翼上設(shè)有電磁舵502，電磁舵的輸出分別通過位于固定翼兩側(cè)的兩根連桿503、508分別連接在擺翼506的兩側(cè)面上。通過電磁舵502內(nèi)電流流通的方向，電磁舵502可以產(chǎn)生左右兩個不同方向的轉(zhuǎn)動，然后通過連桿503和508拉動擺翼506繞環(huán)形鉸鏈505、509旋轉(zhuǎn)，從而改變機體的運動方向。如圖7，主臂601的前端垂直固定連接在菱形支架104背面上頂點下方的槽孔205中(見圖3)，主臂601的后端與尾翼機構(gòu)固定連接，主臂上設(shè)有掛鉤602，與上撲翼308、下?lián)湟?07后端的鉤環(huán)套接在一起，起固定撲翼的作用。本發(fā)明的工作過程及實施參數(shù)當(dāng)微型直流電機110通電后(3. 7V額定電壓下轉(zhuǎn)速為20000r/min，質(zhì)量為2. 3g)，其轉(zhuǎn)軸輸出通過驅(qū)動齒輪111與大齒輪108嚙合構(gòu)成一級減速傳動(減速比8 :1)，再通過同軸的小齒輪109與同步齒輪107嚙合構(gòu)成二級減速傳動(減速比4 :1)，另一同步齒輪101與同步齒輪107嚙合同步轉(zhuǎn)動(兩同步齒輪均為48齒，轉(zhuǎn)動頻率都為IlHz左右)，位于兩同步齒輪上的偏心連桿106、102分別拉動兩撲翼架105、103上下周期性的相對運動，從而形成對稱的撲翼運動形態(tài)，整個撲翼機的拍翅頻率也為11Hz，屬于低頻撲動的方式。整個微型仿生撲翼機的加工材料除驅(qū)動機構(gòu)為尼龍材料，其余為碳纖維，重量為18g左右，長度為12cm左右，翼展為15cm，可攜帶如0V7670等微型攝像頭進行搜救、監(jiān)控等工作。圖8為撲翼機的撲翼動作分解圖。選取了微型仿生撲翼機的四個典型狀態(tài)來代表一個完整的撲翼周期。初始狀態(tài)如(I)所示，此時上下兩撲翼的夾角最小，為24. 5°。之后齒輪和連桿組成的曲柄連桿機構(gòu)帶動連桿向下運動，連桿拉動撲翼架向下運動，撲翼架通過撲翼安裝桿拉動撲翼，兩翼之間的夾角增加，如狀態(tài)(2)所示。在狀態(tài)(3)中，連桿運動到最低端，兩翼的夾角達到最大，為87. 5°。之后齒輪和連桿組成的曲柄連桿機構(gòu)推動連桿向上運動，兩個連桿分別推動兩個撲翼安裝架向上運動，兩翼的夾角開始減小，如狀態(tài)
(4)所示，最終恢復(fù)到狀態(tài)(1)，完成一個撲翼周期。在整個運動過程中，撲翼的運動是完全對稱的。
權(quán)利要求
1.一種雙翼式微型仿生撲翼機，其特征是包括驅(qū)動機構(gòu)、雙撲翼機構(gòu)、尾翼機構(gòu)及主臂，驅(qū)動機構(gòu)連接在主臂的正前端，雙撲翼機構(gòu)位于主臂的正上方，尾翼機構(gòu)連接在主懸臂的正后端，其中 驅(qū)動機構(gòu)包括菱形支架、微型直流電機、齒輪減速機構(gòu)、兩個連桿機構(gòu)和兩根撲翼架；將菱形支架豎立，定義其四個頂點分別為上頂點、下頂點、左頂點、及右頂點，上、下頂點及左、右頂點之間均設(shè)有支撐梁，上頂點與兩支撐梁交點之間的連線為中軸線，左、右頂點分列于中軸線兩側(cè)并對稱，兩支撐梁交點與下頂點之間的連線與中軸線的延長線之間設(shè)有傾斜角，兩支撐梁的交點處設(shè)有通孔，微型直流電機固定在菱形支架背面兩支撐梁的交點處，其輸出軸穿過通孔后于菱形支架的正面套接一驅(qū)動齒輪，該驅(qū)動齒輪與一減速齒輪嚙合，減速齒輪的轉(zhuǎn)軸鉸支連接在下頂點處，在菱形支架的左、右頂點處分別設(shè)置轉(zhuǎn)軸，兩轉(zhuǎn)軸上分別設(shè)有左右兩個同步齒輪且兩同步齒輪相互嚙合，設(shè)置一個與減速齒輪同軸、位于減速齒輪外側(cè)的小齒輪，該小齒輪與近側(cè)的一個同步齒輪嚙合；兩根撲翼架尺寸相同，將兩根撲翼架在中點處交叉疊合并通過一轉(zhuǎn)軸穿過兩根撲翼架鉸支連接在菱形支架的上頂點處，兩根撲翼架相對運動的交叉疊合段部分為對稱的鑲嵌設(shè)置，且相互滑動配合；在左右兩個同步齒輪上的對稱位置各設(shè)有左右兩個偏心的鉸支軸，分別鉸支連接左右兩根連桿的一端，左連桿的另一端鉸支連接在與左同步齒輪同側(cè)的一根撲翼架左端設(shè)置的鉸支軸上，右連桿的另一端鉸支連接在與右同步齒輪同側(cè)的另一根撲翼架右端設(shè)置的鉸支軸上； 雙撲翼機構(gòu)包括四片相同的扇形撲翼及四根撲翼安裝桿，扇形撲翼的兩側(cè)邊互相垂直，四片扇形撲翼的一條側(cè)邊分別固定連接在四根撲翼安裝桿上，四片扇形撲翼的另一條側(cè)邊分別兩兩并接在各一根主軸上，四根撲翼安裝桿分別與位于上頂點左右兩側(cè)的四段撲翼架固定連接，構(gòu)成一對對稱上撲翼和一對下?lián)湟?，兩主軸后端均設(shè)有鉤環(huán)； 尾翼機構(gòu)包括水平尾翼及垂直尾翼、垂直尾翼真立設(shè)置在水平尾翼平面的中心線上，中心線兩側(cè)的水平尾翼對稱，垂直尾翼分為兩段，前段為固定翼，與水平尾翼平面固定連接，后段為擺翼，與固定翼之間通過環(huán)形鉸鏈連接并與水平尾翼平面之間滑動配合，在固定翼上設(shè)有電磁舵，電磁舵的輸出分別通過位于固定翼兩側(cè)的兩根連桿分別連接在擺翼的兩側(cè)面上； 主臂的前端垂直固定連接在菱形支架背面上頂點下方的槽孔中，主臂的后端與尾翼機構(gòu)固定連接，位于尾翼機構(gòu)前端的主臂上設(shè)有掛鉤，與四片扇形撲翼另一條側(cè)邊后端的鉤環(huán)套接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙翼式微型仿生撲翼機，其特征是菱形支架的左頂點及右頂點與支撐梁交點之間，三點為一條直線或支撐梁交點與左頂點及右頂點之間為對稱的折線。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙翼式微型仿生撲翼機，其特征是菱形支架的兩支撐梁交點與下頂點之間的連線與中軸線的延長線之間傾斜角為5度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙翼式微型仿生撲翼機，其特征是兩根撲翼架均為直線或在中點處折彎，左右兩段上傾。
全文摘要
一種雙翼式微型仿生撲翼機，包括驅(qū)動機構(gòu)、雙撲翼機構(gòu)、尾翼機構(gòu)及主臂，驅(qū)動機構(gòu)連接在主臂的正前端，雙撲翼機構(gòu)位于主臂的正上方，尾翼機構(gòu)連接在主臂的正后端。驅(qū)動機構(gòu)包括菱形支架、微型直流電機、齒輪減速機構(gòu)和兩個曲柄連桿機構(gòu)，雙撲翼機構(gòu)包括兩個對稱撲翼架、四根撲翼安裝桿和上下兩層撲翼，尾翼機構(gòu)包含電磁舵、尾翼和擺翼。微型直流電機通過齒輪減速機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)拉動兩個撲翼架上下運動，實現(xiàn)仿生撲翼。尾翼機構(gòu)中的電磁舵通過改變電流方向來控制擺翼左右擺動，從而控制撲翼機的飛行方向。
文檔編號B64C33/00GK102862677SQ20121034669
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者宋光明, 葛劍, 張軍, 喬貴方, 孫洪濤 申請人:東南大學(xué)