阅读说明：本技术 一种微小型仿生扑翼机构 (Micro-miniature bionic flapping wing mechanism ) 是由 郭策 李新 黄秋野 俞志伟 李龙海 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种微小型仿生扑翼机构,涉及仿生扑翼设计技术,能够兼顾轻量化和输出升力。本发明包括：包括传动齿轮、电机、连杆、摇杆,以及固定电机和传动机构的固定架；空心杯电机安装在固定架上,电机轴上安装的小齿轮与传动机构的大齿轮啮合,每个大齿轮上铰接一根连杆,每根连杆的另一端连接一根摇杆；这样通过曲柄摇杆机构实现的扑翼不但能满足扑翼飞行器较高的频率要求,而且能产生足够的竖直方向的升力。本发明适用于轻量化扑翼飞行器。(The embodiment of the invention discloses a microminiature bionic flapping wing mechanism, relates to the bionic flapping wing design technology, and can give consideration to light weight and output lift force. The invention comprises the following steps: comprises a transmission gear, a motor, a connecting rod, a rocker and a fixing frame for fixing the motor and the transmission mechanism; the hollow cup motor is arranged on the fixed frame, a pinion arranged on a motor shaft is meshed with a large gear of the transmission mechanism, each large gear is hinged with a connecting rod, and the other end of each connecting rod is connected with a rocker; therefore, the flapping wing realized by the crank rocker mechanism not only can meet the higher frequency requirement of the flapping wing aircraft, but also can generate enough vertical lifting force. The invention is suitable for the light flapping wing aircraft.)

一种微小型仿生扑翼机构

技术领域

本发明涉及仿生扑翼设计技术，尤其涉及一种微小型仿生扑翼机构。

背景技术

昆虫具有完美的特技飞行技术，其飞行机理一直吸引着科研人员的极大兴趣，人们对昆虫扑翼飞行原理的研究为扑翼飞行器的设计提供了新的思路。微型飞行器因其体积小、重量轻、隐蔽性好而受到青睐，对鞘翅目昆虫的飞行机理进行更深入的研究可对未来微型扑翼飞行器的发展树立新旗帜。

随着自然环境的变化，长足大竹象已经进化出最优的翅膀形态，在爬行期间，柔性的后翅收拢在坚硬的前翅之下，在飞行时，后翅慢慢从前翅下伸出，飞行期间表现出了极强的飞行能力和耐久性。基于这些特点，鞘翅目昆虫似乎是微型扑翼飞行器首选的仿生模板，这样所设计出的微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻、机动性强的特点。

但目前的扑翼飞行器距实际应用还有一定的距离，在侦察、救灾、气象等军用和民用领域的应用还处于十分初级的阶段，且存在很多问题，比如轻量化和输出升力难以兼顾的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种微小型仿生扑翼机构，能够兼顾轻量化和输出升力。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种微小型仿生扑翼机构，包括：固定架(1)、连杆模块(2)、传动机构模块(3)、摇杆模块(4)、一对翅翼(5)、电机(6)和销钉模块(7)，所述各模块相互连接配合实现扑翼机构的运动。固定架(1)由杆件相互连接而成，中间空心是有助于降低整个机构的重量。在固定架(1)的每根杆件的连接处设置了孔，包括：固定架的上端孔(1-1)、固定架的左端孔(1-2)、固定架的下端孔(1-3)和固定架的右端孔(1-4)，在固定架(1)预留了用于固定电机(6)的孔。连杆模块(2)由两端带孔的第一连杆(2-3)和第二连杆(2-4)组成，包括：连杆的上端孔(2-1)和连杆的下端孔(2-2)。连杆模块(2)连接传动机构模块(3)和摇杆模块(4)。摇杆模块(4)是由两根中间开槽的第一摇杆(4-4)和第二摇杆(4-5)通过销钉孔连接起来的，所述销钉孔包括第一销钉孔(4-1)、第二销钉孔(4-2)和第三销钉孔(4-3)。翅翼(5)固定在摇杆(4)上，通过摇杆(4)的上下运动带动翅翼(5)的上下拍动。

传动机构模块(3)包括电机(6)的主轴上的电机轴齿轮(3-1)，电机轴齿轮(3-1)与电机(6)上的主轴过盈配合。

传动机构模块(3)中的齿轮包括：与电机轴齿轮(3-1)啮合的第一大齿轮(3-2)、与第一大齿轮(3-2)同轴的减速小齿轮(3-3)、与减速小齿轮(3-3)啮合的第二大齿轮(3-4)、与第二大齿轮(3-4)啮合的第三大齿轮(3-5)。

销钉模块(7)包括：连接摇杆模块(4)与固定架(1)的第一销钉(7-1)，第一销钉(7-1)的直径与摇杆模块(4)的第二销钉孔(4-2)间隙配合，第一销钉(7-1)与固定架(1)的上端孔(1-1)过盈配合。连杆模块(2)的一对上端孔(2-1)连接到一对第二销钉(7-2)，并且该对第二销钉(7-2)与摇杆模块(2)的一对上端孔(2-1)过渡配合。一对第二销钉(7-2)与摇杆模块(4)的第一摇杆(4-4)和第二摇杆(4-5)两端的第一销钉孔(4-1)和第三销钉孔(4-3)过盈配合。

连杆模块(2)的下端孔(2-2)分别连接到第二大齿轮(3-4)和第三大齿轮(3-5)上的一对第三销钉(7-3)，该对第三销钉(7-3)与连杆(2)的下端孔(2-1)过渡配合。这对第三销钉(7-3)与第二大齿轮(3-4)和第三大齿轮(3-5)上的凸台孔(3-6)过盈配合。

连杆模块(2)的下端孔(2-2)分别连接到第二大齿轮(3-4)和第三大齿轮(3-5)，第二大齿轮(3-4)和第三大齿轮(3-5)连接到固定架(1)上的一对第四销钉(7-4)，这对第四销钉(7-4)与第二大齿轮(3-4)和第三大齿轮(3-5)的两个连接孔(3-7)过渡配合。第四销钉(7-4)与固定架(1)上的左端孔(1-2)和右端孔(1-4)过盈配合。

第一大齿轮(3-2)和与第一大齿轮(3-2)同轴的减速小齿轮(3-3)连接到固定架(1)上的第五销钉(7-5)，第五销钉(7-5)与第一大齿轮(3-2)以及同轴的减速小齿轮(3-3)过盈配合，第五销钉(7-5)与固定架(1)上的下端孔(1-3)也过盈配合。

上述结构的运行方式包括：电机(6)与外部电源接通后转动，电机(6)的主轴带动电机轴齿轮(3-1)转动，并带动与电机轴齿轮(3-1)啮合的第一大齿轮(3-2)转动，带动与第一大齿轮(3-2)同轴的减速小齿轮(3-3)转动，与减速小齿轮(3-3)啮合的第二大齿轮(3-4)也转动，与第二大齿轮(3-4)相啮合的第三大齿轮(3-5)转动，第三大齿轮(3-5)转动的同时，带动连杆模块(2)运动，与连杆模块(2)相连的摇杆模块(4)上下运动，从而带动一对翅翼(5)的拍动。

本实施例提供的微小型仿生扑翼机构，空心杯电机安装在固定架上，电机轴上安装的电机轴齿轮与传动机构的第一大齿轮啮合，第二大齿轮和第三大齿轮上均铰接一根连杆，每根连杆的另一端连接一根摇杆；这样通过曲柄摇杆机构实现的扑翼不但能满足扑翼飞行器较高的频率要求，而且能产生足够的竖直方向的升力。本发明结构简单，各零部件直接通过3D打印便可获得，只需一个固定架就能将电机和传动机构固定在一起，而无需两个固定架就能实现齿轮传动稳定，在三个大齿轮上均有对称孔是为了降低机构重量，整机结构强度可行；相比单曲柄单连杆机构，双曲柄连杆机构更能加翅翼升力，能使扑翼飞行器的飞行效率得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的仿生扑翼机构所采用的曲柄摇杆机构的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的固定架的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的连杆的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的仿生扑翼机构各模块的连接方式的示意图；

图5为本发明实施例提供的与一对连杆相连接的大齿轮的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的具有翅翼的摇杆连接方式的示意图；

图7为本发明实施例提供的具有销钉模块的示意图；

附图中的各个标号：1.固定架，2.连杆模块，3.传动机构模块，4.摇杆模块，5.一对翅翼，6.电机，7.销钉模块；

1-1.固定架的上端孔，1-2.固定架的左端孔，1-3.固定架的下端孔，1-4.固定架的右端孔；

2-1.连杆的上端孔，2-2.连杆的下端孔，2-3.第一连杆，2-4.第二连杆；

3-1.电机轴齿轮，3-2.第一大齿轮，3-3.减速小齿轮，3-4.第二大齿轮，3-5.第三大齿轮，3-6.第二和第三大齿轮上的凸台孔，3-7.第二和第三大齿轮上的连接孔；

4-1.第一销钉孔、4-2.第二销钉孔、4-3.第三销钉孔，4-4.第一摇杆、4-5.第二摇杆；

7-1.第一销钉，7-2.第二销钉，7-3.第三销钉，7-4.第四销钉，7-5.第五销钉。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供一种微小型仿生扑翼机构，通过模仿长足大竹象后翅的上下拍动而设计的扑翼机构，其属于微型扑翼飞行器领域。如图1～6所示，本发明提出一种应用于扑翼飞行器领域的微小型仿生扑翼机构，固定架1、连杆模块2、传动机构模块3、摇杆模块4、一对翅翼5、电机6和销钉模块7。

固定架1由杆件相互连接而成，所述的固定架1主要由杆件连接成一个整体，这也有助于降低整个机构的重量；为了将传动机构模块3和连杆模块2固定在固定架1上，在固定架1的每根杆件的连接处设置了上端孔1-1、左端孔1-2、下端孔1-3和右端孔1-4，在固定架1的下中部预留了孔以便固定电机6。

所述的连杆模块2是由两端带孔的第一连杆2-3和第二连杆2-4组成，包括摇杆的上端孔2-1和下端孔2-2；连杆模块2可以连接传动机构模块3和摇杆模块4，也是扑翼机构实现扑动幅度的关键零件。

所述的传动机构模块3包括电机6的主轴上的电机轴小齿轮3-1，并且电机轴齿轮3-1与电机6上的主轴过盈配合以防止出现空转现象、与电机轴齿轮3-1啮合的第一大齿轮3-2、与第一大齿轮3-2同轴的减速小齿轮3-3、与减速小齿轮3-3啮合的第二大齿轮3-4、与第二大齿轮3-4啮合的第三大齿轮3-5。

所述的摇杆模块4是两根中间开槽的第一摇杆4-4和第二摇杆4-5通过销钉连接起来的，其包括第一销钉孔4-1、第二销钉孔4-2和第三销钉孔4-3；翅翼5固定在摇杆4上，摇杆4的上下运动带动翅翼5的上下拍动，从而产生竖直方向的升力。

所述的销钉模块7包括连接摇杆模块4与固定架1的第一销钉7-1，并且第一销钉7-1的直径与摇杆模块4的第二销钉孔4-2间隙配合以降低摩擦力，但与固定架1的上端孔1-1过盈配合以提高机构的稳定性、将一对连杆2的上端孔2-1连接到摇杆模块4上的一对第二销钉7-2，并且这组第二销钉7-2与连杆2的上端孔2-1过渡配合以降低摩擦力，且与摇杆模块4的第一摇杆4-4和第二摇杆4-5两端的第一销钉孔4-1和第二销钉孔4-2过盈配合以提高连接的稳定性、将一对连杆2的下端孔2-2分别连接到第二大齿轮3-4和第三大齿轮3-5上的一对第三销钉7-3，并且这组第三销钉7-3与连杆2的下端孔2-1过渡配合以减低摩擦力，且与第二大齿轮3-4和第三大齿轮3-5上的凸台孔3-6过盈配合以增加连接强度、将第二大齿轮3-4和第三大齿轮3-5连接到固定架1上的一对第四销钉7-4，并且这组第四销钉7-4与第二大齿轮3-4和第三大齿轮3-5的孔3-7过渡配合以降低摩擦，且与固定架1上的左端孔1-2和右端孔1-4过盈配合以增加连接稳定性、将第一大齿轮3-2以及同轴的减速小齿轮3-3连接到固定架1上的第五销钉7-5，并且第五销钉7-5与第一大齿轮3-2以及同轴的减速小齿轮3-3过盈配合，与固定架1上的下端孔1-3也形成过盈配合。

本发明的工作过程如下：当电机6与外部电源接通后转动，其主轴带动电机轴齿轮3-1转动，与电机轴齿轮3-1啮合的第一大齿轮3-2转动，同时带动与其同轴的减速小齿轮3-3转动，与减速小齿轮3-3啮合的第二大齿轮3-4转动，与第二大齿轮3-4相啮合的第三大齿轮3-5转动，一对啮合的第二大齿轮3-4和第三大齿轮3-5转动的同时，带动一对连杆2运动，与连杆模块2相连的摇杆模块4上下运动，从而带动一对翅翼5的拍动，进行产生有用的气动升力。

本发明实施例受长足大竹象等鞘翅目昆虫扑翼机理启发，目的在于提供一种微小型仿生扑翼机构以克服现有技术中的不足，通过小型空心杯电机驱动二级减速机构从而带动双曲柄摇杆机构摆动的方式实现扑翼机构的运动。这种以简单的机构实现高效的拍动方式能提供足够的升力，为其他微型扑翼飞行器的开发提供了参考。本发明的技术方案是这样的：所述的固定架是主要由杆件连接而成，这也有助于降低整个机构的重量；为了将传动机构模块和连杆模块固定在固定架上，在固定架的每根杆件的连接处设置了四个孔，在固定架的下中部预留了孔以便固定电机。所述的一对连杆模块是由两端带孔的杆件组成，包括两个孔；一对连杆能连接传动机构模块和摇杆模块的纽带，也是扑翼机构实现扑动幅度的关键零件。

所述的传动机构模块包括电机主轴上的电机轴齿轮，并且电机轴齿轮与电机上的主轴过盈配合以防止出现空转现象、与电机轴齿轮啮合的第一大齿轮、与第一大齿轮同轴的减速小齿轮、与减速小齿轮啮合的第二大齿轮、与第二大齿轮啮合的第三大齿轮。所述的摇杆模块是两根中间开槽的第一摇杆和第二摇杆通过第一销钉连接起来的，该摇杆模块包括三个孔；翅翼固定在第一摇杆和第二摇杆上，摇杆模块的上下运动带动翅翼的上下拍动，从而产生竖直方向的升力。所述的销钉模块包括连接摇杆模块与固定架上端孔的第一销钉，并且第一销钉的直径与摇杆模块的孔间隙配合以降低摩擦力，但与固定架的上端孔过盈配合以提高机构的稳定性、将第一连杆和第二连杆的上端孔连接到摇杆模块上的一对第二销钉，并且这组第二销钉与第一连杆和第二连杆的上端孔过渡配合以降低摩擦力，且与第一摇杆和第二摇杆的两端孔和过盈配合以提高连接的稳定性、将第一连杆和第二连杆的下端孔分别连接到第二大齿轮和第三大齿轮上的一对第三销钉，并且这组第三销钉与连杆模块的下端孔过渡配合以减低摩擦力，且与第二大齿轮和第三大齿轮上的凸台孔过盈配合以增加连接强度、将第二大齿轮和第三大齿轮连接到固定架上的一对第四销钉，并且这组第四销钉与第二大齿轮和第三大齿轮的孔过渡配合以降低摩擦，且与固定架上的左端孔和右端孔过盈配合以增加连接稳定性、将第一大齿轮以及同轴的减速小齿轮连接到固定架上的第五销钉，并且销钉与第一大齿轮以及同轴的减速小齿轮过盈配合，与固定架上的下端孔也过盈配合。

本发明的优点在于：本发明提出一种轻便、灵活、结构简单且容易制造的扑翼机构，符合仿生学和空气动力学原理；机构是对称的，可以减少组装的时间，整体驱动结构合理，总重较轻，能够扑动所需的必要频率，有助于提高飞行效率；为了降低机构的重量，在不破坏结构强度的前提下，在三个大齿轮上均开了孔，固定架也采用杆件连接，并且将原先的电机外壳和齿轮箱合并成一个整体；摇杆采用了对称连接，在每根杆件上开槽并通过销钉将摇杆相连，这样能够方便翼膜的安装。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。