專利名稱：撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝
置
背景技術(shù)：
近年來，隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，微型飛行器成為一個新興研究方向。微型撲翼飛行器由于更容易克服低雷諾數(shù)下氣動效率和飛行控制問題，并具有更廣闊的發(fā)展前景，因而受到更多的關(guān)注。美國加州理工學(xué)院(Caltech)是最早研制撲翼飛行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)之一。其與加州大學(xué)(UCLA)及AeroVironment公司共同研制出Microbat,首架原型機(jī)于1998年10月試飛，是最早的仿生撲翼飛行機(jī)器人。MiCTobat機(jī)體骨架和機(jī)翼采用新型超強(qiáng)復(fù)合材料，機(jī)翼模仿蝙蝠和昆蟲的翅膀，采用MEMS技術(shù)加工；以鋰離子高能電池為動力，通過低摩擦輕型傳動機(jī)構(gòu)將微電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)翼的撲動。美國佐治亞理工大學(xué)(GTRI)、英國劍橋大學(xué)及ETS實驗室共同研制出的仿昆蟲Entomopter，機(jī)翼為蝴蝶翅膀狀，采用特殊結(jié)構(gòu)和材料制成，翼展為25. 4cm,用一種往復(fù)式化學(xué)肌肉(RCM, Reciprocating Chemical Muscle)驅(qū)動。RCM是一種不通過燃燒反應(yīng)就可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。燃料注入后，能使翅膀以IOHz的頻率上下拍動，并能產(chǎn)生飛行控制所需的電能。國內(nèi)從事?lián)湟鞰AV相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)主要有西北工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等。西北工業(yè)大學(xué)方宗德等主要從事仿鳥撲翼MAV的機(jī)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動方式、控制方法和翼形優(yōu)化等方面研究，取得了較多成果。該團(tuán)隊研究的撲翼飛行機(jī)器人尺寸較大，最小翼展112mm。宋筆鋒等學(xué)者側(cè)重于氣動機(jī)理的研究，利用風(fēng)洞對翼展400mm的撲翼飛行機(jī)器人進(jìn)行了多項測試。南京航空航天大學(xué)昂海松和曾銳等主要從事?lián)湟盹w行機(jī)器人氣動機(jī)理及機(jī)構(gòu)設(shè)計等方面研究。該團(tuán)隊研制了一種仿鳥撲翼飛行機(jī)器人，翼展340_，同時對鳥類撲翼氣動機(jī)理進(jìn)行了比較深入的研究，并完成了風(fēng)洞實驗。由于尺寸小，飛行速度低，撲翼飛行機(jī)器人要比普通飛機(jī)在更低的雷諾數(shù)下飛行，這時空氣的粘滯力很大，其影響無法忽略。目前，低雷諾數(shù)下的空氣動力學(xué)還沒有成熟的理論和經(jīng)驗公式可以遵循。需要撲翼飛行機(jī)器人試驗裝置，通過試驗獲得的數(shù)據(jù)分析撲翼形狀、翼展、飛行攻角和撲動頻率對撲翼飛行機(jī)器人飛行時氣動力的影響。同時由于撲翼飛行機(jī)器人尺寸小、重量輕、升力很小，需要測力裝置具有微小力測試能力。據(jù)此，有必要提供一種結(jié)構(gòu)簡單、測試精度高、具有微小力測試能力的撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、具有微小力測試能力的撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括固定支架、水平力傳感器、垂直力傳感器、測試平臺骨架、驅(qū)動電機(jī)、撲動裝置及翼寬調(diào)節(jié)板，所述安裝有水平力傳感器和垂直力傳感器的支架分別安裝在固定支架上，所述測試平臺骨架分別通過第一、第二柔性鉸鏈與水平、垂直力傳感器上的連接支架連接，靠近垂直力傳感器的測試平臺骨架端安裝有配重，連接有驅(qū)動電機(jī)的撲動裝置安裝在水平、垂直力傳感器間的測試平臺骨架上，在垂直力傳感器支架上靠近撲動裝置處安裝有漫反射開關(guān)，所述水平、垂直力傳感器、漫反射開關(guān)及電機(jī)分別與電氣控制部分連接。所述撲動裝置包括小齒輪、第二傳動齒輪及兩組對稱的連接桿、驅(qū)動連桿、第一傳動齒輪，所述兩連接桿一端鉸接，另一端分別通過驅(qū)動連桿連接第一傳動齒輪，所述兩第一傳動齒輪、第二傳動齒輪與小齒輪均安裝在齒輪面板上，且小齒輪與第二傳動齒輪同軸，并分別與兩第一傳動齒輪相哨合，第二傳動齒輪與電機(jī)輸出軸端的齒輪相哨合。所述測試平臺骨架上靠近水平力傳感器端帶有弧形板，其上開有弧形槽。所述測試平臺骨架上設(shè)有與翼寬調(diào)節(jié)板相配合的兩個條形槽。所述電氣控制部分包括水平、垂直力傳感器、漫反射開關(guān)、電機(jī)、直流前置放大器和AD采樣器，所述水平、垂直力傳感器分別通過直流前置放大器和AD采樣器與計算機(jī)連接，通過計算機(jī)輸出氣動力隨時間變化曲線； 所述漫反射開關(guān)和電機(jī)通過AD采樣器與計算機(jī)連接。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I.本發(fā)明采用高精度微力傳感器，相對于傳統(tǒng)的測試平臺可以測試更加微小的力。2.本發(fā)明測試平臺采用柔性鉸鏈連接，分離垂直、水平方向的氣動力，有效提高了測力精度。通過柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)時阻力小的特點(diǎn)來減小非測力方向力對力傳感器的干擾。3.本發(fā)明所述測試平臺骨架帶有弧形板，其上開有弧形槽，可以調(diào)節(jié)撲翼飛行機(jī)器人測試時的攻角；且其上設(shè)有與翼寬調(diào)節(jié)板相配合的兩個條形槽，可以適應(yīng)翼寬不同的撲翼飛行機(jī)器人。4.本發(fā)明連接在測試平臺骨架上配重，用以調(diào)節(jié)測試裝置的重心，使其位于垂直力傳感器的測力方向上，以減小額外轉(zhuǎn)矩對垂直力傳感器的影響。


圖I為本發(fā)明的主視圖。圖2為圖I的左視圖。圖3為本發(fā)明的測試系統(tǒng)框圖。圖中1·配重，2.垂直力傳感器支架，3.垂直力傳感器，4.漫反射開關(guān)，5.撲動裝置，6.齒輪面板,7.電機(jī)面板,8.驅(qū)動電機(jī),9.測試平臺骨架，10.翼寬調(diào)節(jié)板,11.第一柔性鉸鏈，12.連接支架，13.鎖緊螺母，14.水平力傳感器，15.水平力傳感器支架，16.固定支架，17.驅(qū)動連桿，18.第一傳動齒輪，19.連接桿，20.第二柔性鉸鏈，21.小齒輪，22.弧形板，23.弧形槽，24.第二傳動齒輪。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。實施例I :如圖I所示，本發(fā)明包括固定支架16、水平力傳感器15、垂直力傳感器
3、測試平臺骨架9、驅(qū)動電機(jī)8、撲動裝置、鉸鏈及翼寬調(diào)節(jié)板10，所述安裝有水平力傳感器14和垂直力傳感器2的支架分別安裝在固定支架16上，所述測試平臺骨架9分別通過第一、第二柔性鉸鏈11、與水平、垂直力傳感器14、3上的連接支架12連接，靠近垂直力傳感器3的測試平臺骨架9端安裝有配重1，連接有驅(qū)動電機(jī)8的撲動裝置安裝在水平、垂直力傳感器14、3間的測試平臺骨架9上，在垂直力傳感器支架2上靠近撲動裝置處安裝有漫反射開關(guān)4，以檢測撲翼飛行機(jī)器人的撲動頻率，所述水平、垂直力傳感器14、3、漫反射開關(guān)4及驅(qū)動電機(jī)8分別與電氣控制部分連接。如圖2所示，所述撲動裝置包括小齒輪21、第二傳動齒輪24及兩組對稱的連接桿
19、驅(qū)動連桿17、第一傳動齒輪18，所述兩連接桿19 一端鉸接，另一端分別通過驅(qū)動連桿17連接第一傳動齒輪18，所述兩第一傳動齒輪18、第二傳動齒輪24與小齒輪21均安裝在齒輪面板6上,且小齒輪21與第二傳動齒輪24同軸,并分別與兩第一傳動齒輪18相哨合,第 二傳動齒輪24與電機(jī)8輸出軸端的齒輪相哨合。所述測試平臺骨架9通過柔性鉸鏈11、柔性鉸鏈連接支架12、鎖緊螺母13與垂直力傳感器3以及水平力傳感器14連接，通過柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)時阻力小的特點(diǎn)來減小非測力方向力對力傳感器的干擾。所述測試平臺骨架9靠近水平力傳感器14端帶有弧形板22，其上開有弧形槽23，可以調(diào)節(jié)撲翼飛行機(jī)器人測試時的攻角；所述測試平臺骨架上設(shè)有與翼寬調(diào)節(jié)板相配合的兩個條形槽，可以適應(yīng)翼寬不同的撲翼飛行機(jī)器人。所述配重I連接到測試平臺骨架9上，調(diào)節(jié)測試裝置的重心使其位于垂直力傳感器3的測力方向上，以減小額外轉(zhuǎn)矩對垂直力傳感器3的影響。所述配重I大小的確定使得被測的測試平臺骨架9重心在垂直力傳感器3的中心線上，用以調(diào)節(jié)本發(fā)明的重心。所述垂直力傳感器3和水平力傳感器14通過柔性鉸鏈與測試平臺骨架9相連，使測試平臺骨架9可繞第一、第二柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。其中所述的水平、垂直力傳感器14、3均為高精度微力傳感器。如圖3所示，所述電氣控制部分包括水平、垂直力傳感器14、3、漫反射開關(guān)4、驅(qū)動電機(jī)8、直流前置放大器和AD采樣器，所述水平、垂直力傳感器14、3分別通過直流前置放大器和AD采樣器與計算機(jī)連接，通過計算機(jī)輸出氣動力隨時間變化曲線；所述漫反射開關(guān)4和電機(jī)通過AD采樣器與計算機(jī)連接。本發(fā)明的工作過程
本發(fā)明中撲翼飛行機(jī)器人通過電機(jī)8驅(qū)動，經(jīng)齒輪減速器帶動撲動裝置，實現(xiàn)撲翼飛行機(jī)器人翅膀進(jìn)行撲翼運(yùn)動，垂直力傳感器支架上靠近撲翼飛行機(jī)器人翅膀處安裝有漫反射開關(guān)4，以檢測撲翼飛行機(jī)器人的撲動頻率，水平、垂直力傳感器輸出的電信號，經(jīng)直流前置放大器、AD采樣后送入計算機(jī)中，從而得到氣動力隨時間變化曲線。
權(quán)利要求
1.一種撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置，其特征在于包括固定支架、水平力傳感器、垂直力傳感器、測試平臺骨架、驅(qū)動電機(jī)、撲動裝置及翼寬調(diào)節(jié)板，所述安裝有水平力傳感器和垂直力傳感器的支架分別安裝在固定支架上，所述測試平臺骨架分別通過第一、第二柔性鉸鏈與水平、垂直力傳感器上的連接支架連接，靠近垂直力傳感器的測試平臺骨架端安裝有配重，連接有驅(qū)動電機(jī)的撲動裝置安裝在水平、垂直力傳感器間的測試平臺骨架上，在垂直力傳感器支架上靠近撲動裝置處安裝有漫反射開關(guān)，所述水平、垂直力傳感器、漫反射開關(guān)及電機(jī)分別與電氣控制部分連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置，其特征在于所述撲動裝置包括小齒輪、第二傳動齒輪及兩組對稱的連接桿、驅(qū)動連桿、第一傳動齒輪，所述兩連接桿一端鉸接，另一端分別通過驅(qū)動連桿連接第一傳動齒輪，所述兩第一傳動齒輪、第二傳動齒輪與小齒輪均安裝在齒輪面板上，且小齒輪與第二傳動齒輪同軸，并分別與兩第一傳動齒輪相哨合，第二傳動齒輪與電機(jī)輸出軸端的齒輪相哨合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置，其特征在于所述測試平臺骨架上靠近水平力傳感器端帶有弧形板，其上開有弧形槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置，其特征在于所述測試平臺骨架上設(shè)有與翼寬調(diào)節(jié)板相配合的兩個條形槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置，其特征在于所述電氣控制部分包括水平、垂直力傳感器、漫反射開關(guān)、電機(jī)、直流前置放大器和AD采樣器，所述水平、垂直力傳感器分別通過直流前置放大器和AD采樣器與計算機(jī)連接，通過計算機(jī)輸出氣動力隨時間變化曲線；所述漫反射開關(guān)和電機(jī)通過AD采樣器與計算機(jī)連接。
全文摘要
一種撲翼飛行機(jī)器人氣動力測試裝置，屬于應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)領(lǐng)域。包括固定支架、水平力傳感器、垂直力傳感器、測試平臺骨架、驅(qū)動電機(jī)、撲動裝置及翼寬調(diào)節(jié)板，所述安裝有水平力傳感器和垂直力傳感器的支架分別安裝在固定支架上，所述測試平臺骨架分別通過第一、第二柔性鉸鏈與水平、垂直力傳感器上的連接支架連接，靠近垂直力傳感器的測試平臺骨架端安裝有配重，連接有驅(qū)動電機(jī)的撲動裝置安裝在水平、垂直力傳感器間的測試平臺骨架上，在垂直力傳感器支架上靠近撲動裝置處安裝有漫反射開關(guān)，所述水平、垂直力傳感器、漫反射開關(guān)及電機(jī)分別與電氣控制部分連接。本發(fā)明提高了測力精度，減小了非測力方向力對力傳感器的干擾。
文檔編號G01L5/16GK102654425SQ201110052810
公開日2012年9月5日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者李洪誼, 李貴祥, 蘇剛 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所