CN115817812A - 一种仿翼龙扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿翼龙扑翼飞行器，包括骨架、设置在骨架两侧的扑翼翅膀、设置在骨架中部的驱动装置、以及设置在骨架尾部的尾翼。驱动电机通过齿轮组减速将动力传递给输出齿轮，输出齿轮转动将动力传递给扑翼翅膀。扑动机构包括：输出齿轮、转轴、与输出齿轮固定旋转的曲柄；扑翼翅膀包括：贯穿整个扑翼并与骨架相连的翼杆，与翼杆相连并伸展的一组翅脉杆，覆在扑动杆上的翅膜；尾翼通过设置在骨架尾部的尾翼铰链和多个连接杆固定连接。本发明具有结构简单，仿生效果好、操作效率高和飞行性能优异等优点。

Description

一种仿翼龙扑翼飞行器

技术领域

本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种仿翼龙扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器是基于仿生学原理设计的小型飞行器，具有尺寸小、重量轻、能耗低、机动性好、隐蔽性好以及携带方便等特点。与固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器兼具其优点，空气动力学效率更高，可微型化程度远远高于固定翼和旋翼飞行器，因而具有更为宽广的应用领域，从理论上来讲，扑翼飞行器被广泛认为是最有发展前景的一类飞行器。

目前的扑翼飞行器主要是以鸟类为模仿对象，外形和操作方式各不相同，但其主扑翼面和尾翼面均是分离的，主扑翼面上下扑动提供升力和推力，尾翼面操控航向和俯仰，同时其扑翼前缘均为直线，这种常规设计无法达到较好的仿生效果，导致所设计的飞行器性能较差。

发明内容

本发明实施例提供了一种仿翼龙扑翼飞行器，能够实现高仿生度的外形和扑翼动作。本发明的技术方案如下：

骨架，所述骨架上设置有驱动电机，所述驱动电机通过减速齿轮组减速后将动力传递给两个并排设置在骨架顶部两侧的驱动齿轮；

驱动装置，所述驱动装置，包括驱动电机、减速齿轮组、输出齿轮、一对曲柄、一对推杆；所述驱动电机固定在所述骨架上，所述驱动电机的输出轴与一齿轮同心固连，该齿轮与所述减速齿轮组相啮合，将动力传递至所述输出齿轮，所述输出齿轮上安装有所述曲柄，所述曲柄与所述输出齿轮固连，并同步旋转；所述曲柄与所述推杆通过球面副铰接，所述推杆推动所述扑翼翅膀以所述扑翼固定座为中心摆动；所述推杆的一端与所述曲柄连接，另一端与所述摇臂连接；

扑翼，所述扑翼翅膀设置在骨架两侧，包括摇臂、直翼杆、弯翼杆、一组翼脉杆，以及覆盖在所述扑翼翅膀上的扑翼覆膜。所述直翼杆的一端通过所述摇臂与所述扑翼固定座相铰接，所述扑翼固定座安装在骨架上，使得所述扑翼翅膀绕所述扑翼固定座为中心摆动。

所述尾翼设置在所述骨架尾部，包括第一舵机、第二舵机、第一连接杆、第二连接杆、第一驱动杆、第二驱动杆、尾翼铰链、第一尾翼夹板、第二尾翼夹板、第一尾翼杆组、第二尾翼杆组、尾翼覆膜；所述第一舵机安装在所述骨架尾部，且所述第一舵机的输出轴平行于所述骨架平面方向，所述第一驱动杆的一端与所述第一舵机的输出轴相连，另一端与所述第一尾翼夹板相连，所述第一尾翼夹板通过所述尾翼铰链和所述第一连接杆的一端连接，所述第一连接杆的另一端通过所述尾翼固定座固定在所述骨架的尾部；所述尾翼覆膜胶接在所述第一尾翼杆组上；所述第二舵机、第二连接杆、第二驱动杆、第二尾翼夹板、第二尾翼杆组与所述第一舵机、第一连接杆、第一驱动杆、第一尾翼夹板、第一尾翼杆组关于所述骨架对称布置，其工作原理同上。

进一步地，所述减速齿轮组包括传动主齿轮、一级减速齿轮、二级减速齿轮和驱动齿轮，所述传动主齿轮安装在所述驱动电机的输出轴上，所述一级减速齿轮与所述传动主齿轮啮合，所述一级减速齿轮的转轴上安装所述二级减速齿轮，所述三级减速齿轮与所述二级减速齿轮啮合。

进一步地，所述扑翼翅膀中的直翼杆为空心碳纤维管，所述弯翼杆为贯穿所述直翼杆并延长至扑翼翅膀末端的碳纤维杆，依靠其自身的弹性变形，以及依靠所述扑翼覆膜和所述翼脉杆的胶接约束，使所述弯翼杆弯曲，从而达到所述扑翼翅膀前缘弯曲的仿生效果。

进一步地，所述尾翼杆为一组碳纤维杆，固定在所述尾翼夹板上，并发散排列；所述尾翼覆膜的一端胶接在所述尾翼杆上，同时，所述尾翼覆膜的另一端与所述扑翼覆膜交接，以形成翼龙仿生外观，同时实现飞行器的转向运动和俯仰运动。

进一步地，所述骨架由高强度泡沫外壳包裹，其外形和翼龙相似，既增加了扑翼飞行器的仿生效果，也对扑翼内部结构起到保护作用。

本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，其结构简单稳定，衔接紧凑，传动平稳，飞行动作流畅。

2.本发明所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，采用尼龙纤维的薄膜材料，重量轻，运行时扑翼扑动、尾翼摆动的飞行姿态，提高了飞行器的气动效率，提升了飞行器的操控性能。

3.本发明所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，采用碳纤维管套合碳纤维杆的方式，制作出了前缘弯曲的扑翼翅膀，飞行姿态更符合翼龙的飞行运动规律，仿生效果更好。

4.本发明所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，采用高强度泡沫外壳作为飞行器的外形身体，同时起到仿生和保护的作用，提高了扑翼飞行器的整体结构强度。

附图说明

图1 为本发明的整体结构示意图。

图2 为本发明的第一侧视图

图3 为本发明驱动装置的示意图

图4 为本发明扑翼翅膀的结构示意图。

图5 为本发明尾翼的结构示意图。

附图标号说明：

1.驱动装置，2.扑翼翅膀，3.尾翼，4.骨架，5.扑翼固定座，6.尾翼固定座；

101.驱动电机吗，102.减速齿轮组，103.输出齿轮，104.曲柄，105.推杆；

201.摇臂，202.直翼杆，203.弯翼杆，204.一组翼脉杆，205.扑翼覆膜；

301.第一舵机，302.第二舵机，303.第一连接杆，304.第二连接杆，305.第一驱动杆，306.第二驱动杆，307.尾翼铰链，308.第一尾翼夹板，309.第二尾翼夹板，310.第一尾翼杆组，311.第二尾翼杆组，312.尾翼覆膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在附图1-5这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部的实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1、图2所示，一种仿翼龙扑翼飞行器，主要包括骨架4、设置在骨架4上的驱动装置1、设置在骨架4两侧的扑翼翅膀2和设置在骨架4尾部的尾翼3；扑翼翅膀2通过扑动机构实现上下扑动运动，尾翼3由第一舵机301和第二舵机302实现转向运动和俯仰运动。

如图3所示，骨架4上设置有驱动装置1，包含驱动电机101、减速齿轮组102、输出齿轮103、推杆104。驱动电机101由电池供电并旋转，通过减速齿轮组102减速后将动力传递给两个并排设置在骨架4两侧的输出齿轮103。减速齿轮组包括传动主齿轮、一级减速齿轮、二级减速齿轮和输出齿轮103，传动主齿轮安装在驱动电机的输出轴上，一级减速齿轮与传动主齿轮啮合，一级减速齿轮的转轴上安装二级减速齿轮，输出齿轮103与二级减速齿轮啮合，传动主齿轮的齿数小于一级减速齿轮的齿数，二级减速齿轮的齿数小于输出齿轮103的齿数。在输出齿轮103和骨架之间还设置了齿轮固定圆盘，用来固定输出齿轮103和骨架4的相对空间位置，齿轮固定圆盘通过螺钉螺母固定在骨架4上。

如图4所示，仿翼龙扑翼飞行器还包括扑翼翅膀2，扑翼翅膀2设置在骨架4两侧，包括摇臂201、直翼杆202、弯翼杆203、一组翼脉杆204，以及覆盖在扑翼翅膀上的扑翼覆膜205。直翼杆202的一端通过摇臂201与扑翼固定座5相铰接，扑翼固定座5安装在骨架4上，使得扑翼翅膀2绕扑翼固定座5为中心摆动。

摇臂201的一端为空心管状，另一端为横向通孔，扑翼固定座的一端为横向通孔，另一端用螺栓固定在骨架4上。摇臂201的横向通孔与扑翼固定座的横向通孔同心，摇臂201的空心管端插入直翼杆202；直翼杆202为空心碳纤维管，弯翼杆203为贯穿所述直翼杆203并延长至扑翼翅膀末端的碳纤维管，依靠其自身的弹性变形，以及依靠扑翼覆膜205和翼脉杆204的胶接约束，迫使弯翼杆203弯曲，从而达到扑翼翅膀2前缘弯曲的仿生效果，同时使得扑翼翅膀在上下扑动过程中产生一定的弹性变形从而产生较大推力。

在飞行过程中，驱动电机101旋转，将动力通过减速齿轮组102传递至输出齿轮103，输出齿轮103与曲柄104和转轴固连而同步旋转。推杆105两端均为球面副，一端与曲柄104铰接，另一端与摇臂201铰接。曲柄104旋转，进而带动推杆105做上下往复运动，进而带动扑翼翅膀2上下扑动，产生升力。

如图5所示，仿翼龙扑翼飞行器还包括尾翼3，设置在骨架(4)尾部。尾翼3包括第一舵机301、第二舵机302、第一连接杆303、第二连接杆304、第一驱动杆305、第二驱动杆306、尾翼铰链307、第一尾翼夹板308、第二尾翼夹板309、第一尾翼杆组310、第二尾翼杆组311、尾翼覆膜312；第一舵机301安装在所述骨架4尾部，且第一舵机301的输出轴平行于所述骨架4平面方向，第一驱动杆305与所述第一舵机301的输出轴相连，另一端与第一尾翼夹板308相连，第一尾翼夹板308通过尾翼铰链307和第一连接杆303的一端连接，第一连接杆303的另一端通过尾翼固定座5固定在骨架4的尾部；尾翼覆膜312胶接在第一尾翼杆组310上；第二舵机302、第二连接杆304、第二驱动杆306、第二尾翼夹板309、第二尾翼杆组311与第一舵机301、第一连接杆303、第一驱动杆305、第一尾翼夹板308、第一尾翼杆组310关于骨架4对称布置，其工作原理同上。本发明实施例中，尾翼杆组310扇形排布，由数根碳纤维棒和尼龙纤维布制成，重量轻，韧性强，更能适应扑翼飞行器复杂的飞行姿态。

在飞行过程中，通过第一舵机301和第二舵机302共同控制飞行器的俯仰运动和转向运动，第一舵机301控制第一尾翼杆组310绕尾翼铰链旋转，第二舵机302控制第二尾翼杆组311绕尾翼铰链旋转。当第一尾翼杆组310与第二尾翼杆组311同时向上旋转至一定角度时，飞行器向上爬升；当第一尾翼杆组310与第二尾翼杆组311同时向下旋转至一定角度时，飞行器向下俯冲；当第一尾翼杆组310与第二尾翼杆组311各自向不同方向偏转时，可以使左右尾翼杆组上的尾翼覆膜312形成压力差，从而使飞行器向左或向右偏转。此设计可有效控制飞行器的飞行姿态，尾翼动作更加灵活，更像翼龙的脚掌。

具体操作时，上述直翼杆202为外径5mm，内径3mm的空心碳纤维管，弯翼杆203为直径2.8mm的碳纤维杆，翼脉杆204和尾翼杆组310为直径1.5mm的碳纤维杆，骨架4为厚度2mm的碳纤维板，其余零件均使用尼龙材料和铝合金3D打印制作。

本发明通过空间曲柄摇杆机构作为驱动机构，相对于平面曲柄摇杆机构而言，结构紧凑，对称性好。同时，尾翼通过左右舵机控制两个尾翼杆组的偏转角度，可以控制飞行器的飞行姿态。再次，机翼翼展达到1.4米，翼面积扩大，能够有效提升扑翼飞行器的气动性能，并且整个机构结构简单，运行平稳，仿生度高。

本发明是一种仿翼龙扑翼飞行器，适用于道路监控、灾难救援、野外搜救、敌情侦查、环境监测、农业勘测等军事和民用领域。本发明具有驱动源少、灵活性高、飞行效率高、产生升力大、仿生度高、高结构强度等特点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种仿翼龙扑翼飞行器，其特征在于，包括驱动装置(1)、一对扑翼翅膀(2)、一对尾翼(3)、骨架(4)、一对扑翼固定座(5)、一对尾翼固定座(6)；

所述驱动装置(1)，包括驱动电机(101)、减速齿轮组(102)、输出齿轮(103)、一对曲柄(104)、一对推杆(105)；所述驱动电机(101)固定在所述骨架(4)上，所述驱动电机(101)的输出轴与一齿轮同心固连，该齿轮与所述减速齿轮组(102)相啮合，将动力传递至所述输出齿轮(103)，所述输出齿轮(103)上安装有所述曲柄(104)，所述曲柄(104)与所述输出齿轮(103)固连，并同步旋转；所述曲柄(104)与所述推杆(105)通过球面副连接，所述推杆(105)推动所述扑翼翅膀(2)以所述扑翼固定座(5)为中心摆动；所述推杆(105)的一端与所述曲柄(104)连接，另一端与所述摇臂(201)连接；

所述扑翼翅膀(2)设置在骨架(4)两侧，包括摇臂(201)、直翼杆(202)、弯翼杆(203)、一组翼脉杆(204)，以及覆盖在所述扑翼翅膀上的扑翼覆膜(205)，所述直翼杆(202)的一端通过所述摇臂(201)与所述扑翼固定座(5)相铰接，所述扑翼固定座(5)安装在骨架(4)上使得所述扑翼翅膀(2)绕所述扑翼固定座(5)为中心摆动，

所述尾翼(3)设置在所述骨架(4)尾部，包括第一舵机(301)、第二舵机(302)、第一连接杆(303)、第二连接杆(304)、第一驱动杆(305)、第二驱动杆(306)、尾翼铰链(307)、第一尾翼夹板(308)、第二尾翼夹板(309)、第一尾翼杆组(310)、第二尾翼杆组(311)、尾翼覆膜(312)；所述第一舵机(301)安装在所述骨架(4)尾部，且所述第一舵机(301)的输出轴平行与所述骨架(4)平面方向，所述第一驱动杆(305)的一端与所述第一舵机(301)的输出轴相连，另一端与所述第一尾翼夹板(308)相连，所述第一尾翼夹板(308)通过所述尾翼铰链(307)和所述第一连接杆(303)的一端连接，所述第一连接杆(303)的另一端通过所述尾翼固定座(6)固定在所述骨架(4)的尾部；所述尾翼覆膜(312)胶接在所述第一尾翼杆组(310)上；所述第二舵机(302)、第二连接杆(304)、第二驱动杆(306)、第二尾翼夹板(309)、第二尾翼杆组(311)与所述第一舵机(301)、第一连接杆(303)、第一驱动杆(305)、第一尾翼夹板(308)、第一尾翼杆组(310)关于所述骨架(4)对称布置。

2.根据权利要求1所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，其特征在于：所述减速齿轮组(102)包括传动主齿轮、一级减速齿轮、二级减速齿轮和驱动齿轮，传动主齿轮安装在所述驱动电机的输出轴上，一级减速齿轮与所述传动主齿轮啮合，一级减速齿轮的转轴上安装二级减速齿轮，三级减速齿轮与二级减速齿轮啮合。

3.根据权利要求1所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼翅膀(2)中的直翼杆(202)为空心碳纤维管，所述弯翼杆(203)为贯穿所述直翼杆(202)并延长至扑翼翅膀末端的碳纤维杆，依靠其自身的弹性变形，以及依靠扑翼覆膜(205)和翼脉杆(204)的胶接约束，使弯翼杆(203)弯曲，从而达到扑翼翅膀(2)前缘弯曲的仿生效果。

4.根据权利要求1所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼杆(310)为一组碳纤维杆，固定在尾翼夹板(308)上，并发散排列；尾翼覆膜(312)的一端胶接在尾翼杆(310)上，同时，尾翼覆膜(312)的另一端与扑翼覆膜(205)交接，以形成翼龙仿生外观，同时实现飞行器的转向运动和俯仰运动。

5.根据权利要求1所述的一种仿翼龙扑翼飞行器，其特征在于：所述骨架(4)由高强度泡沫外壳包裹，其外形和翼龙相似，既增加了扑翼飞行器的仿生效果，也对扑翼内部结构起到保护作用。

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