一种仿生蜻蜓扑翼飞行器

1.本发明属于仿生飞行器领域，特别是一种仿生蜻蜓扑翼飞行器。


背景技术：

2.近些年，随着科技的发展，各种微型飞行器逐步应用到了军事领域中，但目前广泛应用的基本都是固定翼和旋翼飞行器，这两类飞行方式固有的弊端难以满足飞行器进一步微型化的需求。固定翼飞行器无法实现定点悬停，难以在狭窄空间活动；而旋翼飞行器气动效率较差，存在能耗高，续航差的问题；并且当特征尺寸小于15cm时，雷诺数变得极低，会严重影响旋翼和桨叶的工作效率。而仿生扑翼飞行器具有尺寸小，重量轻，成本低，隐蔽性好，动作灵活，飞行稳定等特点，非常契合现代军事领域对微型无人机的要求，可以应用在军事观察，目标监视，地形勘测，毁伤打击等方面。
3.目前仿生技术也是飞行器领域的一大热点，国内外相继出现了仿生蝙蝠、蝴蝶、大鸟、海鸥、信鸽等仿生飞行器，与这些仿生生物相比，蜻蜓在飞行方式和飞行能力方面具有显著的优点。首先，蜻蜓没有尾翼，仅靠拍打翅膀即可灵活飞行，结构更加简单，更适合微型飞行器的设计需求；其次，相较于其他昆虫，蜻蜓在飞行时翅膀的平均拍动次数最少，但飞行速度最快，且稳定性好，其双对翅翼的形式，可利用前后气动干涉提高气动效率。蜻蜓翼展最大尺寸小于20cm，重量轻，可实现扑翼飞行器的微型设计，而且因为不具有旋翼和桨叶结构，不会因为低雷诺数而影响气动效率，可实现在低能耗情况下飞行。所以，将蜻蜓的结构应用于仿生扑翼飞行器，可以提高气动效率，极大地减少能量消耗，同时具有较好的飞行续航能力。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种仿生蜻蜓扑翼飞行器，以实现飞行器前、后扑翼上下交替扑动。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：
6.一种仿生蜻蜓扑翼飞行器，包括机身骨架、两个前扑翼、两个后扑翼；
7.所述机身骨架设有前支架和后支架；前支架和后支架左右两侧分别转动连接有传动杆；
8.所述前支架上设有主动齿轮，主动齿轮左右各设有一个第一曲柄摇杆机构，用于带动传动杆的转动，还用于带动前扑翼的上下摆动；
9.所述后支架上左右各设有一个第二曲柄摇杆机构，传动杆的转动带动第二曲柄摇杆机构的转动，第二曲柄摇杆机构用于带动后扑翼的上下摆动；
10.所述前扑翼支撑在前支架和转向机构之间，转向机构用于带动前扑翼的尾端向上或向下倾斜，左右扑翼上下交替，完成转向动作；
11.所述后扑翼支撑在后支架和俯仰机构之间，俯仰机构用于带动后扑翼的尾端向上或向下倾斜，左右扑翼同上同下，完成俯仰动作。
12.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
13.本发明通过一个驱动源可同时驱动前后传动机构实现四个扑翼的上下扑动，转向机构和俯仰机构通过改变扑翼姿态实现飞行器的转向和俯仰动作；本专利质量轻，尺寸小，结构新颖，创造性地提出了一种齿轮传动的仿生蜻蜓扑翼飞行器。
附图说明
14.图1是本专利的整体结构示意图。
15.图2(a-b)是本专利的飞行姿态示意图。
16.图3是机身骨架结构示意图。
17.图4是在机身骨架上加装传动机构后的结构示意图。
18.图5是前支架上的齿轮安装示意图。
19.图6是转向机构示意图。
20.图7是俯仰机构示意图。
21.图8是前、后扑翼示意图(上前下后)。
具体实施方式
22.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
23.在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本专利，而不是表示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
24.在本专利的描述中，需要说明的是，除非给出类似“插接”、“固连”等明确的限定，否则“安装”、“相连”、“连接”等术语应作广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可转动地连接；可以是插接，也可以是粘接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
25.如图1所示，本专利公开的一种仿生蜻蜓扑翼飞行器包括机身骨架1、两个前扑翼2、两个后扑翼3、传动机构4、驱动电机5、转向机构6、俯仰机构7和电源8。
26.示例性地，图2(a-b)示出了本专利在飞行过程中前、后扑翼的上下扑动角度。
27.如图3所示，所述的机身骨架1包括一根碳纤维方杆1-1、前支架1-2与后支架1-3。所述前支架1-2与后支架1-3上方均开有方形孔，所述碳纤维方杆1-1插入方形孔中将前、后支架连接，组成基本的机身骨架；所述前支架1-2上方向两侧支出凸台，所述凸台两侧分别设有一个连接孔(h-5，h-6)，所述前支架1-2中部设有通孔(h-1)，所述前支架1-2下方设有三个连接孔(h-2，h-3，h-4)；所述后支架1-3上方向两侧支出凸台，所述凸台两侧分别设有一个连接孔(h-9，h-10)，所述后支架1-3下方设有两个连接孔(h-7，h-8)。
28.如图4～图8所示，所述传动机构4为一种多齿轮连杆传动机构，包括齿轮组和连杆组，分为前后两个部分；具体包括主动齿轮4-1、第一从动齿轮4-2、第二从动齿轮4-3、第三从动齿轮4-4、第一前连杆4-5、第二前连杆4-6、第一前夹板4-7、第二前夹板4-8、第一传动杆4-9、第二传动杆4-10、第一曲柄4-11、第二曲柄4-12、第一后连杆4-13、第二后连杆4-14、第一后夹板4-15、第二后夹板4-16。所述第一从动齿轮4-2为双联齿轮，具有大齿轮4-2-1和
小齿轮4-2-2两层，小齿轮4-2-2穿过大齿轮4-2-1并和大齿轮4-2-1同轴连接；所述第二从动齿轮4-3与第三从动齿轮4-4上分别设有一偏心凸台；所述偏心凸台上设有连接孔(h-12，h-11)；所述第一前连杆4-5、第二前连杆4-6、第一后连杆4-13、第二后连杆4-14、第一前夹板4-7、第二前夹板4-8、第一曲柄4-11、第二曲柄4-12、第一后夹板4-15和第二后夹板4-16两端均有连接孔；所述前、后夹板中均设有方形槽，分别用于夹持固定前扑翼2和后扑翼3。
29.所述主动齿轮4-1插接固连在驱动电机5的转轴上，所述驱动电机5安装于通孔h-1中；所述第一从动齿轮4-2安装在连接孔h-2处，其大齿轮4-2-1与主动齿轮4-1啮合；所述第二从动齿轮4-3安装在连接孔h-3处并与第一从动齿轮4-2的小齿轮4-2-2啮合；所述第三从动齿轮4-4安装在连接孔h-4处并与第二从动齿轮4-3啮合；所述第一前连杆4-5的一端与第二从动齿轮4-3的偏心凸台转动连接，另一端与第一前夹板4-7的外端转动连接；所述第二前连杆4-6的一端与第三从动齿轮4-4的凸台转动连接，另一端与第二前夹板4-8的外端转动连接；所述第一前夹板4-7、第二前夹板4-8的内端分别通过连接孔h-5、连接孔h-6与前支架1-2连接；所述连接孔h-3、连接孔h-4、连接孔h-7、连接孔h-8中放置有轴套；所述第一传动杆4-9、第二传动杆4-10的前端分别穿过对应侧轴套与第二从动齿轮4-3、第三从动齿轮4-4固连；所述第一传动杆4-9、第二传动杆4-10的后端分别穿过对应侧轴套与第一曲柄4-11、第二曲柄4-12的大端固连；所述第一曲柄4-11、第二曲柄4-12的小端分别与第一后连杆4-13、第二后连杆4-14的一端相连；所述第一后连杆4-13、第二后连杆4-14的另一端分别与第一后夹板4-15、第二后夹板4-16的外端相连；所述第一后夹板4-15、第二后夹板4-16的内端分别通过连接孔h-9、连接孔h-10与后支架1-3转动连接；所述两个前扑翼2的前端分别插入连接孔h-5、连接孔h-6与前支架1-2相连，后端分别插入连接孔h-13、连接孔h-14与转向机构6相连；所述两个后扑翼的前端分别插入连接孔h-9、连接孔h-10与后支架1-3相连，后端分别插入连接孔h-15、连接孔h-16与俯仰机构7相连；所述连杆、夹板、曲柄、扑翼均左右对称安装。
30.所述转向机构6、俯仰机构7和电源8都安装在专门的支架上，支架上方均设有夹口，夹持在机身骨架的碳纤维方杆1-1上，并通过环氧胶粘接。
31.所述机身骨架1除了以一根碳纤维方杆1-1作为支撑，传动机构4的第一传动杆4-9与第二传动杆4-10也能起辅助支撑骨架的作用。
32.所述扑翼均由三根碳纤维杆和柔性薄膜组成；2根粗杆呈90
°
分布作为主翅脉，其中1根沿机身轴向作为扑翼转轴，另1根与之垂直作为扑翼支撑骨架；1根细杆位于45
°
处作为次翅脉，三杆接口处使用环氧胶粘接；柔性薄膜也使用环氧胶粘接于翅脉骨架上；后扑翼尺寸略小于前扑翼。
33.具体使用方式如下：
34.当飞行器启动时，所述驱动电机5带动主动齿轮4-1旋转，所述主动齿轮4-1带动第一从动齿轮4-2(大齿轮4-2-1转动带动小齿轮4-2-2同步转动)，所述第一从动齿轮4-2(小齿轮4-2-2)带动第二从动齿轮4-3，所述第二从动齿轮4-3带动第三从动齿轮4-4；所述第二从动齿轮4-3、第一前连杆4-5、第一前夹板4-7等效为一个曲柄摇杆机构，将第二从动齿轮4-3的转动转换为第一前夹板4-7的上下摆动；所述第三从动齿轮4-4、第二前连杆4-6、第二前夹板4-8等效为一个曲柄摇杆机构，将第三从动齿轮4-4的转动转换为第二前夹板4-8的上下摆动；所述第一前夹板4-7、第二前夹板4-8与前扑翼2固连，带动前扑翼2上下扑动；所
述第一传动杆4-9、第二传动杆4-10将第二从动齿轮4-3、第三从动齿轮4-4的转动传给第一曲柄4-11、第二曲柄4-12；所述曲柄与后连杆、后夹板组成曲柄摇杆机构，将第一曲柄4-11、第二曲柄4-12的转动，转换为第一后夹板4-15、第二后夹板4-16的上下摆动；所述第一后夹板4-15、第二后夹板4-16与后扑翼3固连，带动后扑翼3上下扑动；通过前后两部分传动机构的协调，前、后扑翼始终保持上下交替摆动。
35.所述转向机构6包括旋转舵机架6-1、旋转舵机6-2、旋转拨杆6-3，旋转舵机6-2通过转舵机架6-1固定在机身骨架1上，旋转舵机6-2转轴固连有旋转拨杆6-3，用于带动旋转拨杆6-3左右摆动，直线推杆左右两侧设有连接孔h-13、h-14。
36.当飞行器需要转向时，所述旋转舵机6-2带动旋转拨杆6-3小角度转动，所述旋转拨杆6-3带动前扑翼2的尾端向上或向下倾斜，左右扑翼上下交替，完成转向动作。
37.所述俯仰机构7包括直线舵机架7-1、直线舵机7-2、直线推杆7-3，直线舵机7-2通过直线舵机架7-1固定在机身骨架1上，直线舵机7-2转轴固连有直线推杆7-3，用于带动直线推杆7-3上下移动，直线推杆7-3左右两侧设有连接孔h-15、h-16。
38.当飞行器需要俯仰时，所述直线舵机7-2带动直线拨杆7-3在竖直方向运动，所述直线拨杆7-3带动后扑翼3的尾端向上或向下倾斜，左右扑翼同上同下，完成俯仰动作。
39.本专利质量轻，尺寸小，结构新颖，实现简单，创造性地提出了一种齿轮传动的仿生蜻蜓扑翼飞行器。