阅读说明：本技术 一种并联差动式二自由度扑翼机构 (Parallel differential type two-degree-of-freedom flapping wing mechanism ) 是由 潘天宇 郑孟宗 彭连松 李秋实 于 2020-08-04 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种并联差动式二自由度扑翼机构,包括：翼板、连接杆、驱动组件和主体组件,所述驱动组件固定设置在所述主体组件内,所述翼板通过所述连接杆与所述驱动组件固定连接；本公开的有益效果为采用差动轮系结构,增加运动的精确性和运动范围,采用并联驱动方式,以两个锥齿轮为主动轮,共同驱动从动轮进行运动,使得扑动和转动双自由度运动中每个自由度均由两个主动轮承担,降低电机的负担,使结构更紧凑。(The present disclosure provides a parallel differential two-degree-of-freedom flapping-wing mechanism, comprising: the wing plate is fixedly connected with the driving assembly through the connecting rod; the parallel-connection driving mechanism has the beneficial effects that the differential gear train structure is adopted, the movement accuracy and the movement range are increased, the parallel-connection driving mode is adopted, the two bevel gears are used as driving wheels, and the driven wheels are driven to move together, so that each degree of freedom in the flapping and rotation two-degree-of-freedom movement is borne by the two driving wheels, the burden of the motor is reduced, and the structure is more compact.)

一种并联差动式二自由度扑翼机构

技术领域

本公开涉及飞行器，尤其涉及一种并联差动式二自由度扑翼机构。

背景技术

扑翼运动广泛存在于自然界的昆虫(如蜻蜓)、鸟类(如蜂鸟)及水生生物(如海龟)中。低雷诺数下的运动，由于流体的粘性作用更加凸显，扑翼飞行器拥有比固定翼飞行器和旋翼飞行器更高的气动效率和稳定性。因此，扑翼广泛应用于微型飞行器和水下航行器等低雷诺数运动中。

对于微型飞行器而言，扑翼机构的设计至关重要。扑翼运动由翅膀的扑动和转动两部分运动共同组成。目前的大多数微型扑翼飞行器仅通过调节单一电机的转速对拍动运动进行单自由度调节，转动运动只能通过气动力作用于柔性翼使其变形来进行被动调节，无法主动控制，因而无法完全模仿自然界中扑翼生物的运动规律，导致飞行器运动力和控制力不足。能够进行扑动和转动双自由度调节的扑翼机构，大多以串联结构设计为主，即扑动和转动分别由单独电机驱动，彼此互不配合。串联结构的运动精度差，电机负担重，且负责转动运动的电机需要固定在翅膀上随翅膀进行扑动，使得机构的效率降低，运动范围受到限制。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种并联差动式二自由度扑翼机构。

根据本公开的一个方面，一种并联差动式二自由度扑翼机构，包括：翼板、连接杆、驱动组件和主体组件，所述驱动组件固定设置在所述主体组件内，所述翼板通过所述连接杆与所述驱动组件固定连接；

所述驱动组件包括一号主动轮、二号主动轮、从动轮和连接组件，所述一号主动轮、所述二号主动轮和所述从动轮通过所述连接组件与所述主体组件连接，所述一号主动轮、所述二号主动轮、所述从动轮为模数相同的直角锥齿轮，所述一号主动轮和所述二号主动轮同轴镜像设置，所述从动轮设置在所述一号主动轮和所述二号主动轮之间，且所述从动轮同时与所述一号主动轮和所述二号主动轮齿纹啮合，所述翼板通过所述连接杆与所述从动轮固定连接。

具体地，所述主体组件包括一号主体框架和二号主体框架，所述一号主体框架和所述二号主体框架镜像设置，所述一号主动轮通过所述连接组件与所述一号主体框架可转动连接，所述二号主动轮通过所述连接组件与所述二号主体框架可转动连接，所述从动轮通过所述连接组件与所述一号主体框架和所述二号主体框架可滑动连接。

具体地，所述一号主体框架/所述二号主体框架包括基座、轴承安装环和弧形限位板，所述基座包括横板和竖板，所述竖板上设置有驱动孔，所述轴承安装环固定设置在所述竖板的内侧面，所述弧形限位板的第一侧边与所述竖板的内侧面固定连接。

优选地，所述轴承安装环和所述驱动孔同轴设置。

具体地，所述连接组件包括一号轴承、二号轴承、三号轴承和滑块，所述一号主动轮通过所述一号轴承与所述一号主体框架的轴承安装环可转动连接，所述二号主动轮通过二号轴承与所述二号主体框架的轴承安装环可转动连接；

所述滑块的后侧面与所述弧形限位板的前侧面贴合，所述滑块中部设置有安装孔，所述从动轮通过所述三号轴承与所述滑块的安装孔可转动连接。

优选地，所述滑块的后侧面为曲面结构，所述滑块的后侧面的曲面直径与所述弧形限位板的内侧面的曲面直径相等，所述滑块的宽度等于所述一号主体框架的弧形限位板的宽度和所述二号主体框架的弧形限位板的宽度之和。

具体地，所述连接杆与所述从动轮同轴设置，所述连接杆的中轴线与所述一号主动轮的中轴线垂直设置，所述连接杆的第一端与所述从动轮的顶面固定连接，所述连接杆的第二端与所述翼板的短边中点固定连接，且所述连接杆与所述翼板的短边垂直设置。

优选地，所述一号轴承/所述二号轴承的外径与所述轴承安装环的内径相等，所述三号轴承与所述安装孔的内径相等，所述一号轴承的内径与所述一号主动轮的大径相等，所述二号轴承的内径与所述二号主动轮的大径相等，所述三号轴承与所述从动轮的大径相等。

具体地，两个电机的转矩输出轴分别与所述一号主动轮的齿轮轴和所述二号主动轮的齿轮轴固定连接。

优选地，两个所述电机的转动速度和转动相位差相互独立。

根据本公开的至少一个实施方式，本公开的有益效果为：

采用差动轮系结构，增加运动的精确性和运动范围，采用并联驱动方式，以两个锥齿轮为主动轮，共同驱动从动轮进行运动，使得扑动和转动双自由度运动中每个自由度均由两个主动轮承担，降低电机的负担，使结构更紧凑。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的一种并联差动式二自由度扑翼机构的***示意图。

图2是根据本公开的所述一号主体框架/二号主体框架的结构示意图。

图3是根据本公开的所述滑块的结构示意图。

附图标记：

1-一号主体框架、2-二号主体框架、3-一号主动轮、4-二号主动轮、5-从动轮、6-一号轴承、7-二号轴承、8-三号轴承、9-滑块、10-翼板、11-连接杆、21-竖板、22-轴承安装环、23-弧形限位板、91-安装孔、92-曲面结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

该运动结构通过同时调节两个主动轮的转动速度和转动相位差、并联配合，来实现扑翼运动中的扑动和转动组成的二自由度运动。结构简单可靠，易于微型化，可以应用于微型扑翼飞行器、实验室扑翼飞行研究及水下扑翼航行器等领域。

一种并联差动式二自由度扑翼机构，包括：翼板10、连接杆11、驱动组件和主体组件，驱动组件固定设置在主体组件内，翼板10通过连接杆11与驱动组件固定连接；

驱动组件包括一号主动轮3、二号主动轮4、从动轮5和连接组件，一号主动轮3、二号主动轮4和从动轮5通过连接组件与主体组件连接，一号主动轮3、二号主动轮4、从动轮5为模数相同的直角锥齿轮，一号主动轮3和二号主动轮4同轴镜像设置，从动轮5设置在一号主动轮3和二号主动轮4之间，且从动轮5同时与一号主动轮3和二号主动轮4齿纹啮合，翼板10通过连接杆11与从动轮5固定连接。

驱动组件由两个主动轮，一个从动轮5和与之配套的轴承组成。其中两个主动轮为轴线重合的锥齿轮，从动轮5为位于两个主动轮内侧且同时与两个主动轮啮合的锥齿轮，三者构成一个差动齿轮系。

主体组件包括一号主体框架1和二号主体框架2，一号主体框架1和二号主体框架2镜像设置，一号主动轮3通过连接组件与一号主体框架1可转动连接，二号主动轮4通过连接组件与二号主体框架2可转动连接，从动轮5通过连接组件与一号主体框架1和二号主体框架2可滑动连接。

一号主体框架1/二号主体框架2包括基座、轴承安装环22和弧形限位板23，基座包括横板和竖板21，竖板21上设置有驱动孔，轴承安装环22固定设置在竖板21的内侧面，弧形限位板23的第一侧边与竖板21的内侧面固定连接,轴承安装环22和驱动孔同轴设置。

竖板21垂直固定设置在横板上。主体组件由对称的一号主体框架1和二号主体框架2左右连接构成，对一号主动轮3/二号主动轮4位置的固定和从动轮5的运动轨迹提供约束和支撑。

连接组件包括一号轴承6、二号轴承7、三号轴承8和滑块9，一号主动轮3通过一号轴承6与一号主体框架1的轴承安装环22可转动连接，二号主动轮4通过二号轴承7与二号主体框架2的轴承安装环22可转动连接；

滑块9的后侧面与弧形限位板23的前侧面贴合，滑块9中部设置有安装孔91，从动轮5通过三号轴承8与滑块9的安装孔91可转动连接.滑块9的后侧面为曲面结构92，滑块9的后侧面的曲面直径与弧形限位板23的内侧面的曲面直径相等，滑块9的宽度等于一号主体框架1的弧形限位板23的宽度和二号主体框架2的弧形限位板23的宽度之和。

一号轴承6外径与一号主体框架1的轴承安装环22直径相同，内径与一号主动轮3的直径相同，使得一号轴承6可以固定镶嵌在一号主体框架1中，为一号主动轮3提供轴向和周向定位，并为一号主动轮3的转动提供润滑。

二号轴承7外径与二号主体框架2的轴承安装环22直径相同，内径与二号主动轮4的直径相同，使得二号轴承7可以固定镶嵌在二号主体框架2中，为二号主动轮4提供轴向和周向定位，并为二号主动轮4的转动提供润滑。

三号轴承8外径与滑块9的安装孔91直径相同，内径与从动轮5的直径相同，使得三号轴承8可以固定镶嵌在滑块9中，为从动轮5提供轴向和周向定位，并为从动轮5的转动提供润滑。

滑块9的曲面直径与一号主体框架1和二号主体框架2的弧形限位板23直径相同，使滑块9可以在限位槽中滑动。滑块9为三号轴承8提供支撑，从而使从动轮5的运动限位在与两个主动轮的啮合运动中。

连接杆11与从动轮5同轴设置，连接杆11的中轴线与一号主动轮3的中轴线垂直设置，连接杆11的第一端与从动轮5的顶面固定连接，连接杆11的第二端与翼板10的短边中点固定连接，且连接杆11与翼板10的短边垂直设置。

翼板10可为矩形板，也可以为其余形状的板体，其具体结构可以根据具体的使用情况进行确定，在使用中只需要保证翼板10的一端与连接杆11固定连接即可，且翼板10与连接杆11之间不能出现相对转动。

两个电机的转矩输出轴分别与一号主动轮3的齿轮轴和二号主动轮4的齿轮轴固定连接,两个电机的转动速度和转动相位差相互独立。

在机构运动时，两个电机分别通过一号主动轮3的齿轮轴和二号主动轮4的齿轮轴将动力输入，转化为两个主动轮的转动。两个主动轮分别将运动传递给与之啮合的从动轮5。从动轮5将两个主动轮的运动转化为沿主动轮轴线的拍动和沿从动轮5轴线的转动组成的复合运动，并将该复合运动通过从动轮5的齿轮轴传递给翼板10，最终实现翼板10的扑动和翻转组成的二自由度扑翼运动。

具体运动控制如下：(锥齿轮旋转正方向，为视线望向锥齿轮面的顺时针方向)

1、翼板10拍动规律的实现：一号主动轮3以角速度w1(w1>0)转动，二号主动轮4以角速度-w1转动时，从动轮5带动翼板10以角速度w1沿主动轮轴线拍动。

2、翼板10转动规律的实现：一号主动轮3以角速度w2(w2>0)转动，二号主动轮4以角速度w2转动时，从动轮5带动翼板10以角速度w2沿从动轮5轴线转动。

3、翼板10二自由度扑翼运动的实现：一号主动轮3以角速度w3转动，二号主动轮4以角速度w4转动时，从动轮5带动翼板10以角速度

沿主动轮轴线做拍动运动，同时以绕从动轮5轴线做转动运动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。