阅读说明：本技术 一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构及扑翼飞行器 (Flapping wing mechanism capable of realizing infinite-shaped track and flapping wing aircraft ) 是由 刘继凯 张雪峰 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构及扑翼飞行器,它解决了现有技术中输出件摆角受到了限制、难以完成大幅度摆动的问题,通过齿轮连杆机构能够实现输出件的空间“∞”形摆动；其技术方案为：包括机架,所述机架两侧对称安装齿轮连杆机构,所述齿轮连杆机构连接动力机构；其中,齿轮连杆机构包括曲柄连杆机构,所述曲柄连杆机构与齿形连杆转动连接,且齿形连杆与用于安装扑翼的输出齿轮啮合；所述输出齿轮安装于与机架转动连接的摇杆上方,在动力机构的作用下安装有扑翼的输出齿轮能够沿“∞”形轨迹摆动。(The invention discloses an ornithopter mechanism capable of realizing an infinity-shaped track and an ornithopter, which solve the problems that the swing angle of an output piece is limited and large-amplitude swing is difficult to complete in the prior art, and can realize space infinity-shaped swing of the output piece through a gear link mechanism; the technical scheme is as follows: the device comprises a rack, wherein gear connecting rod mechanisms are symmetrically arranged on two sides of the rack and are connected with a power mechanism; the flapping wing mounting mechanism comprises a gear connecting rod mechanism, a gear connecting rod mechanism and a transmission mechanism, wherein the gear connecting rod mechanism comprises a crank connecting rod mechanism, the crank connecting rod mechanism is rotationally connected with a tooth-shaped connecting rod, and the tooth-shaped connecting rod is meshed with an output gear for mounting a flapping wing; the output gear is arranged above a rocker which is rotationally connected with the frame, and the output gear provided with the flapping wings can swing along an '∞' shaped track under the action of the power mechanism.)

一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构及扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，尤其涉及一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构及扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器与固定翼飞机不同，固定翼飞机是依靠机翼产生升力，依靠发动机的推力或牵引产生前行力，而扑翼飞行器的升力和推力都是由一个扑翼系统产生。

扑翼飞行具有特殊的气动特性，更易于向微型化发展。仿生学研究表明，当尺寸小到一定程度之后，扑翼飞行具有无法替代的特性。此外扑翼飞行器还具有尺寸小，重量轻，隐蔽性好的特点，基于此重要的战略意义，广泛受到军事领域的重视，在近几十年来得到迅速的发展。

发明人发现，现有扑翼机构存在以下缺陷：(1)单纯采用曲柄摇杆机构的扑翼机构，限于平面曲柄摇杆机构的特性，输出件摆角受到了限制，高速机构的传动角需要限制在50°以上，使得输出杆的摆角最多只能达到90°左右，而一般地鸟类和昆虫扑翼幅度在120°以上。(2)经典的扑翼飞行机构所实现的平面内振翅动作，难以完成像昆虫一样的低速飞行以及空中悬停，平面连杆机构也难以使输出杆以较大幅度摆动。因此，安装现有扑翼机构的扑翼飞行器也不能实现翼的空间“∞”形摆动。(3)平面扑翼机构在翼的上挥过程中会不可避免的产生负升力，对飞行造成不利影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构，其通过齿轮连杆机构能够实现输出件的空间“∞”形摆动。

本发明采用下述技术方案：

一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构，包括机架，所述机架两侧对称安装齿轮连杆机构，所述齿轮连杆机构连接动力机构；

其中，齿轮连杆机构包括曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构与齿形连杆转动连接，且齿形连杆与用于安装扑翼的输出齿轮啮合；所述输出齿轮安装于与机架转动连接的摇杆上方，在动力机构的作用下安装有扑翼的输出齿轮能够沿“∞”形轨迹摆动。

进一步的，所述齿形连杆与输出齿轮啮合的齿形范围为50°～60°。

进一步的，所述机架转动连接有原动轴，所述曲柄连杆机构包括与原动轴转动连接的曲柄、与所述曲柄转动连接的连杆，所述连杆与齿形连杆转动连接。

进一步的，所述曲柄垂直于连杆设置且与原动轴垂直，所述连杆与齿形连杆所在水平面平行。

进一步的，所述输出齿轮的往复摆动角度大于120°。

进一步的，所述摇杆与齿形连杆转动连接。

进一步的，所述动力机构包括电机和传动轮系，所述电机通过传动轮系与安装在原动轴上的齿轮啮合。

进一步的，所述传动轮系形成三级减速结构。

进一步的，改变原动轴上齿轮与输出齿轮的传动比能够改变输出齿轮的摆动角度使其呈任意角度。

本发明的第二目的是提供一种扑翼飞行器，包括上述的扑翼机构，所述输出齿轮通过固定件连接扑翼。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用齿轮连杆机构，可以通过调整齿轮传动比实现任意角度的摆动而不受杆组传动角的限制；

(2)本发明的齿形连杆具有50°～60°的扇形区域，能够实现输出齿轮的“∞”形摆动，即实现扑翼的“∞”形摆动；

(3)本发明通过空间“∞”形的摆动，使得扑翼振动的整个周期内都会产生对飞行有益的作用力，下扑过程主要产生使机构前进的力，上挥过程主要产生使机构上升的力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一去除动力机构的结构示意图；

图3为本发明实施例一齿轮连杆机构的结构示意图；

图4为本发明实施例一动力机构的结构示意图；

图5为本发明实施例二的轴测图；

图6为本发明实施例二的主视图；

图7为本发明实施例二的侧视图；

图8为本发明实施例二的俯视图；

图9为本发明实施例二的扑翼轨迹线；

其中，1、电机，2机架，3、齿轮连杆机构，31、输出齿轮，32、摇杆，33、齿形连杆，34、连杆，35、曲柄，36、原动轴，4、传动轮系，41、第一齿轮，42、第二齿轮，43、第一锥齿轮，44、第二锥齿轮，45、第三齿轮，46、第四齿轮，47、第五齿轮，48、第六齿轮，5、扑翼。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

“∞”形轨迹，类似于大部分昆虫和鸟类振翅时翅尖的运动轨迹，可分解为虫翼的上下扑动与虫翼沿自身轴线的往复扭转运动。

原动轴为一般的传动轴。

齿形连杆为带有齿形的连杆。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在输出件摆角受到了限制、难以完成大幅度摆动的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构及扑翼飞行器。

实施例一：

下面结合附图1-图4对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种能够实现“∞”形轨迹的扑翼机构，包括机架2、动力机构和齿轮连杆机构3，齿轮连杆机构3有两组，且对称安装于机架2的两侧；所述齿轮连杆机构3连接动力机构，通过动力机构实现齿轮连杆机构3中输出件的往复摆动。

鸣蝉扑翼过程中各阶段的时间比例中，下扑阶段约占一个扑翼周期的51％，上挥约占49％，故本实施例扑翼机构将行程速比系数定为1。

机架2的结构形状可以根据飞行气流情况设计，只要能够满足飞行要求即可。本实施例中，为了满足安装要求，机架2端部开设用于安装电机1的安装槽。

机架2的一端安装原动轴36，所述原动轴36穿过机架2并通过轴承与机架2相连。原动轴36的两端分别连接一组齿轮连杆机构3。所述齿轮连杆机构3包括曲柄连杆机构、齿形连杆33、输出齿轮31，输出齿轮31用于安装扑翼；曲柄连杆机构包括曲柄35和连杆34。

原动轴36的端部与曲柄35的一端转动连接，曲柄35的另一端与连杆34的一端转动连接，连杆34的另一端与齿形连杆33一端转动连接，齿形连杆33的另一端与摇杆32一端转动连接，摇杆32另一端与机架2转动连接。所述曲柄35垂直于连杆34安装，且曲柄35与原动轴36垂直，所述连杆34与齿形连杆33所在的水平面平行。

在本实施例中，上述转动连接均采用铰链连接。

齿形连杆33具有带有齿形的扇形区域，其齿形区域与输出齿轮31啮合。所述输出齿轮31通过连接轴固定于摇杆32上侧，连接轴穿过输出齿轮31并与之固定，连接轴垂直于摇杆32并与其固定连接；在齿形连杆33与输出齿轮31的啮合作用下，能够使输出齿轮31相对机架2实现“∞”形轨迹摆动。

由于使用了齿轮连杆机构3，输出齿轮31的角速度与摇杆32的角速度以及连杆34相对于摇杆32的角速度均有关，故输出齿轮32正转与反转时间并不相等。

所述齿形连杆33与输出齿轮31啮合的齿形范围与传动比、扑翼所要达到的扑动范围以及连杆机构中的杆长情况均有关。在本实施例中，齿形连杆33与输出齿轮31啮合的啮合范围为50°～60°，输出齿轮31往复摆动125°，上挥与下扑角度均为62.5°。

所述曲柄连杆机构的最大压力角仅为27.3°，该机构在压力角较小的情况下，使整个机构的输出件实现了125°的摆动，解决了经典机构无法实现输出件空间摆动以及输出件摆动幅度较小的问题。

所述动力机构包括电机1和传动轮系4，传动轮系4形成三级减速结构。具体的，传动轮系4包括安装在电机轴上的第一齿轮41，第一齿轮41与第二齿轮42啮合，第二齿轮42安装在第一传动轴上。为了满足空间安装尺寸要求，设置第一齿轮41、第二齿轮42，使动力的传输轴线偏移一段距离，第一齿轮41、第二齿轮42不起减速作用。

第一传动轴上还连接有第一锥齿轮43，第一锥齿轮43与第二锥齿轮44啮合，改变电机1输入的力矩方向；第二锥齿轮44安装在第二传动轴上，第二传动轴上还连接有第三齿轮45，第三齿轮45与第四齿轮46啮合，第四齿轮46安装在第三传动轴上，第三传动轴上还安装第五齿轮47，第五齿轮47与第六齿轮48啮合，第六齿轮48安装在原动轴36上，为齿轮连杆机构提供动力。

本实施例在工作时，电机1通过传动轮系4驱动原动轴36转动，原动轴36使曲柄连杆机构带动齿形连杆33运动，由于齿形连杆33与输出齿轮31啮合，使输出齿轮31、摇杆32相对机架2沿“∞”形轨迹摆动。改变原动轴36上第六齿轮48与输出齿轮31的传动比能够改变输出齿轮31的摆动角度使其呈任意角度。

在本实施例中，采用JL716空心杯电机，该电机转速为27000RPM，经传动轮系4减速后，输出件(输出齿轮21)的为转速600RPM，即振翅频率10Hz。

实施例二：

如图5-图9所示，一种扑翼飞行器包括上述扑翼机构，扑翼机构中的输出齿轮31上安装固定件，通过固定件连接扑翼5。所述固定件的结构形状可以根据扑翼5的具体结构设计，此处不再赘述。

在电机1、传动轮系4的作用下，能够带动齿轮连杆机构3运动，从而实现扑翼5沿“∞”形轨迹运动，其运动轨迹线如图9所示,以O点为扑动起点，沿O点后侧(以飞行器飞行时方向为参考)箭头方向扭转。

在本实施例中，机架2及各杆组采用铝合金材质，尾翼及左右两翼骨架采用碳纤维材质，齿轮均采用钛合金材质，整体质量约28g。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。