基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构制造技术

本发明专利技术提供一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，包括机架(1)、扑动驱动机构(2)和变幅扫掠伺服机构(3)；扑动驱动机构(2)包括扑动电机以及同时与所述扑动电机的输出轴联动的并且对称设置的左扑动驱动单元和右扑动驱动单元；左扑动驱动单元和所述右扑动驱动单元的结构相同，均包括：齿轮减速器、圆锥套筒摇臂(2.4)和十字扑动轴(2.5)。优点为：本发明专利技术提供一种基于十字轴铰链与圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，能以较为简单的结构实现扫掠、变幅、扑动等鸟类具有的复杂运动，且具有较高的结构效率和较大的输出功率，可靠性高，使用寿命长，适合在微型扑翼飞行器中应用。

【技术实现步骤摘要】
基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构
本专利技术属于扑翼飞行器驱动机构设计
，具体涉及一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构。
技术介绍
微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，具有体积小、重量轻、机动灵活、效率高等优势。由于扑翼飞行器的升力、推力均由扑翼的扑动运动提供，因此，驱动扑翼使扑翼飞行器获得良好的气动效率，同时具备较高的可靠性和良好的载荷特性就成为了微型扑翼飞行器研制过程中的关键环节。目前的扑翼驱动机构主要有以下几种技术途径：中国专利授权公告号CN201354146Y，名称为机械鸟的扑动机构的技术专利公开了一种模拟飞鸟展翅飞行的具有三自由度的扑动装置。该装置采用三个电机分别驱动曲柄摇杆机构、齿轮齿环机构和齿轮组实现了模仿飞鸟展翅飞行的拍打、扭转和摆动的三自由度运动。其不足之处是：整个机构由三个独立的电机控制，给飞行器带来了多余的废重，且三个独立系统在控制中成串联关系，可靠性较低，机构的组成比较复杂，难以轻量化和小型化，在微型扑翼飞行器上应用受限。中国专利授权公告号CN101508343A，名称为扑翼轨迹呈8字形的仿生微型飞行器的专利技术专利给出了一种单自由度四连杆拍翼驱动机构，通过两级齿轮减速器驱动曲柄连杆机构带动拍翼上下拍动，并借由拍翼的弹性变形能力和特定的扑动频率产生的气动特性实现拍翼轨迹呈8字形的拍动。其不足之处是：利用弹性形变在特定频率下才能产生需要的运动模式，缺乏灵活性，对气流变化的适应性不足，对于频率变化的响应难以预测。综上所述，现有扑翼驱动机构主要问题在于：结构复杂、重量大，难以应用与微小型扑翼飞行器，对鸟类扑动方式模仿程度不够，扑动方式的实现缺乏有效手段等。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，可有效解决上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，包括机架(1)、扑动驱动机构(2)和变幅扫掠伺服机构(3)；所述机架(1)的左右两侧对称安装左扑动翼(4)和右扑动翼(5)；所述扑动驱动机构(2)包括扑动电机以及同时与所述扑动电机的输出轴联动的并且对称设置的左扑动驱动单元和右扑动驱动单元；所述左扑动驱动单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右扑动驱动单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；所述扑动电机同时驱动所述左扑动驱动单元和右扑动驱动单元动作，进而带动所述左扑动翼(4)和所述右扑动翼(5)同时进行扑动动作；其中，所述左扑动驱动单元和所述右扑动驱动单元的结构相同，均包括：齿轮减速器、圆锥套筒摇臂(2.4)和十字扑动轴(2.5)；齿轮减速器安装于所述机架(1)上，所述齿轮减速器直接与所述扑动电机连接；所述十字扑动轴(2.5)包括呈十字形交叉设置的扑动长轴(2.5.1)和扑动短轴(2.5.2)；所述圆锥套筒摇臂(2.4)为长度可自适应调节的摇臂；所述圆锥套筒摇臂(2.4)的一端与所述齿轮减速器的末级齿轮的偏心轴孔铰接，所述圆锥套筒摇臂(2.4)的另一端具有上下两个夹头，上下夹头各与所述扑动短轴(2.5.2)的上下两端铰接；同时，所述扑动短轴(2.5.2)的两端与扑动翼的翼根铰接，作为扑动翼扑动的扑动轴；当所述扑动电机带动所述齿轮减速器旋转时，旋转运动使圆锥套筒摇臂(2.4)在空间中的轨迹形成一个圆锥面，其中，圆锥面的锥顶角为扑动短轴(2.5.2)所在位置，并将旋转运动转换为扑动短轴(2.5.2)的上下扑动运动；当所述扑动短轴(2.5.2)做上下扑动运动时，带动扑动翼进行上下扑动运动；所述变幅扫掠伺服机构(3)包括对称安装于所述机架(1)左右两侧的左变幅扫掠伺服单元和右变幅扫掠伺服单元；在所述机架(1)的中部安装前变幅扫掠伺服电机和后变幅扫掠伺服电机；所述左变幅扫掠伺服单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右变幅扫掠伺服单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；其中，所述左变幅扫掠伺服单元和所述右变幅扫掠伺服单元均包括对称安装于所述扑动长轴(2.5.1)的前后两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)和后变幅扫掠伺服装置(3.2)；前变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的前端距离所述机架(1)的距离；后变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的后变幅扫掠伺服装置(3.2)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的后端距离所述机架(1)的距离；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向远离机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2.4)运动轨迹的锥顶角变小，机翼的扑动幅度变小；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向靠近机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2.4)运动轨迹的锥顶角变大，机翼的扑动幅度变大；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端被作用于相反方向的作用力时，即前后机构差动控制，此时所述十字扑动轴(2.5)沿水平面发生旋转，不再与机身体轴线平行，此时扑动翼的掠角发生变化，从而实现对扑动翼的扫掠控制。优选的，所述齿轮减速器采用两级平行齿轮减速机构，包括齿轮架(2.1)、初级齿轮(2.2)和二级齿轮(2.3)；所述齿轮架(2.1)安装于所述机架(1)上，在所述齿轮架(2.1)上安装相互啮合的所述初级齿轮(2.2)和所述二级齿轮(2.3)；所述初级齿轮(2.2)直接与所述扑动电机连接；所述二级齿轮(2.3)的偏心轴孔与所述圆锥套筒摇臂(2.4)的一端铰接。优选的，所述两级平行齿轮减速机构的减速比为19-30。优选的，还包括滑翔锁(6)；所述滑翔锁(6)用于卡住或释放所述二级齿轮(2.3)。优选的，所述圆锥套筒摇臂(2.4)包括底座(2.4.1)、光轴(2.4.2)和Y形夹头(2.4.3)；所述光轴(2.4.2)的一端伸入所述底座(2.4.1)的内部，所述光轴(2.4.2)的另一端伸入到所述Y形夹头(2.4.3)的内部，使所述Y形夹头(2.4.3)可相对于所述底座(2.4.1)伸长或缩短；所述底座(2.4.1)的尾端与所述二级齿轮(2.3)的偏心轴孔铰接，所述Y形夹头(2.4.3)的上下夹头各与所述扑动短轴(2.6.2)的上下两端铰接。优选的，所述前变幅扫掠伺服装置(3.1)和所述后变幅扫掠伺服装置(3.2)均包括：连杆板(3A)、摇臂板(3B)、滑块导轨槽(3C)、丝杠滑块(3D)和扑动轴承(3E)；所述滑块导轨槽(3C)固定安装于所述机架(1)上面；所述丝杠滑块(3D)设置于所述滑块导轨槽(3C)中，且与对应的变幅扫掠伺服电机连接，通过变幅扫掠伺服电机驱动所述丝杠滑块(3D)沿所述滑块导轨槽(3C)进行前后方向的直线运动；所述连杆板(3A)的顶部通过所述摇臂板(3B)与所述滑块导轨槽(3C)铰接；所述连杆板(3A)的一侧与所述丝杠滑块(3D)铰接，所述丝杠滑块(3D)的另一侧与固定于所述扑动长轴(2.5.1)上的所述扑动轴承(3E)铰接；当所述丝杠滑块(3D)进行前后方向的直线运动时，带动所述扑动轴承(3E)进行左右方向的直线运动，进而带动扑动长轴(2.5.1)的一端进行左右方向的直线运动，也即远离或靠近机身的运动。本专利技术提供的基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，其特征在于，包括机架(1)、扑动驱动机构(2)和变幅扫掠伺服机构(3)；所述机架(1)的左右两侧对称安装左扑动翼(4)和右扑动翼(5)；所述扑动驱动机构(2)包括扑动电机以及同时与所述扑动电机的输出轴联动的并且对称设置的左扑动驱动单元和右扑动驱动单元；所述左扑动驱动单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右扑动驱动单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；所述扑动电机同时驱动所述左扑动驱动单元和右扑动驱动单元动作，进而带动所述左扑动翼(4)和所述右扑动翼(5)同时进行扑动动作；其中，所述左扑动驱动单元和所述右扑动驱动单元的结构相同，均包括：齿轮减速器、圆锥套筒摇臂(2.4)和十字扑动轴(2.5)；齿轮减速器安装于所述机架(1)上，所述齿轮减速器直接与所述扑动电机连接；所述十字扑动轴(2.5)包括呈十字形交叉设置的扑动长轴(2.5.1)和扑动短轴(2.5.2)；所述圆锥套筒摇臂(2.4)为长度可自适应调节的摇臂；所述圆锥套筒摇臂(2.4)的一端与所述齿轮减速器的末级齿轮的偏心轴孔铰接，所述圆锥套筒摇臂(2.4)的另一端具有上下两个夹头，上下夹头各与所述扑动短轴(2.5.2)的上下两端铰接；同时，所述扑动短轴(2.5.2)的两端与扑动翼的翼根铰接，作为扑动翼扑动的扑动轴；当所述扑动电机带动所述齿轮减速器旋转时，旋转运动使圆锥套筒摇臂(2.4)在空间中的轨迹形成一个圆锥面，其中，圆锥面的锥顶角为扑动短轴(2.5.2)所在位置，并将旋转运动转换为扑动短轴(2.5.2)的上下扑动运动；当所述扑动短轴(2.5.2)做上下扑动运动时，带动扑动翼进行上下扑动运动；所述变幅扫掠伺服机构(3)包括对称安装于所述机架(1)左右两侧的左变幅扫掠伺服单元和右变幅扫掠伺服单元；在所述机架(1)的中部安装前变幅扫掠伺服电机和后变幅扫掠伺服电机；所述左变幅扫掠伺服单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右变幅扫掠伺服单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；其中，所述左变幅扫掠伺服单元和所述右变幅扫掠伺服单元均包括对称安装于所述扑动长轴(2.5.1)的前后两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)和后变幅扫掠伺服装置(3.2)；前变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的前端距离所述机架(1)的距离；后变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的后变幅扫掠伺服装置(3.2)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的后端距离所述机架(1)的距离；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向远离机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2.4)运动轨迹的锥顶角变小，机翼的扑动幅度变小；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向靠近机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2.4)运动轨迹的锥顶角变大，机翼的扑动幅度变大；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端被作用于相反方向的作用力时，即前后机构差动控制，此时所述十字扑动轴(2.5)沿水平面发生旋转，不再与机身体轴线平行，此时扑动翼的掠角发生变化，从而实现对扑动翼的扫掠控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于十字轴铰链和圆锥摇臂的三维扑动扑翼驱动机构，其特征在于，包括机架(1)、扑动驱动机构(2)和变幅扫掠伺服机构(3)；所述机架(1)的左右两侧对称安装左扑动翼(4)和右扑动翼(5)；所述扑动驱动机构(2)包括扑动电机以及同时与所述扑动电机的输出轴联动的并且对称设置的左扑动驱动单元和右扑动驱动单元；所述左扑动驱动单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右扑动驱动单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；所述扑动电机同时驱动所述左扑动驱动单元和右扑动驱动单元动作，进而带动所述左扑动翼(4)和所述右扑动翼(5)同时进行扑动动作；其中，所述左扑动驱动单元和所述右扑动驱动单元的结构相同，均包括：齿轮减速器、圆锥套筒摇臂(2.4)和十字扑动轴(2.5)；齿轮减速器安装于所述机架(1)上，所述齿轮减速器直接与所述扑动电机连接；所述十字扑动轴(2.5)包括呈十字形交叉设置的扑动长轴(2.5.1)和扑动短轴(2.5.2)；所述圆锥套筒摇臂(2.4)为长度可自适应调节的摇臂；所述圆锥套筒摇臂(2.4)的一端与所述齿轮减速器的末级齿轮的偏心轴孔铰接，所述圆锥套筒摇臂(2.4)的另一端具有上下两个夹头，上下夹头各与所述扑动短轴(2.5.2)的上下两端铰接；同时，所述扑动短轴(2.5.2)的两端与扑动翼的翼根铰接，作为扑动翼扑动的扑动轴；当所述扑动电机带动所述齿轮减速器旋转时，旋转运动使圆锥套筒摇臂(2.4)在空间中的轨迹形成一个圆锥面，其中，圆锥面的锥顶角为扑动短轴(2.5.2)所在位置，并将旋转运动转换为扑动短轴(2.5.2)的上下扑动运动；当所述扑动短轴(2.5.2)做上下扑动运动时，带动扑动翼进行上下扑动运动；所述变幅扫掠伺服机构(3)包括对称安装于所述机架(1)左右两侧的左变幅扫掠伺服单元和右变幅扫掠伺服单元；在所述机架(1)的中部安装前变幅扫掠伺服电机和后变幅扫掠伺服电机；所述左变幅扫掠伺服单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右变幅扫掠伺服单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；其中，所述左变幅扫掠伺服单元和所述右变幅扫掠伺服单元均包括对称安装于所述扑动长轴(2.5.1)的前后两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)和后变幅扫掠伺服装置(3.2)；前变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的前变幅扫掠伺服装置(3.1)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的前端距离所述机架(1)的距离；后变幅扫掠伺服电机用于驱动左右两侧的后变幅扫掠伺服装置(3.2)动作，进而改变所述十字扑动轴(2.5)的后端距离所述机架(1)的距离；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向远离机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2.4)运动轨迹的锥顶角变小，机翼的扑动幅度变小；当所述十字扑动轴(2.5)的前后两端同时向靠近机架(1)方向进行直线运动时，此时圆锥套筒摇臂(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昂，杨文青，宋笔锋，宣建林，薛栋，年鹏，梁少然，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61