阅读说明：本技术 一种两自由度运动的扑翼机 (Ornithopter with two-degree-of-freedom motion ) 是由 王姝歆 熊凡 陈国平 金宝 刘润 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种两自由度运动的扑翼机,包括机架、电机和齿轮减速机构,机架上设置一对拍动机构和一对转动机构,齿轮减速机构分别与电机、拍动机构相连,机架的侧面对称设置滑槽,转动机构包括导块、导杆和弹簧,导杆一端与导块固连,另一端与仿生翅相连,导块在滑槽的上下端能够沿着滑槽半圆弧内壁旋转并带动仿生翅转动,导杆上设置弹簧,在弹簧的作用下复位,导杆与拍动机构相连。导块的上下运动和仿生翅的上下拍动成180°反相位。本发明能够实现100°拍动幅度和90°转动幅度,可以更好模拟昆虫翅膀周期性大幅度扑动的运动特性；使用一对拍动机构和一对转动机构实现两个自由度的运动,能够减少多连杆或空间机构驱动转动的复杂和笨重问题。(The invention discloses a flapping-wing aircraft with two degrees of freedom, which comprises a rack, a motor and a gear reduction mechanism, wherein the rack is provided with a pair of flapping mechanisms and a pair of rotating mechanisms, the gear reduction mechanism is respectively connected with the motor and the flapping mechanisms, the side surface of the rack is symmetrically provided with a sliding chute, each rotating mechanism comprises a guide block, a guide rod and a spring, one end of each guide rod is fixedly connected with the corresponding guide block, the other end of each guide rod is connected with a bionic wing, the guide blocks can rotate along the semicircular inner wall of the corresponding sliding chute at the upper end and the lower end of the corresponding sliding chute and drive the bionic wings to rotate, the guide rods are provided with the springs and reset under the action of. The up-and-down motion of the guide block and the up-and-down flapping of the bionic wings form 180-degree opposite phase. The invention can realize the flapping amplitude of 100 degrees and the rotation amplitude of 90 degrees, and can better simulate the motion characteristic of the periodic large-amplitude flapping of the insect wings; the motion with two degrees of freedom is realized by using the pair of flapping mechanisms and the pair of rotating mechanisms, so that the problems of complexity and heaviness in the driving rotation of a multi-link or space mechanism can be reduced.)

一种两自由度运动的扑翼机

技术领域

本发明属于飞行器领域，具体为一种两自由度运动的扑翼机。

背景技术

微型飞行器具有三种不同飞行方式：固定翼、旋翼和扑翼。与常规飞行器相比，微型飞行器雷诺数很低，大约在10¹～10⁵之间。在此雷诺数范围内，自然界飞行物如昆虫和小鸟，没有一种是采用类似机械飞行的固定翼或旋翼驱动方式实现飞行，它们都是借助扑翼方式实现自主飞行，具有极高的机动灵活性且消耗很少能量。

微型扑翼飞行器，又称微型扑翼机，微型扑翼飞行器，仿昆虫飞行机器人等，是通过模仿自然界昆虫的运动机理而设计，是目前研究的热点之一。微型扑翼飞行器能够将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，可以用很小能量进行长距离飞行，同时具有较强机动性，能实现原地或小场地起飞和空中悬停，因此更适于在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务，从而在军事和民用领域具有广泛的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，两篇论文涉及到两自由度扑翼机构研究。贾明等在北京航空航天大学学报，2006(09)：1087-1090发表的论文《仿生扑翼机构的设计与运动学分析》中，设计了一种两自由度扑翼机构。采用并联的两组曲柄摇杆机构和差动齿轮实现拍动和转动运动。阮龙欢等在机械设计与制造，2017(06)：241-244发表的论文《两自由度仿生扑翼飞行机器人设计与运动分析》中，设计了一种两自由度扑翼机构。采用空间RSSR机构和曲柄摇杆机构耦合实现拍动和转动，其中空间RSSR机构实现拍动运动，曲柄摇杆机构实现扭转运动。以上两种设计，均比较复杂且扑翼运动幅度小，并且现有的一个自由度的扑翼机构过于简单，三个自由度的扑翼机构又过于复杂和笨重。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种能够模拟昆虫翅膀、实现100°拍动和90°转动、减化驱动机构、轻量化的两自由度运动的扑翼机。

技术方案：本发明所述的一种两自由度运动的扑翼机，包括机架、电机和齿轮减速机构，机架上设置一对拍动机构和一对转动机构，齿轮减速机构分别与电机、拍动机构相连，机架的侧面对称设置滑槽，转动机构包括导块、导杆和弹簧，导杆一端与导块固连，另一端与仿生翅相连，导块在滑槽的上下端能够沿着滑槽半圆弧内壁旋转并带动仿生翅转动，导杆上设置弹簧，在弹簧的作用下复位，导杆与拍动机构相连。导块的上下运动和仿生翅的上下拍动成180°反相位。

拍动机构包括互相铰接的连杆和摇杆，摇杆通过凸块一、凸块二与导杆相连，凸块一、凸块二之间的导杆上设置弹簧。机架的背面设置固定杆，固定杆分别与机架两侧的凸块一铰接。

电机包括齿轮一并驱动其转动。齿轮减速机构包括齿轮二、齿轮三、齿轮四、齿轮五和齿轮六，齿轮二、齿轮三同轴，齿轮三分别与齿轮四、齿轮五啮合，齿轮四、齿轮六啮合。机架的一侧设置互相啮合的齿轮一、齿轮二，另一侧设置齿轮三、齿轮四、齿轮五和齿轮六。齿轮五和齿轮六分别与连杆铰接。齿轮三、齿轮四的直径相同。齿轮五、齿轮六的直径相同。

导块为水滴状。仿生翅在自然界昆虫蝉翅膀外形基础上模拟设计，采用MArLAB对蝉翅膀外形进行了参数化设计，采用ANSYS对仿生翅进行了模态和变形分析。

工作原理：电机驱动齿轮一，进而带动齿轮减速机构的齿轮五、齿轮六的转动运动，再传递到机架左右两侧的连杆中，连杆转动，带动摇杆和仿生翅拍动，实现拍动运动。导块和滑槽形成一个凸轮机构，导块作为凸轮，导槽作为凸轮槽，导块在导槽间运动时旋转，同时弹簧被挤压，当导块在工作行程到达导槽的上下两端半圆弧时，导块在扭转弹簧的作用下复位。

飞行方法：

1、传动阶段：电机开启，电机轴和齿轮一同轴枢装，电机功率通过电机轴输出，并带动齿轮一转动，齿轮减速机构的齿轮二与齿轮一啮合，因此齿轮二转动，齿轮三与齿轮二是同心齿轮，中间用一根传动杆连接，齿轮三转动，齿轮四转动，齿轮五与齿轮三啮合，齿轮六与齿轮四啮合，齿轮五、齿轮六转动，此时转速减小力矩增大。

2、扑动阶段：当齿轮六转动时，铰接在齿轮六上的连杆也会随之运动动，此时齿轮六起到的是曲柄的功能。两个连杆一端分别与齿轮五或齿轮六铰接，另一端与摇杆铰接，因此摇杆也开始运动。摇杆通过凸块一、凸块二与导杆的一端转动连接，导杆的另一端嵌在滑槽中，故导杆进行扑动。同时仿生翅与导杆固连，因此仿生翅也做扑动运动。

3、转动阶段：导块的上下运动和仿生翅的上下拍动成180°反相位。当仿生翅到达拍动行程的两个极端时，滑槽、导块开始工作。由于导块的上下运动和仿生翅的上下拍动设定为反相位，当仿生翅上拍时，导块下行，由于导块突出部分接触机架中滑槽内壁，迫使导块旋转从而带动仿生翅转动到竖直方向，导块即为导杆嵌入滑槽中的部分，导杆在凸块一、凸块二之间的部分上有弹簧，弹簧一端与凸块二固连，另一端被凸块一、凸块二之间的导杆的限位块限制其最大运动距离。此时弹簧处于压缩状态并迫使导块下行到机架中滑槽底部。到达机架的滑槽底部时，由于机架中滑槽上下两端的半圆弧空间，弹簧被释放并使得导块复位，仿生翅回到初始状态。当仿生翅下拍时，导块上行。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、能够实现100°拍动幅度和90°转动幅度，可以更好模拟昆虫翅膀周期性大幅度扑动的运动特性；

2、使用一对拍动机构和一对转动机构实现两个自由度的运动，不仅可以实现大幅度扑翼运动，而且能够减少多连杆或空间机构驱动仿生翅转动带来的复杂和笨重问题；

3、运用双级减速机构可以增加转矩，更好控制扑翼机的扑动频率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的后视图；

图3是本发明拍动机构4的原理图；

图4是本发明拍动机构4的局部放大图；

图5是本发明转动机构5的局部放大图；

图6是本发明滑槽101的结构示意图；

图7是本发明导块501的结构示意图。

具体实施方式

以说明书附图1的方向为上、下、左、右、前、后。

如图1～2，两自由度扑翼飞行器的电机2固连在机架1上，整个扑翼过程中电机2和机架1相对位置不发生变化。机架1两侧有一对拍动机构4和一对转动机构5，机架1背面固连固定杆7，固定杆7分别与拍动机构4的两个凸块一4021铰接。

如图3，电机轴和齿轮一201同轴枢装，电机2功率通过电机轴输出，并带动齿轮一201(Z₁)转动，齿轮减速机构3的齿轮二301(Z₂)与齿轮一201啮合，因此齿轮二301转动，齿轮三302(Z₃)与齿轮二301是同心齿轮，中间用一根传动杆连接，齿轮三302转动，齿轮四303(Z₃)转动，齿轮五304(Z₄)与齿轮三302啮合，齿轮六305(Z₄)与齿轮四303啮合，齿轮五304、齿轮六305转动，此时转速减小力矩增大。

如图4，拍动机构4的两个连杆401一端与摇杆402铰接，另一端分别与齿轮五304或齿轮六305铰接。摇杆402通过凸块一4021、凸块二4022与导杆502转动连接，凸块一4021、凸块二4022之间的导杆502上有弹簧503，凸块二4022之间的导杆502上设置限位块，弹簧503一端与凸块二4022固连，另一端被限位块限制其最大运动距离。

如图5～7，转动机构5的导杆502一端与水滴状的导块502固连，另一端与仿生翅6相连。仿生翅6在自然界昆虫蝉翅膀外形基础上模拟设计，采用MATLAB对蝉翅膀外形进行了参数化设计，即运用样条差值的方法，将蝉的翅膀外形拟合成两个函数，两个函数的图像的一部分即为昆虫的翅膀外形，采用ANSYS对仿生翅进行了模态和变形分析，得出翅膀的理论扑动频率，在二阶模态时，翅膀的理论扑动频率得到最优效果。这里的参数化设计、模态和变形分析均已被现有技术公开。机架1的左右侧面对称设置两个滑槽101，滑槽101上下两端为半圆弧。导块501的上下运动和仿生翅6的上下拍动成180°反相位。当仿生翅6到达拍动行程的两个极端时，内凸轮转动机构(滑槽101、导块501)开始工作。由于导块501的上下运动和仿生翅6的上下拍动设定为反相位，当仿生翅6上拍时，导块501下行，由于导块501突出部分接触机架1中滑槽101内壁，迫使导块501旋转从而带动仿生翅6转动到竖直方向，此时弹簧503处于压缩状态并迫使导块501下行到机架1中滑槽101底部。到达机架1的滑槽101底部时，由于机架1中滑槽101上下两端的半圆弧空间，弹簧503被释放并使得导块501复位，仿生翅6回到初始状态。当仿生翅6下拍时，导块501上行。