基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构制造技术

一种基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，包括直线舵机、旋转舵机、直线舵机座、旋转舵机底座、翼关节、舵机拉杆、半圆柱形紧固件、旋转舵机摇臂、翼根碳杆、翼关节主轴碳杆、旋转舵机控制碳杆等零部件；主体零件均使用树脂或尼龙材料通过3D打印加工方式获得，质量非常轻便；利用两个直线舵机和一个旋转舵机，较好地实现了对俯仰(pitch)、滚转(roll)和偏航(yaw)3个自由度的全姿态控制；在实现全姿态控制的基础上，通过结构优化设计，产生了较大的俯仰、滚转和偏航的控制角度，对于控制样机在悬停飞行状态下的姿态具有非常重要的意义，也为后续设计轻质、紧凑的扑翼样机提供了基础。

Control mechanism of hummingbird like flapping UAV Based on wing deformation

【技术实现步骤摘要】
基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构
本专利技术涉及一种仿生飞行器的控制机构，属于无人飞行器
或机器人领域。
技术介绍
近年来，随着仿生研究的蓬勃发展以及国内国外市场对无人机的不断增大的需求，扑翼无人飞行器的研究引起了越来越多的关注。扑翼无人飞行器与常见的固定翼和旋翼飞行器相比，具有效率高、质量轻、机动性强、耗能低等显著优点，具有广泛的应用前景，尤其是在军事领域，以军事侦查为主。在扑翼无人飞行器的设计中，控制机构的设计是其中非常重要的一环。在控制机构的设计方面，主要有2种控制方式：基于改变行程平面的控制和基于翅翼变形的控制方式。基于改变行程平面的控制方式是通过机构的传动直接改变扑翼的行程平面，控制方式较为直接，较好地实现了对鸟类运动的仿生，具有非常重要的研究意义；但是由于每个自由度都需要单独的运动机构进行传递，因此整体的设计相对比较笨重。基于翅翼变形的控制方式是通过控制翅翼内侧的控制杆来对3种姿态进行控制，由于被控对象只有一个，所以可以采用3个舵机对控制杆进行直接控制，极大地减少了控制机构的重量，对于搭建可应用于实际场景的轻质的扑翼无人飞行器具有很重要的意义。国内基于舵机驱动和翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器控制机构研究已公开专利包括：上海交通大学的仿蜂鸟扑翼微飞行器，其申请号为CN201210282453、公开号为CN102815399A；北京航空航天大学的一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器，其申请号为CN201811569262、公开号为CN109606675A；北京航空航天大学的一种仿生蜂鸟飞行器，其申请号为CN201810140193、公开号为CN108438218A；哈尔滨工业大学(深圳)的一种仿昆虫微型扑翼飞行器，其申请号为CN201811590043、公开号为CN109573019A。国外的相似研究包括，美国航空环境公司研究的NanoHummingbird样机，韩国建国大学的KUBeetle样机和布鲁塞尔自由大学的Colibri样机。现有研究和专利技术有很大一部分都不能实现对俯仰、滚转和偏航3个自由度的全姿态控制，同时也不能产生足够大的力矩控制角度，缺少能产生较大控制量的控制机构。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种新型的基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，该机构可以实现对俯仰、滚转和偏航3个自由度的全姿态控制。在实现全姿态控制的基础上，通过结构优化设计，可以产生较大的俯仰和偏航的控制角度，而且使得控制机构更为紧凑，对后续设计轻质、紧凑的扑翼样机提供基础。本专利技术的技术方案如下：基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，该控制机构包括旋转舵机底座及其上固定的旋转舵机，该部分通过底部的4个圆柱孔与扑翼驱动机构相连，旋转舵机轴的两端各固定有一个旋转舵机摇臂，两个旋转舵机摇臂的另一端分别与旋转舵机控制碳杆的一端固定，旋转舵机控制碳杆由直线舵机座底部的直槽口中穿过并控制直线舵机座的运动；直线舵机座通过该零件上部的孔与扑翼驱动机构进行连接，两者之间采用间隙配合，即直线舵机座可以绕扑翼驱动机构的轴转动，使得该部分易于拆装；其上固定有两个直线舵机，两个直线舵机上各固定有一个舵机拉杆，舵机拉杆的另一端各与一个翼关节铰接，两个翼关节的另一端分别固定在翼关节主轴碳杆的两端上，翼关节主轴碳杆固定在直线舵机座的上部，与各翼关节对应在翼关节主轴碳杆的两端上同时各固定有一个翼根碳杆，翼根碳杆的中部与对应的翼关节固定在一起。所述的翼关节上设置有不同的控制孔，改变舵机拉杆插入翼关节上孔的位置能够产生幅值不同的俯仰和偏航控制角度；旋转舵机摇臂上同样设置有不同的控制孔，改变旋转舵机控制碳杆在旋转舵机摇臂上的安装位置能够产生幅值不同的滚转控制角度。所述的旋转舵机底座上设置凹槽，用于固定旋转舵机，同时设置有3个安装孔，用于安装力和力矩传感器，以便进行平台测试实验。所述旋转舵机与旋转舵机底座采用凹槽加胶粘的方式进行配合。所述直线舵机与直线舵机座通过胶粘的方式进行连接。所述直线舵机座的两侧各设置有一个凹坑，用以固定两个直线舵机，在凹坑内部设计有3个凸出圆柱，这3个圆柱分别与直线舵机底部的3个孔进行配合，以便对直线舵机进行定位。所述翼关节主轴碳杆与直线舵机座采用过盈配合固连在一起；所述翼关节与翼关节主轴碳杆采用间隙配合以保证翼关节具有较好的运动自由度，并用半圆柱形紧固件进行轴向限位，半圆形紧固件与翼关节主轴碳杆采用过盈配合进行固定。所述舵机拉杆与翼关节和直线舵机均采用过渡配合，舵机拉杆与翼关节之间允许轻微转动；所述翼根碳杆与翼关节之间采用胶粘方式进行紧固。所述旋转舵机与旋转舵机摇臂、旋转舵机摇臂与旋转舵机控制碳杆均采用过盈配合。该控制机构的主体零件(直线舵机座、旋转舵机底座、翼关节、半圆柱形紧固件)均使用树脂或尼龙材料通过3D打印加工方式获得，质量非常轻便。两个直线舵机通过舵机拉杆的传动带动翼关节旋转，从而使翼根末端向前或者向后偏转，从而产生俯仰或偏航的控制力矩，当翼根末端同时向前或者向后偏转时，两翼产生升力的等效作用点位置同时向前或者向后移动，产生俯仰控制力矩；当翼根末端一侧向前、一侧向后反向偏转时，两翼产生的牵引力的大小不同，产生偏航控制力矩。底端的旋转舵机通过直线舵机座底端的孔槽带动翼根末端向左或者向右偏转，进而带动两侧翅膀一侧收缩、一侧舒张，从而产生滚转控制力矩。翼关节上设置有不同的控制孔，改变舵机拉杆插入翼关节上孔的位置能够产生幅值不同的俯仰和偏航控制角度。舵机拉杆如果与外侧的插孔相连，则会产生较小的俯仰和偏航转角幅值；如果与内侧的插孔相连，则会产生较大的俯仰和偏航转角幅值，目前设计中可以产生的可控转角幅值最小为22.6°，最大为39.8°。旋转舵机摇臂上同样设置有不同的控制孔，改变旋转舵机控制碳杆在旋转舵机摇臂上的安装位置能够产生幅值不同的滚转控制角度，目前设计中可以产生滚转的可控转角幅值最小为44.4°，最大为50.5°。本专利技术的优点和有益效果：本专利技术利用两个直线舵机和一个旋转舵机，较好地实现了对俯仰、滚转和偏航3个自由度的全姿态控制；在实现全姿态控制的基础上，通过结构优化设计，产生了较大的俯仰、滚转和偏航的控制角度，对于控制样机在悬停飞行状态下的姿态具有很重要的意义；主体零件(直线舵机座、旋转舵机底座、翼关节、半圆柱形紧固件)均使用树脂或尼龙材料通过3D打印加工方式获得，质量非常轻便，为后续设计轻质、紧凑的扑翼样机提供了基础。附图说明图1是本专利技术基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼微型飞行器控制机构的装配示意图。图2是图1中整个扑翼控制机构的主视示意图。图3是图1中控制机构俯仰角度控制示意图。图4是图1中控制机构偏航角度控制示意图。图5是图1中控制机构滚转角度控制示意图。图6是直线舵机座结构示意图。图7是旋转舵机底座结构示意图。图8是俯仰和偏航自由度控制角度计算示意图。图9是滚转自由度控制角度计算示意图。图中，1为直线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，其特征在于：该控制机构包括旋转舵机底座及其上固定的旋转舵机，该部分通过底部的4个圆柱孔与扑翼驱动机构相连，旋转舵机轴的两端各固定有一个旋转舵机摇臂，两个旋转舵机摇臂的另一端分别与旋转舵机控制碳杆的一端固定，旋转舵机控制碳杆由直线舵机座底部的直槽口中穿过并控制直线舵机座的运动；直线舵机座通过该零件上部的孔与扑翼驱动机构(本专利中未进行设计)进行连接，两者之间采用间隙配合，即直线舵机座可以绕扑翼驱动机构的轴转动，使得该部分易于拆装；其上固定有两个直线舵机，两个直线舵机上各固定有一个舵机拉杆，舵机拉杆的另一端各与一个翼关节铰接，两个翼关节的另一端分别固定在翼关节主轴碳杆的两端上，翼关节主轴碳杆固定在直线舵机座的上部，与各翼关节对应在翼关节主轴碳杆的两端上同时各固定有一个翼根碳杆，翼根碳杆的中部与对应的翼关节固定在一起。/n

【技术特征摘要】
1.基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，其特征在于：该控制机构包括旋转舵机底座及其上固定的旋转舵机，该部分通过底部的4个圆柱孔与扑翼驱动机构相连，旋转舵机轴的两端各固定有一个旋转舵机摇臂，两个旋转舵机摇臂的另一端分别与旋转舵机控制碳杆的一端固定，旋转舵机控制碳杆由直线舵机座底部的直槽口中穿过并控制直线舵机座的运动；直线舵机座通过该零件上部的孔与扑翼驱动机构(本专利中未进行设计)进行连接，两者之间采用间隙配合，即直线舵机座可以绕扑翼驱动机构的轴转动，使得该部分易于拆装；其上固定有两个直线舵机，两个直线舵机上各固定有一个舵机拉杆，舵机拉杆的另一端各与一个翼关节铰接，两个翼关节的另一端分别固定在翼关节主轴碳杆的两端上，翼关节主轴碳杆固定在直线舵机座的上部，与各翼关节对应在翼关节主轴碳杆的两端上同时各固定有一个翼根碳杆，翼根碳杆的中部与对应的翼关节固定在一起。


2.根据权利要求1所述的基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，其特征在于所述的直线舵机座、旋转舵机底座、翼关节均使用树脂或尼龙材料通过3D打印加工方式获得，质量非常轻便。


3.根据权利要求1所述的基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，其特征在于所述的翼关节上设置有不同的控制孔，改变舵机拉杆插入翼关节上孔的位置能够产生幅值不同的俯仰和偏航控制角度；旋转舵机摇臂上同样设置有不同的控制孔，改变旋转舵机控制碳杆在旋转舵机摇臂上的安装位置能够产生幅值不同的滚转控制角度。


4.根据权利要求1所述的基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构，其特征在于所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇纯，李友朋，钱辰，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12