一种自适应攻角的仿生扑翼飞行器的制作方法

本实用新型属于飞行器技术领域，具体涉及一种自适应攻角的仿生扑翼飞行器。

背景技术：

鸟类的双翅膀使其在空中飞翔时可以随意改变飞行姿态具有高机动性。例如海鸥高频扑打其双翅，可以使其在空中完成直飞、斜飞、旋转等特技动作。仿生扑翼飞行器集起飞、加速、悬停于一体，体积小且飞行灵活，使其在军事和民用领域有很大的应用前景。

扑翼仿生飞行器不仅质量轻、成本低，更重要的是结构精简并且效率高。因此，扑翼飞行器在国防和民用领域的应用远景都将非常辽阔，同时其在执行狭小空间或复杂地形条件下的任务时具有其它飞行器无法比拟的优势。

鸟的翅膀扑动是通过翅膀根部的肌肉轮流做“收缩”和“舒展”运动来实现的，鉴于鸟类利用极少的身体能量便能实现对其翅膀的智能控制，并使身体完成非常复杂的飞行动作，人们开始研究智能材料作为驱动，并取得了一些试验成果：如在交变电压的作用下，使压电片产生振动来驱动扑翼连杆机构使扑翼扑动；利用电活性高聚物和碳纤维材料制作一种特殊的关节来模拟肌肉运动，驱动扑翼杆；利用电致伸缩聚合体来制作一种人造肌肉驱动机构运动；利用装有正负电极板的胸腔式机构，在高频电流的作用下，使电极运动带动扑翼扑动。虽然，目前智能材料驱动得到了应用，但其主要用于翼展以及质量非常小的扑翼机的推进，并且还处于实验阶段，离实用还有很远的距离。

目前设计研制出来的仿生扑翼飞行器的扑动机构大多采用单自由度来控制扑翼系统。由于单自由度的驱动的结构简单、重量轻，运动动作为平面上下扑动，这种扑动方式，如果是刚性平面翼型，其平均升力为零，只能依靠翼的被动柔性变形产生升力，给气动控制带来难度。为了使扑翼的运动更符合生物翅膀运动的形态，符合生物飞行的空气动力学，必须研究多自由度扑翼驱动机构问题，相对于单自由度扑翼而言，多自由度的结构相对复杂、设计难度大。

目前常见的扑翼机构即：单曲柄双摇杆传动机构、双曲柄双摇杆传动机构、曲柄滑块机构、凸轮弹簧机构等。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结构新颖、飞行稳定、传动机构简单可靠的自适应攻角的仿生扑翼飞行器。

本实用新型由仿生薄膜右翼板a、驱动-传动装置b、仿生薄膜左翼板c和仿生尾翼d组成，其中：所述的仿生薄膜右翼板a和仿生薄膜左翼板c为关于机身a-a中轴线的对称结构；仿生薄膜右翼板a中右摇杆1的a孔a与驱动-传动装置b中螺栓ⅰ19的中部活动连接；仿生薄膜左翼板c中左摇杆2的a1孔a1与驱动-传动装置b中螺栓ⅱ18的中部活动连接；仿生薄膜右翼板a中右摇杆1的b孔b与驱动-传动装置b中球头座a14的w球头w固接；仿生薄膜左翼板c中左摇杆2的b1孔b1与驱动-传动装置b中球头座b17的y球头y固接；仿生尾翼d中右舵机33的内侧与右机架10尾端内侧粘接，仿生尾翼d中左舵机34的内侧与左机架11尾端内侧粘接；仿生尾翼d中尾翼骨架37的s槽s与驱动-传动装置b中后固定架9的固定塞27活动连接，固定塞27顶部球体直径大于s槽s宽度；仿生尾翼d中右连杆ⅱ44右端穿过驱动-传动装置b中右机架10的m槽m与仿生薄膜右翼板a中固定座ⅰ6的c孔c铰接；仿生尾翼d中左连杆ⅱ41左端穿过驱动-传动装置b中左机架11的m1槽m1与仿生薄膜左翼板c中固定座ⅱ5的d孔d铰接。

所述的仿生薄膜右翼板a和仿生薄膜左翼板c为关于机身a-a中轴线的对称结构，其结构相同，方向相反，其中：仿生薄膜右翼板a由右摇杆1、骨架ⅰ8、薄膜翼板ⅰ7、固定座ⅰ6组成，右摇杆1左端设有a孔a和b孔b；骨架ⅰ8粘接于薄膜翼板ⅰ7下面；右摇杆1粘结于薄膜翼板ⅰ7前端；固定座ⅰ6上设有c孔c，固定座ⅰ6底端与薄膜翼板ⅰ7后端粘结；仿生薄膜左翼板c由左摇杆2、翼板ⅱ4、固定座ⅱ5组成，左摇杆2右端设有a1孔a1和b1孔b1；骨架ⅱ3粘接于翼板ⅱ4下面；左摇杆2粘结于翼板ⅱ4前端；固定座ⅱ5上设有d孔d，固定座ⅱ5底端与翼板ⅱ4后端粘结。

所述的驱动-传动装置b由无刷直流电机31、后固定架9、右机架10、左机架11、前固定架12、二级小齿轮13、球头座a14、二级大齿轮a15、直角支架ⅰ16、球头座b17、螺栓ⅰ19、螺栓ⅱ18、直角支架ⅱ20、螺栓组b21、螺栓组c22、螺栓组d23、二级大齿轮b24、螺栓组e25、电池26、二级轴28、一级轴32、一级大齿轮29、一级小齿轮30和固定塞27组成，其中：右机架10和左机架11为关于机身a-a中轴线的对称板状结构，且平行排列；右机架10上设有e槽e、f孔f、g孔g、h孔h、j孔组j、k孔组k和m槽m；左机架11上设有e1槽e1、f1孔f1、g1孔g1、h1孔h1、i1孔组i1、j1孔组j1、k1孔组k1和m1槽m1；后固定架9上设有k2孔组k2；前固定架12上设有f2孔f2、g2孔g2、h2孔h2、j2孔组j2、n孔组n；直角支架ⅰ16上设有p孔组p、q孔q和q1孔q1；直角支架ⅱ20上设有o孔组o、r孔r和r1孔r1；其中j孔组j、j1孔组j1和j2孔组j2各含有7个相同孔，k孔组k、k1孔组k1和k2孔组k2各含有3个相同孔，i1孔组i1含有5个相同孔，n孔组n含有4个相同孔，o孔组o和p孔组p各含有4个相同孔，p孔组p和r孔组r各含有2个相同孔；螺栓ⅰ19固接于直角支架ⅰ16的q孔q和直角支架ⅱ20的r1孔r1之间；螺栓ⅱ18固接于直角支架ⅰ16的q1孔q1和直角支架ⅱ20的r孔r之间；无刷直流电机31通过i1孔组i1经螺栓组e25与左机架11固接，经f2孔f2与前固定架12固接；右机架10与左机架11平行排列，后固定架9位于右机架10和左机架11之间的后部，前固定架12位于右机架10和左机架11之间的前部；后固定架9经螺栓组d23的三个螺栓与右机架10固接；后固定架9经螺栓组c22的三个螺栓与左机架11固接；电池26经e槽e和e1槽e1与右机架10和左机架11固接；直角支架ⅰ16通过p孔组p、n孔组n，经螺栓组b21与前固定架12固接；直角支架ⅱ20通过o孔组o、n孔组n，经螺栓组b21与前固定架12固接；一级小齿轮30固接于无刷直流电机31输出端；一级轴32与二级轴28平行排列；一级轴32近右端固接二级小齿轮13，一级轴32近左端固接一级大齿轮29，一级轴32右端与右机架10的g孔g活动连接；一级轴32左端与左机架11的g1孔g1活动连接；二级轴28右端固接二级大齿轮a15，二级轴28近右端与右机架10的h孔h活动连接；二级轴28左端固接二级大齿轮b24，二级轴28近左端与左机架11的h1孔h1活动连接；一级小齿轮30与一级大齿轮29啮合；二级小齿轮13与二级大齿轮a15啮合；球头座a14包含w球头w、x球头x；球头座b17包含y球头y、z球头z；x球头x固接于二级大齿轮a15右面近边缘，z球头z固接于二级大齿轮b24左面近边缘；固定塞27固接于后固定架9上表面。

所述的仿生尾翼d由右舵机33、左舵机34、尾翼骨架37、翼板38、右连杆ⅰ39、左连杆ⅰ36、右微型舵机43、左微型舵机42、右连杆ⅱ44和左连杆ⅱ41组成，其中：尾翼骨架37由左侧杆w1、中纵杆x1、右侧杆y1、前横杆z1组成，其中：中纵杆x1前端设有s槽s；前横杆z1左端设有t孔t，前横杆z1右端设有u孔u；前横杆z1与左侧杆w1、中纵杆x1、右侧杆y1粘接；左侧杆w1前端与中纵杆x1近前端左侧呈45度固接；右侧杆y1前端与中纵杆x1近前端右侧呈45度固接；翼板38呈扇形，粘接于尾翼骨架37的左侧杆w1、中纵杆x1、右侧杆y1和前横杆z1下面；右连杆ⅰ39前端与右舵机33的输出杆ⅰ40右端铰接，右连杆ⅰ39后端与尾翼骨架37中前横杆z1的u孔u铰接；左连杆ⅰ36前端与左舵机34的输出杆ⅱ35左端铰接，左连杆ⅰ36后端与尾翼骨架37中前横杆z1的t孔t铰接；右连杆ⅱ44左端与右微型舵机43的输出杆ⅲ45前端铰接，左连杆ⅱ41右端与左微型舵机42的输出杆ⅳ46前端铰接。

本实用新型的原理和工作过程如下：

本实用新型中，无刷直流电机31带动一级小齿轮转动，通过一级小齿轮30与一级大齿轮29的啮合，一级大齿轮29、二级小齿轮13的轴心固定铰接，二级小齿轮13与二级大齿轮a15啮合，从而驱动二级大齿轮a15、二级大齿轮b24以相同的转速旋转，二级大齿轮a15、二级大齿轮b24的旋转带动各自齿轮上的x球头x和z球头z，围绕齿轮中心旋转，同时球头座a14的另一端通过w球头w活动连接右摇杆1，从而带动右摇杆1实现上下运动；球头座b17的另一端通过y球头y活动连接左摇杆2，从而带动左摇杆2实现上下运动；右摇杆1与左摇杆2分别粘接薄膜翼板4，从而基于曲柄摇杆的急回特性，仿生薄膜翼板产生扑动，且通过设计，使得在一个扑动周期内，仿生翼板向下扑动的时间大于向上扑动时间，产生的时间差使得飞行器获得升力差，从而飞行器得以飞行。

本实用新型的仿生薄膜扑翼主要是由骨架ⅰ8、骨架ⅱ3和翼板ⅰ7、翼板ⅱ4组成；其中骨架ⅰ8起到对薄膜翼板ⅰ7的支撑作用，骨架ⅱ3起到对薄膜翼板ⅱ4的支撑作用，使得翅膀面积稳定，不产生过大的变形，设计合理的骨架形状，既能起到支撑作用，又要做到尽可能的减少材料，减轻重量，高效作用。仿生薄膜翼板通过观察自然界中的鸟类——戴胜鸟，模仿戴胜的翅膀结构和飞行动作，设计展弦比使得飞行器可以产生足够稳定的升力与推力。

扑翼飞行器仿生尾翼d采用尾翼骨架37的s槽s将仿生尾翼d与后固定架9连接实现,2个自由度的运动，再由左舵机34与右舵机33分别牵引铰接左连杆ⅰ36和右连杆ⅰ39，另一端铰接尾翼骨架37上的u孔u和t孔t，分别驱动转动，以实现翼板38的上下、左右四个方向的转动。通过控制右舵机33与左舵机34不同转向的配合就可以实现上下、左右转向的目的。若右舵机33与左舵机34转向相同，可以实现翼板38的左右转向。若右舵机33与左舵机34转向相反，则可以实现翼板38的上下扑打，使得扑翼机爬升或者俯冲。

本实用新型受鸟类飞行与控制方法的启发，提出一种仿生的扑翼飞行器。这种扑翼飞行器具有新型的驱动-传动装置机构，结构新颖、传动机构简单可靠；且在飞行时通过曲柄摇杆的急回特性产生的时间速度差，可获得飞行的足够升力，满足微型飞行器的飞行需求。同时该微型飞行器还具有自适应攻角的控制系统，通过gps和定高模块实现飞行器自主控制改变攻角从而达到定高飞行的目的。该微型飞行器具有仿生翼板和尾翼的仿生结构，仿照戴胜鸟的飞行姿态与翅膀结构，设计的翅膀更接近于鸟类，使得飞行更加稳定、高效，对于提高扑翼微型飞行器的机动性和续航能力具有重要意义。

本实用新型的扑翼飞行器机架采用abs塑料制造，连杆、摇杆均采用尼龙制造，轴全部采用钛合金制造。质量较轻且满足一定的强度条件。本实用新型的二级展开式圆柱齿轮减速器两级齿轮配对材料相同，除去轴与轴承外所用材料均为塑料，以便尽可能的减轻总重量，各齿轮齿宽系数相等，使得齿面接触强度大致相等。本实用新型从仿生学出发，设计仿生扑翼结构，增加飞行升力，减少飞行阻力，降低飞行时的能耗。

附图说明

图1是自适应攻角的仿生扑翼飞行器的结构示意图

图2是仿生薄膜左翼板与右翼板的轴测图

图3是右摇杆的零件图

图4是左摇杆的零件图

图5是尾部左固定座的零件图

图6是尾部右固定座的零件图

图7是驱动-传动装置结构示意图右视图

图8是驱动-传动装置结构示意图左视图

图9是驱动-传动装置轴与齿轮的轴测图

图10是右机架的零件图

图11是左机架的零件图

图12是齿轮传动的示意图

图13是后固定架的零件图

图14是固定架的零件图

图15是右球头座的零件图

图16是左球头座的零件图

图17是直角支架对的零件图

图18是尾翼装置的轴测图

图19是尾翼骨架结构示意图

图20是攻角控制结构示意图

图21是电路连接关系图

图22是控制方法流程图

其中：a.仿生薄膜右翼板b.驱动-传动装置c.仿生薄膜左翼板d.仿生尾翼1.右摇杆2.左摇杆3.骨架ⅱ4.翼板ⅱ5.固定座ⅱ6.固定座ⅰ7.薄膜翼板ⅰ8.骨架ⅰ9.后固定架10.右机架11.左机架12.前固定架13.二级小齿轮14.球头座a15.二级大齿轮a16.直角支架ⅰ17.球头座b18.螺栓ⅱ19.螺栓ⅰ20.直角支架ⅱ21.螺栓组b22.螺栓组c23.螺栓组d24.二级大齿轮b25.螺栓组e26.电池27.固定塞28.二级轴29.一级大齿轮30.一级小齿轮31.无刷直流电机32.一级轴33.右舵机34.左舵机35.输出杆ⅱ36.左连杆ⅰ37.尾翼骨架38.翼板39.右连杆ⅰ40.输出杆ⅰ41.左连杆ⅱ42.左微型舵机43.右微型舵机44.右连杆ⅱ45.输出杆ⅲ46.输出杆ⅳ

具体实施方式

下面结合附图描述本实用新型。

如图1所示，本实用新型由仿生薄膜右翼板a、驱动-传动装置b、仿生薄膜左翼板c和仿生尾翼d组成，其中：所述的仿生薄膜右翼板a和仿生薄膜左翼板c为关于机身a-a中轴线的对称结构；仿生薄膜右翼板a中右摇杆1的a孔a与驱动-传动装置b中螺栓ⅰ19的中部活动连接；仿生薄膜左翼板c中左摇杆2的a1孔a1与驱动-传动装置b中螺栓ⅱ18的中部活动连接；仿生薄膜右翼板a中右摇杆1的b孔b与驱动-传动装置b中球头座a14的w球头w固接；仿生薄膜左翼板c中左摇杆2的b1孔b1与驱动-传动装置b中球头座b17的y球头y固接；仿生尾翼d中右舵机33的内侧与右机架10尾端内侧粘接，仿生尾翼d中左舵机34的内侧与左机架11尾端内侧粘接；仿生尾翼d中尾翼骨架37的s槽s与驱动-传动装置b中后固定架9的固定塞27活动连接，固定塞27顶部球体直径大于s槽s宽度；仿生尾翼d中右连杆ⅱ44右端穿过驱动-传动装置b中右机架10的m槽m与仿生薄膜右翼板a中固定座ⅰ6的c孔c铰接；仿生尾翼d中左连杆ⅱ41左端穿过驱动-传动装置b中左机架11的m1槽m1与仿生薄膜左翼板c中固定座ⅱ5的d孔d铰接。

如图2至图6所示，所述的仿生薄膜右翼板a和仿生薄膜左翼板c为关于机身a-a中轴线的对称结构，其结构相同，方向相反，其中：仿生薄膜右翼板a由右摇杆1、骨架ⅰ8、薄膜翼板ⅰ7、固定座ⅰ6组成，右摇杆1左端设有a孔a和b孔b；骨架ⅰ8粘接于薄膜翼板ⅰ7下面；右摇杆1粘结于薄膜翼板ⅰ7前端；固定座ⅰ6上设有c孔c，固定座ⅰ6底端与薄膜翼板ⅰ7后端粘结；仿生薄膜左翼板c由左摇杆2、翼板ⅱ4、固定座ⅱ5组成，左摇杆2右端设有a1孔a1和b1孔b1；骨架ⅱ3粘接于翼板ⅱ4下面；左摇杆2粘结于翼板ⅱ4前端；固定座ⅱ5上设有d孔d，固定座ⅱ5底端与翼板ⅱ4后端粘结。

如图7至图16所示，所述的驱动-传动装置b由无刷直流电机31、后固定架9、右机架10、左机架11、前固定架12、二级小齿轮13、球头座a14、二级大齿轮a15、直角支架ⅰ16、球头座b17、螺栓ⅰ19、螺栓ⅱ18、直角支架ⅱ20、螺栓组b21、螺栓组c22、螺栓组d23、二级大齿轮b24、螺栓组e25、电池26、二级轴28、一级轴32、一级大齿轮29、一级小齿轮30和固定塞27组成，其中：右机架10和左机架11为关于机身a-a中轴线的对称板状结构，且平行排列；右机架10上设有e槽e、f孔f、g孔g、h孔h、j孔组j、k孔组k和m槽m；左机架11上设有e1槽e1、f1孔f1、g1孔g1、h1孔h1、i1孔组i1、j1孔组j1、k1孔组k1和m1槽m1；后固定架9上设有k2孔组k2；前固定架12上设有f2孔f2、g2孔g2、h2孔h2、j2孔组j2、n孔组n；直角支架ⅰ16上设有p孔组p、q孔q和q1孔q1；直角支架ⅱ20上设有o孔组o、r孔r和r1孔r1；其中j孔组j、j1孔组j1和j2孔组j2各含有7个相同孔，k孔组k、k1孔组k1和k2孔组k2各含有3个相同孔，i1孔组i1含有5个相同孔，n孔组n含有4个相同孔，o孔组o和p孔组p各含有4个相同孔，p孔组p和r孔组r各含有2个相同孔；螺栓ⅰ19固接于直角支架ⅰ16的q孔q和直角支架ⅱ20的r1孔r1之间；螺栓ⅱ18固接于直角支架ⅰ16的q1孔q1和直角支架ⅱ20的r孔r之间；无刷直流电机31通过i1孔组i1经螺栓组e25与左机架11固接，经f2孔f2与前固定架12固接；右机架10与左机架11平行排列，后固定架9位于右机架10和左机架11之间的后部，前固定架12位于右机架10和左机架11之间的前部；后固定架9经螺栓组d23的三个螺栓与右机架10固接；后固定架9经螺栓组c22的三个螺栓与左机架11固接；电池26经e槽e和e1槽e1与右机架10和左机架11固接；直角支架ⅰ16通过p孔组p、n孔组n，经螺栓组b21与前固定架12固接；直角支架ⅱ20通过o孔组o、n孔组n，经螺栓组b21与前固定架12固接；一级小齿轮30固接于无刷直流电机31输出端；一级轴32与二级轴28平行排列；一级轴32近右端固接二级小齿轮13，一级轴32近左端固接一级大齿轮29，一级轴32右端与右机架10的g孔g活动连接；一级轴32左端与左机架11的g1孔g1活动连接；二级轴28右端固接二级大齿轮a15，二级轴28近右端与右机架10的h孔h活动连接；二级轴28左端固接二级大齿轮b24，二级轴28近左端与左机架11的h1孔h1活动连接；一级小齿轮30与一级大齿轮29啮合；二级小齿轮13与二级大齿轮a15啮合；球头座a14包含w球头w、x球头x；球头座b17包含y球头y、z球头z；x球头x固接于二级大齿轮a15右面近边缘，z球头z固接于二级大齿轮b24左面近边缘；固定塞27固接于后固定架9上表面。

扑翼仿生齿轮传动的原理如图12所示。

如图18至图20所示，所述的仿生尾翼d由右舵机33、左舵机34、尾翼骨架37、翼板38、右连杆ⅰ39、左连杆ⅰ36、右微型舵机43、左微型舵机42、右连杆ⅱ44和左连杆ⅱ41组成，其中：尾翼骨架37由左侧杆w1、中纵杆x1、右侧杆y1、前横杆z1组成，其中：中纵杆x1前端设有s槽s；前横杆z1左端设有t孔t，前横杆z1右端设有u孔u；前横杆z1与左侧杆w1、中纵杆x1、右侧杆y1粘接；左侧杆w1前端与中纵杆x1近前端左侧呈45度固接；右侧杆y1前端与中纵杆x1近前端右侧呈45度固接；翼板38呈扇形，粘接于尾翼骨架37的左侧杆w1、中纵杆x1、右侧杆y1和前横杆z1下面；右连杆ⅰ39前端与右舵机33的输出杆ⅰ40右端铰接，右连杆ⅰ39后端与尾翼骨架37中前横杆z1的u孔u铰接；左连杆ⅰ36前端与左舵机34的输出杆ⅱ35左端铰接，左连杆ⅰ36后端与尾翼骨架37中前横杆z1的t孔t铰接；右连杆ⅱ44左端与右微型舵机43的输出杆ⅲ45前端铰接，左连杆ⅱ41右端与左微型舵机42的输出杆ⅳ46前端铰接。

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