一种单驱动三稳态柔顺变后掠机翼装置

本发明涉及变体飞行器、柔顺机构、多稳态机构及变后掠机翼，尤其涉及一种单驱动三稳态柔顺变后掠机翼装置。

背景技术：

1、变后掠翼技术通过主动调整机翼后掠角，在低速起降、高速巡航、机动飞行等不同阶段之间协调升力、阻力和稳定性需求，是变形飞行器领域的重要技术路线。

2、现有变后掠翼大体可分为翼根枢轴旋转式、翼内剪切式和空间结构式等类型；传统翼根枢轴旋转式方案技术成熟，通常通过大功率液压或机电系统驱动外翼段绕翼根承力枢轴转动，能够在小后掠高升力状态和大后掠低阻状态之间切换，是最早获得工程应用的实现方式。

3、为减轻传统翼根枢轴方案的重量和载荷集中问题，已有研究提出采用平面四杆机构替代重型中央枢轴、利用预紧弹簧或气动力实现双稳态后掠角切换，以及通过内部平行四边形单元剪切变形同步改变后掠角、翼面积和展弦比等方案。翼内剪切式方案具有分布式承载和气动中心偏移较小等优点，但其实现依赖能够承受大范围面内剪切变形的柔性蒙皮，并需要处理蒙皮与内部机构之间的弹性力耦合。

4、空间结构式变后掠方案则采用复杂空间连杆机构、模块化桁架或分布式作动单元，实现后掠角、翼展、上反角、扭转角等多自由度组合变形。该类方案具有较高的构型设计自由度和几何调节能力，但通常需要多个作动器协同控制，并且离散式骨架的承载刚度、柔性蒙皮适配和系统可靠性仍是工程实现中的关键问题。

5、在多稳态结构与柔顺机构方面，现有技术主要通过双稳态单元组装、预应力复合材料或薄壳屈曲、刚性机构与弹性储能元件组合等方式获得多个稳定平衡状态。多稳态结构可在稳定点处无需持续能量输入而保持构型，并在越过势能壁垒时发生急跳转换。与之相关的动力学分析通常需要考虑柔性构件的大范围刚体运动和显著弹性变形，常用方法包括浮动坐标系法、共旋坐标法和绝对节点坐标法等。其中，浮动坐标系法适用于小变形柔性多体系统，绝对节点坐标法更适合描述大转动、大变形下的非线性刚柔耦合行为。

6、上述技术方案的缺陷在于：

7、1.传统翼根枢轴旋转式变后掠翼驱动与锁止系统结构复杂、重量较大，所有气动载荷容易集中于翼根枢轴，导致局部应力集中，对承力结构、驱动功率和锁止可靠性提出较高要求。

8、2.传统整体外翼段旋转会引起气动中心和载荷分布明显变化，给飞行器纵向静稳定性、飞行控制和结构布置带来额外负担，不利于轻小型或高机动飞行器采用。

9、3.翼内剪切式方案虽然能够减小气动中心后移并实现分布式承载，但对柔性蒙皮提出了同时满足光滑气动外形、大范围面内剪切变形、足够面外承载刚度和耐久性的复合要求，工程实现难度较高。

10、4.空间机构式和模块化桁架式方案自由度较多，能够实现复杂组合变形，但通常需要多个作动器、传感器和控制回路协同工作，系统质量、装配复杂度、控制难度和失效风险随之增加。

11、5.基于双稳态单元组装或预应力屈曲的多稳态结构容易引入冗余稳定状态、干扰性运动模式或较低结构刚度，导致重构路径控制复杂，并可能需要多个驱动器才能准确选择目标构型。

12、6.现有多稳态柔顺机构设计多依赖经验组合、伪刚体模型或数值优化，缺少直接面向多个预设后掠角稳定构型的解析设计方法，难以同时保证目标位姿准确性、运动支路可达性和能量势垒分布合理性。

13、7.柔顺机构的快速急跳转换涉及刚体大范围运动、柔性杆件大变形和非线性弹性储能释放，传统刚体动力学或小变形线性模型难以准确预测其稳态保持、越障触发和瞬态响应；若采用高精度非线性有限元方法，又可能带来较高建模与计算成本。

14、8.刚性连接的电机、齿轮或连杆传动在越障跳变瞬间会限制机构自由释放，并将反向冲击传递至驱动硬件；同时，气动载荷会改变释放后的平衡位置，现有方案对气动载荷下动态切换和构型保持的验证仍不充分。

15、因此，如何提供一种构型稳定、重量较轻且能快速重构的单驱动三稳态柔顺变后掠机翼装置成为了业界需要解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种单驱动三稳态柔顺变后掠机翼装置，其构型稳定、重量较轻且能快速重构。本发明利用单一驱动输入实现三种预设后掠构型的稳定保持和快速切换，旨在解决现有变后掠机翼难以兼顾多构型保持、快速重构和气动载荷作用下稳定工作的问题；针对多执行器系统复杂、传统刚性传动限制瞬态释放速度、双稳态机构可切换构型有限、多稳态柔顺机构缺乏面向目标构型的解析综合方法等不足，提出一种由主动四杆机构、被动四杆机构、柔顺储能杆和单向绳轮式解耦驱动组成的单驱动三稳态柔顺装置，使机翼能够在20°展开、55°中间和68°大后掠三种构型之间保持被动稳定，并在越过能量势垒后完成快速重构。

2、本发明将两套四杆机构在同一个耦合点相连，并使两套机构的理论轨迹不完全重合；再用一根可变形的柔顺储能杆吸收这种“不重合”，把几何不相容变成弹性势能。这样可以在若干个轨迹交点附近自然形成稳定构型，电机不需要一直锁住机翼，只需通过绳轮慢速拉动使机翼装置越过能量势垒；越障后绳索松弛，柔顺储能杆释放能量，机翼快速跳到下一个稳定后掠构型。

3、为了实现上述目的，本发明提供了一种单驱动三稳态柔顺变后掠机翼装置，其包括：

4、安装板，安装板上设有通孔；安装板上表面设有绕绳轮；

5、主动机构，主动机构设于安装板上方，其包括主动短杆、主动长杆和主动三角板；主动短杆为固定连接绕绳轮的旋臂，主动长杆和安装板通过上固定轴形成转动副；主动短杆和主动长杆的末端分别与主动三角板的两个角铰接；

6、被动机构，被动机构设于安装板下方，其包括被动短杆、被动长杆和被动三角板；被动长杆为能够沿自身长度方向发生弹性形变并储存弹性势能的柔顺储能杆；被动短杆和安装板通过第一下固定轴形成转动副，被动长杆和安装板通过第二下固定轴形成转动副；被动短杆和被动长杆的末端分别与被动三角板的两个角铰接；主动三角板余下的角为上耦合点，被动三角板余下的角为下耦合点，一长轴串接上耦合点和下耦合点，形成公共耦合点，使主动三角板和被动三角板形成转动副，长轴穿过通孔；

7、机翼，机翼固定连接主动三角板上表面；

8、安装于机架上的绞盘电机，绞盘电机通过绳索连接绕绳轮；

9、被动长杆用于补偿主动机构和被动机构分别独立运动时在公共耦合点处产生的理论运动轨迹偏差，使单驱动三稳态柔顺变后掠机翼装置在三个稳定构型处形成稳态。

10、本发明中，主动机构和被动机构均为平面四杆机构，并共用同一机架；主动机构和被动机构以转动副连接。

11、本发明中，主动机构用于接收外部单一驱动输入，被动机构用于提供运动约束和弹性能储存。

12、本发明中，长轴的投影为公共耦合点，主动机构和被动机构通过公共耦合点耦合。

13、本发明中，绞盘电机通过绳索带动绕绳轮旋转，绕绳轮旋转带动主动短杆旋转，进而带动主动机构和被动机构一起运动；以公共耦合点的位置判断机翼方向和后掠构型。

14、本发明中，绞盘电机只能通过收绳带动绕绳轮旋转，放绳对绕绳轮没有影响。

15、本发明中，快速重构的控制或判定以机构越过势垒、驱动力矩降至零或趋于反向作为释放/解耦判据，将慢速电机储能阶段与快速弹性跳变阶段分离。

16、本发明提供了一种单驱动三稳态柔顺变后掠机翼装置及其快速重构方法，使变后掠机翼能够通过一个输入完成三种预设后掠构型的依次切换，并在各稳定构型处依靠自身的多稳态能量地形实现被动保持，降低持续保持力矩和控制复杂度。

17、本发明还提供了一种面向预设稳定构型的解析运动综合和性能筛选方法，将被动机构中的至少一根刚性杆替换为柔顺储能杆，使两个机构轨迹之间的几何不相容性转化为柔顺储能杆的弹性变形与势能储存，从而形成多个稳定后掠构型；通过三位置综合、六次代数轨迹和全周期拉伸变形筛选，获得具有双能量势垒和三个稳定平衡点的参数。

18、本发明还提供了一种面向多个预设稳定构型的机构尺寸设计方法，包括选取被动杆基准轨迹、在该轨迹上确定多个目标位姿、采用三位置解析综合获得候选机构参数，并通过运动学可行性和柔顺储能杆拉伸变形范围进行筛选。

19、本发明通过中空菱形变刚度柔顺储能杆和单向绳轮式柔性解耦驱动，实现低速储能阶段与高速跳变释放阶段的动力学解耦；在储能阶段由张紧绳索传递电机输入，机构越过能量势垒后绳索松弛并解除驱动约束，使机构依靠柔顺储能杆释放的弹性势能完成快速重构，同时降低对电机和传动链的反向冲击。

20、基于现有技术问题，本发明避免了重型翼根枢轴、复杂空间桁架和多作动器协同控制带来的质量与控制负担，在保持机翼连续气动外形和结构承载能力的同时，将多稳态机构的零功耗保持、弹性急跳释放和单驱动可控切换结合起来，为轻量化变后掠机翼提供更简洁的机构实现方式。

21、根据本发明另一具体实施方式，主动机构和被动机构均为曲柄摇杆机构。

22、根据本发明另一具体实施方式，主动三角板为钝角三角形，长轴连接于主动三角板的较大锐角（29°），主动短杆连接于主动三角板的较小锐角（22.4°），主动长杆连接于主动三角板的钝角（128.6°）。

23、根据本发明另一具体实施方式，被动三角板为直角三角形，长轴连接于被动三角板的较大锐角（51.3°），被动长杆连接于被动三角板的较小锐角（38.7°），被动短杆连接于被动三角板的直角。

24、根据本发明另一具体实施方式，柔顺储能杆在整体上以轴向拉伸变形为主。

25、本方案中，被动长杆拉伸时处于储能状态，同时其在整体上以轴向拉伸变形为主。

26、根据本发明另一具体实施方式，绕绳轮上设有绕绳槽和穿绳孔，绳索穿过穿绳孔系牢，并缠绕绕绳槽。

27、本方案中，实际操作过程中会根据需要手动调整绳索缠绕方向。

28、在主动机构运动的后半段，绕绳轮的速度高于绞盘电机；如果绞盘电机直接连接绕绳轮，就会抑制绕绳轮的运动。采用绳索连接绕绳轮可以实现解耦合，绕绳轮的速度高于绞盘电机时绳索会松开，不会干涉绕绳轮运动。

29、根据本发明另一具体实施方式，上固定轴、第一下固定轴和第二下固定轴均与安装板固定连接。

30、根据本发明另一具体实施方式，在将主动机构和被动机构分别作为独立刚性四杆机构进行运动学分析时，上耦合点的轨迹为三角形轨迹，下耦合点的轨迹为水滴状轨迹；上耦合点的轨迹和下耦合点的轨迹有三个交点，分别位于水滴状轨迹的尖端和两个侧壁；三个交点与三个稳定构型一一对应。交点对应的状态为被动长杆拉伸量为零的稳态。

31、本方案中，三种稳态分别对应机翼长边与安装板前缘的夹角为20°、55°、68°。

32、从20°展开构型切换至55°中间构型，绳索顺时针缠绕绕绳槽；从55°中间构型切换至68°大后掠构型，绳索逆时针缠绕绕绳槽；两次切换过程的绳索缠绕方向相反，需要调整绳索缠绕方向。

33、根据本发明另一具体实施方式，被动长杆中空，设有菱形长孔。菱形长孔的侧梁可发生弯曲和拉伸变形。

34、本方案中，被动长杆在储能初期呈低等效拉伸刚度，在接近越障阈值时呈高切线刚度，以兼顾降低驱动负载和提供快速重构所需的可释放弹性势能。

35、根据本发明另一具体实施方式，被动长杆为热塑性聚氨酯弹性体材质。

36、在完全刚性条件下，主动机构和被动机构各自生成不同理论轨迹，二者在公共耦合点处耦合后形成过约束闭链；除非两条理论轨迹完全重合，否则系统自由度为零。

37、为使过约束拓扑产生可控运动和多稳态行为，本发明将被动机构中的一根刚性杆替换为能够轴向伸缩和储能的柔顺储能杆（被动长杆）；主动轨迹与被动轨迹之间的几何不相容量被转化为柔顺储能杆的轴向变形量δl，机构运动过程中储存的弹性势能与δl的平方近似成正比。当公共耦合点p运动至两条理论轨迹的三个交点p1、p2、p3附近时，几何不相容量达到局部最小，系统势能形成局部低谷，分别对应20°展开、55°中间和68°大后掠三个稳定构型。三种稳定构型的详细情况见表1。

38、表1 三种预设稳定构型及功能定位

39、

40、主动机构和被动机构的尺寸通过三位置解析运动综合获得。首先，选择具有尖点特征的被动杆曲线作为基准轨迹，使中间稳定点附近形成更深的势能阱；然后在该曲线上选取三个目标位姿作为预设稳定构型，三个目标位姿同时包含平面位置和姿态角。基于三位置运动生成理论，采用齐次变换矩阵描述杆平面由初始位姿到目标位姿的刚体位移，并结合运动铰点与对应固定铰点之间距离恒定的杆长约束，建立固定铰点坐标与运动铰点坐标之间的线性关系。给定连架杆长度后，消元得到满足三目标位姿约束的六次代数轨迹，该轨迹构成可选固定铰点的解析解空间。

41、在获得解析解空间后，本发明进一步设置分级筛选流程。第一层筛选用于剔除不满足grashof条件、存在分支缺陷或连杆曲线自交等不可实现方案，得到连续有效线段；第二层筛选采用准静态分析，将柔顺储能杆等效为可变长度杆，将原刚柔耦合系统凝聚为单自由度六杆机构，遍历主动曲柄输入角并计算柔顺储能杆的轴向变形映射。筛选条件包括：柔顺储能杆在整个变形周期内保持正向拉伸，以抑制压缩屈曲和内部耗散；峰值拉伸变形控制在10 mm至30 mm范围内，以兼顾足够的弹性势能和驱动行程、材料强度约束。优选地，两次状态切换对应的峰值拉伸变形分别约为28.6 mm和27.6 mm，能够形成依次跨越的两个能量势垒。

42、为降低跨越势垒所需峰值驱动力并避免柔顺杆应力集中，本发明将柔顺储能杆设计为中空菱形微结构。该结构具有两阶段拉伸刚度响应：在储能初期，菱形侧梁以弯曲变形为主，等效拉伸刚度较低，可降低电机加载转矩；接近失稳阈值时，菱形单元逐渐伸直并发生变形模式锁定，结构切线刚度显著增大，可为越障跳变提供足够的可释放弹性能。

43、本发明采用单向绳轮式柔性驱动实现储能和释放过程的解耦。储能阶段，柔性绳索保持张紧并传递电机输入，使绕绳轮角速度跟随输入运动，驱动机构逐步攀升至能量势垒附近；当机构越过临界点触发跳变后，绳索让位并松弛，驱动约束被移除，电机力矩降至零，机构由柔顺储能杆释放的弹性势能推动完成快速重构。该过程使低速电机储能阶段与高速弹性释放阶段分离，减少刚性传动对瞬态跳变速度的限制。

44、为验证该技术方案，本发明建立了刚柔耦合动力学模型。刚性杆件采用质心坐标描述，柔顺储能杆采用绝对节点坐标法离散为二维平面梁单元，将纵向拉伸应变能、横向弯曲应变能、质量矩阵、约束方程和拉格朗日乘子统一纳入第一类拉格朗日动力学方程。仿真过程分为储能加载和越障释放两个阶段：以驱动力矩降至零作为越障判据，触发后移除电机力矩和速度约束。仿真结果表明，68°至55°切换的储能阶段驱动力矩峰值约为2.8 n·m，55°至20°切换的峰值加载转矩约为-3.4 n·m，越障后的主要后掠角重构过程可在约50 ms内完成。

45、本发明具有如下有益效果：

46、1.通过两个四杆机构在公共耦合点处耦合并引入柔顺储能杆，将轨迹不相容性转化为弹性势能地形，能够在单一驱动输入下形成三个稳定构型，减少多执行器协同控制和持续保持力矩需求。

47、2.采用三位置解析运动综合和六次代数轨迹构建设计解空间，可直接面向20°、55°和68°等预设稳定构型进行机构尺寸设计，相比纯数值优化更有利于避免目标构型漂移并提高设计可解释性。

48、3.设置全周期拉伸变形和峰值变形范围筛选，使柔顺储能杆在运动过程中保持受拉状态，降低压缩屈曲风险，并使28.6 mm和27.6 mm左右的峰值拉伸变形能够兼顾储能能力、驱动行程和材料安全。

49、4.采用中空菱形变刚度柔顺储能杆在初期降低等效刚度和驱动力矩，在接近失稳阈值时提高切线刚度和可释放弹性能，有利于降低峰值驱动负载并提升跳变释放效果。

50、5.单向绳轮式柔性驱动在储能阶段保持耦合、在越障跳变阶段自动松弛解耦，可将低速电机加载与快速弹性释放分离，减少反向冲击传递，提高瞬态重构速度。

51、6.在样机验证中，机构能够在气动载荷下保持多稳态构型并完成快速重构；稳态cfd和风洞试验均表明，后掠角由68°减小至55°和20°时升力系数及升阻比整体提高，具有明确的气动调节效果和工程应用潜力。

52、下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。