阅读说明：本技术 基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构 (Control mechanism of bionic hummingbird flapping wing unmanned aerial vehicle based on wing deformation ) 是由 方勇纯 李友朋 钱辰 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：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。(A control mechanism of a hummingbird-flapping-wing-imitating unmanned aerial vehicle based on wing deformation comprises a linear steering engine, a rotary steering engine, a linear steering engine base, a rotary steering engine base, a wing joint, a steering engine pull rod, a semi-cylindrical fastener, a rotary steering engine rocker arm, a wing root carbon rod, a wing joint spindle carbon rod, a rotary steering engine control carbon rod and other parts; the main parts are all obtained by using resin or nylon materials through a 3D printing processing mode, and the weight is very light; by utilizing two linear steering engines and one rotary steering engine, the full attitude control of 3 degrees of freedom of pitch (pitch), roll (roll) and yaw (yaw) is well realized; on the basis of realizing full attitude control, through the structural optimization design, a larger control angle of pitching, rolling and yawing is generated, which has very important significance for controlling the attitude of a prototype in a hovering flight state and provides a basis for the subsequent design of a light and compact flapping-wing prototype.)

基于翅翼变形的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的控制机构

技术领域

本发明涉及一种仿生飞行器的控制机构，属于无人飞行器技术领域或机器人领域。

背景技术

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Nano Hummingbird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。

现有研究和发明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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。

本发明的技术方案如下：

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***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***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°。

本发明的优点和有益效果：

本发明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是本发明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为直线舵机座，2为翼关节，3为半圆柱形紧固件，4为翼关节主轴碳杆，5为舵机拉杆，6为直线舵机，7为翼根碳杆，8为旋转舵机控制碳杆，9为旋转舵机摇臂，10为旋转舵机，11为旋转舵机底座。

具体实施方式

以下内容为本发明具体的一种实现方式，但该种方式并不对本发明本身有任何形式的限制。值得指出的是，在本发明核心内容框架下，对本发明局部细节或具体实施方案上的改进，依旧属于该专利的保护范围。

下面结合附图对本发明做更详细的描述。

如图1和图2所示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11(具体结构见图7)及其上固定的旋转舵机10，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9，两个旋转舵机摇臂的另一端分别与旋转舵机控制碳杆8的一端固定，旋转舵机控制碳杆8由直线舵机座1底部的直槽口中穿过并控制直线舵机座1的运动；直线舵机座1(具体结构见图6)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1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6，两个直线舵机6上各固定有一个舵机拉杆5(见图3和图4)，舵机拉杆5的另一端各与一个翼关节2铰接，两个翼关节2的另一端分别固定在翼关节主轴碳杆4的两端上，翼关节主轴碳杆4固定在直线舵机座1的上部，与各翼关节2对应在翼关节主轴碳杆4的两端上同时各固定有一个翼根碳杆7，翼根碳杆7的中部与对应的翼关节2固定在一起。

机构的连接方式如下：1)直线舵机6与直线舵机座1通过胶粘的方式进行连接，在直线舵机座1的两侧设计有两个凹坑，用以固定两个直线舵机6，在凹坑内部设计有3个凸出圆柱，这3个细圆柱分别与直线舵机底部的3个孔进行配合(见图6)，同时也便于对直线舵机6进行定位；2)翼关节主轴碳杆4与直线舵机座1之间采用过盈配合固连在一起；3)翼关节2的一端与翼关节主轴碳杆4采用间隙配合以保证翼关节2具有较好的运动自由度，并用半圆柱形紧固件3进行轴向限位，半圆形紧固件3与翼关节主轴碳杆4采用过盈配合；4)翼关节2的另一端和直线舵机6之间用舵机拉杆5进行连接，舵机拉杆5与翼关节2、直线舵机6均采用过渡配合，相互之间允许轻微转动；5)翼根碳杆7与翼关节2之间采用胶粘方式进行紧固；6)旋转舵机10通过旋转舵机摇臂9和旋转舵机控制碳杆8将转动传递给直线舵机座1，旋转舵机10与旋转舵机摇臂9、旋转舵机摇臂9与旋转舵机控制碳杆8均采用过盈配合；7)旋转舵机控制碳杆8穿过直线舵机座1底部的直槽口，约束在直槽口内，采用柱面配合，直线舵机座1与扑翼驱动机构通过顶端孔进行固定，旋转舵机底座通过底端4个圆柱孔与扑翼驱动机构进行固定；8)旋转舵机10与旋转舵机底座11采用凹槽加胶粘的方式进行配合。

机构的控制方式如下：

1)两个直线舵机6通过舵机拉杆5的传动带动翼关节2旋转(摆动)，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，如图3所示；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，如图4所示。翼关节上设计有不同的控制孔，改变舵机拉杆5***孔的位置可以产生幅值不同的俯仰和偏航控制角度。

2)底端的旋转舵机10通过直线舵机座底端的孔槽(直槽口)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，如图5所示。

机构的尺寸计算如下：

1)对于俯仰和偏航自由度的控制，直线舵机6上下运动的位移h₁＝5mm，结合其离中心转轴的距离分别为d₁＝6mm,9mm,12mm(如图8所示)，所以可以得到每个翼关节可以转动的最大幅度为

所以两侧翼关节可以产生的可控转角幅值最小为22.6°，最大为39.8°。

2)对于滚转自由度的控制，旋转舵机摇臂9的半径有两种规格r₁＝5.5mm,7mm，在旋转舵机摇臂9左右摆动的过程中，允许旋转舵机控制碳杆8在高度方向的偏移量为Δz＝2mm(如图9所示)，从而可以求得在旋转舵机10的控制下，机体可以产生滚转转角的幅值为

所以可以产生的可控滚转转角幅值最小为44.4°，最大为50.5°。

以上为对本发明的一种具体实施方案的描述，该描述仅为阐述本发明的可行的一种实施方法，以便工程人员理解与复现本发明，但并不作为本发明实施方法的限制。