[发明专利]锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微型飞行器技术领域的装置，具体是一种锥齿轮四翼式微型扑翼微型飞行器。

背景技术

微型飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器，是20世纪90年代发展起来的一种新型飞行器，具有体积小、重量轻、成本低、飞行灵活和效率高等特点。现在和未来的微型飞行器设计期望方向要求机器人是小巧的、手提的、可随身携带的，像昆虫、鸟类一样可以超低空飞行，完成侦查和探索任务。

目前，微型扑翼飞行器基本上还处于初级研究阶段，尽管取得了相当的技术成果，积累了一定的研制经验。但是微型扑翼飞行器异与传统飞机，要实现仿生微型飞行器的自主飞行，必须使飞行器的扑翼产生足够的升力来克服其自身的重力及飞行中所产生的惯性力。

经过对现有技术的检索发现，荷兰delft大学以微电机作为动力源，通过两个空间四连杆机构传递运动，研制出了“delfly”系列扑翼飞行器。但是这类仿生扑翼飞行器基本上都是双(两)翼式的，而且仅依靠一组直齿轮减速箱来提供扑动运动所需的动力，效率比较低，不能产生足够的升力和推进力让飞行器飞行。此外，双翼式微飞行器翅膀难以像鸟类或昆虫一样随时高效的控制各个翅翼的扑动速度和扑动幅度，也不能精确的控制飞行轨迹。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种锥齿轮四翼式扑翼微型飞行器。该飞行器通过一个电机驱动两组锥齿轮各带动一个曲柄四连杆使两对翅膀产生稳定的扑动。具有结构简洁、输出功率大和可靠性高等特点。通过调节从动锥齿轮上两个摇杆的相对位置可以使前后两对翅膀实现同步或异步等多相位差的拍打，能够在飞行过程中高效地调节飞行器的动态平衡，并且为飞行器提供足够大的升力和推进力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：

用于进行拍打运动的两对扑动机构；

用于支撑扑动机构和电机驱动组件的机架；以及

驱动两对扑动机构进行拍打运动的电机驱动组件；

所述的两对扑动机构结构完全相同，每对扑动机构包括：锥齿轮组件、两个翅膀、四连杆机构、一副翅杆、两件轻质弹簧和两个旋转轴承(swivel bearing)。其中锥齿轮组件通过齿轮轴和滚动轴承与机架连接；四连杆机构把锥齿轮旋转运动传递到翅杆上，并转变成上下拍打运动；两个旋转轴承固定于机架上，翅杆分别穿过旋转轴承；在旋转轴承和翅膀连接件之间，各由一个轻质弹簧固定在翅杆上。

所述四连杆机构包括：曲柄摇杆、一级连杆、二级连杆和轴承。其中：曲柄摇杆与从动锥齿轮连接；一级连杆通过两个滚动轴承分别和曲柄摇杆与二级连杆连接；二级连杆直接和翅杆副相连接。翅杆副使两个翅杆同轴嵌套在二级连杆上，并且各自穿过固定在机架上的旋转轴承。所述的四连杆机构在不发生运动干涉的前提下，尽量使相互之间的间隙为最小。

所述的锥齿轮组件包括：一个主动锥齿轮、两个从动锥齿轮、三个齿轮轴和三个滚动轴承。主动锥齿轮通过齿轮轴和一个滚动轴承固定与机架底部，两边各有一个从动锥齿轮通过齿轮轴和滚动轴承固定在机架上并与主动锥齿轮啮合，当电机驱动主动锥齿轮转动时，主动锥齿轮将电机高速旋转运动传递给从动锥齿轮，从而带动从动锥齿轮转动。中间通过四连杆机构把运动输出到翅杆，使翅膀扑动。

所述的机架结构是一个方形框架式一体化结构，用于支撑扑动机构和电机驱动组件。

所述的翅膀包括：翅膀连接件、主脉、次脉和翅膀膜。其中翅膀整体外形仿造蝙蝠翅膀形状，翅膀连接件与翅杆相连；主脉和次脉附在翅膜上下表面。

所述的电机驱动组件包括：一个电机和电机轴。其中电机垂直悬置并固定与机架上，通过电机轴驱动主动锥齿轮转动。

本发明的工作原理是采用微电机作为驱动，利用两组锥齿轮各带动两侧的曲柄四连杆机构实现两侧翅膀的扑动。为了使机构精简和增大输出力，电机置于机架中间，只通过电机轴带动主动锥齿轮转动，进而增加了输出扭矩。前后两对翅膀只是通过一个连杆共同带动实现扑动的，与常见双连杆带动的扑动是不同的。本发明最不同之处是加了一个不常见构架-旋转轴承，翅杆通过旋转轴承不仅能够实现转动，还可以实现一定程度上的滑移运动，然后通过翅杆上的轻质弹簧可以调节翅杆的滑动位移达到重新定位作用，从而不会使的整个构件处于完全定义中。

本发明飞行时翅膀需要设定一个初始的攻角，在连接翅膀和翅杆时可以人为的设置一定的攻角。而且翅膀在上下扑动过程中，由于柔性变形，翅膀可以产生被动旋转，使得攻角在不断的变化。这不但能够产生足够向上的升力，还能够产生向前的推力，支撑飞行器飞行。