本發(fā)明涉及微型飛行器領(lǐng)域，具體來說，是一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)。

背景技術(shù)：

自二十世紀(jì)九十年代以來，隨著傳統(tǒng)飛行器設(shè)計技術(shù)的不斷成熟和微電子技術(shù)的大幅進(jìn)步，微型飛行器被提出并快速發(fā)展。

微型飛行器由于具有體積小、重量輕和機動性強等特征，在國家安全和國民經(jīng)濟建設(shè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，適用于復(fù)雜環(huán)境下的偵查、勘探和協(xié)助救援等工作。

同時，隨著人們對自然生物飛行的不斷探索，仿生學(xué)設(shè)計被越來越多的應(yīng)用于微型飛行器領(lǐng)域，開始出現(xiàn)模仿昆蟲飛行的拍動翼微型飛行器。

現(xiàn)有拍動翼布局的機構(gòu)設(shè)計，大多數(shù)采用四桿機構(gòu)以實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為拍動運動。四連桿機構(gòu)制造簡單、較容易獲得較高的精度，也容易實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律和軌跡設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決仿昆蟲翅的拍動機構(gòu)飛行難以控制的問題，提出了一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)，以較簡單的機構(gòu)實現(xiàn)高效的拍動控制，并提供足夠的控制力矩。

所述的仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)，包括機架，拍動驅(qū)動機構(gòu)，兩套對稱的拍動翼機構(gòu)和兩套對稱的拍動控制機構(gòu)。其中，機架位于整個仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)的中心，機架上安裝拍動驅(qū)動機構(gòu)，在機架一端同時安裝拍動翼機構(gòu)以及拍動控制機構(gòu)，且機架兩端對稱設(shè)置。拍動驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動拍動翼機構(gòu)實現(xiàn)拍動運動，拍動控制機構(gòu)用于控制拍動翼機構(gòu)的拍動幅度平均位置。

所述的機架整體成型，機架上設(shè)定三個較大的柱型空腔，分別位于倒立三角形的三個頂點位置；兩端的柱型空腔對稱設(shè)置；中間位置的柱型空腔正上方中央有一溝槽；機架上同時設(shè)有較小的柱形空腔，鉸接其余零件。

拍動驅(qū)動機構(gòu)包括電機，齒輪減速機構(gòu)和連桿傳動機構(gòu)；

電機安裝在機架中間位置的柱型空腔內(nèi)，配合安裝。

齒輪減速機構(gòu)包括三個能自由轉(zhuǎn)動的齒輪，齒輪a、齒輪b和齒輪c；齒輪c固定在電機的轉(zhuǎn)軸上，齒輪a和齒輪b通過較小的柱型空腔垂直固定在機架上；齒輪c嚙合齒輪b，齒輪b嚙合齒輪a。

連桿傳動機構(gòu)包括五個連桿，兩個對稱的連桿a、兩個對稱的連桿b和一個連桿c；

連桿a為近似圓弧型結(jié)構(gòu)，一端與拍動翼機構(gòu)的搖臂鉸接，另一端與連桿b鉸接，連桿b上預(yù)留有兩個安裝孔和一個條形溝槽；除去連桿b一端通過安裝孔與連桿a相連外，連桿b通過另一個安裝孔鉸接固定在機架上；兩個對稱的連桿b上的條形溝槽重疊在一起，與連桿c的一端中間貫通一鉚釘固定在機架上的溝槽上；連桿c的另一端鉚釘鉸接齒輪a；齒輪a轉(zhuǎn)動，帶動連桿c在溝槽內(nèi)上下運動，同時帶動連桿b繞固定在機架上的位置帶動另一端轉(zhuǎn)動，從而帶動連桿a運動，進(jìn)一步帶動搖臂拍動。

兩套拍動翼機構(gòu)分別對稱安裝在機架兩側(cè)，每套拍動翼機構(gòu)均包括搖臂與拍動翼。拍動翼由主梁，輔梁和膜翼組成；搖臂一端留有柱形空腔，與拍動翼主梁固定連接；中間與連桿a鉸接，另一端是轉(zhuǎn)動中心端與拍動控制機構(gòu)的曲柄鉸接。

兩套拍動控制機構(gòu)分別安裝于機架兩側(cè)，每套均包括舵機，基座和曲柄；舵機固定在機架一側(cè)的柱型空腔內(nèi)的圓環(huán)形基座上；基座與機架固定在一起；舵機輸出軸固接曲柄一端，曲柄另一端與搖臂轉(zhuǎn)動中心端鉸接。兩個舵機分別通過曲柄獨立控制搖臂轉(zhuǎn)動中心的位置，進(jìn)而產(chǎn)生足夠的控制力和力矩。

仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)具體實現(xiàn)拍動的過程如下：

通過控制器驅(qū)動電機高速轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪c、齒輪b與齒輪a組成的齒輪減速機構(gòu)實現(xiàn)減速，齒輪a的轉(zhuǎn)動帶動與其偏心連接的連桿c運動；連桿c的另一端由于機架中間位置的溝槽約束，只能實現(xiàn)上下運動，同時此端與連桿b的一端鉸接，而連桿b中間部分鉸接在機架上，因此連桿b一端隨著連桿c的上下運動，另一端繞固定點轉(zhuǎn)動；連桿b與連桿a鉸接，帶動連桿a運動。連桿另一端同時鉸接搖臂；能夠帶動搖臂實現(xiàn)拍動翼的上下拍動；

當(dāng)需要改變拍動翼拍動的平均位置時，操縱者發(fā)出無線電控制信號，給予舵機偏轉(zhuǎn)指令。舵機根據(jù)偏轉(zhuǎn)指令輸出特定的角位移，帶動舵機輸出軸的曲柄轉(zhuǎn)動特定的角度。由于曲柄的末端與搖臂轉(zhuǎn)動中心端鉸接，因此搖臂的轉(zhuǎn)動中心端改變，帶動拍動翼進(jìn)行轉(zhuǎn)動，也就是拍動翼上下拍動過程中同時繞搖臂轉(zhuǎn)動中心端擺動，使得拍動翼往復(fù)拍動的平均位置發(fā)生改變；拍動翼機構(gòu)的氣動力和氣動力矩均發(fā)生改變，實現(xiàn)拍動翼機構(gòu)的位置控制。

當(dāng)操縱左右兩個不同的舵機實現(xiàn)左右兩拍動翼以不同的拍動平均位置拍動時，左右兩個翼產(chǎn)生豎直方向內(nèi)的氣動力矩，驅(qū)動飛行器實現(xiàn)不同的偏航姿態(tài)控制。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)，使用舵機和曲柄結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機構(gòu)的位置控制，是一種新穎的控制方式。

2、本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)，使用舵機和曲柄結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機構(gòu)的位置控制，對拍動平面的控制十分方便，且能夠準(zhǔn)確產(chǎn)生足夠的控制力和力矩。

3、本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，材料易得，易于加工。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)整體俯視示意圖；

圖2為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)的機架示意圖；

圖3為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)的連桿b示意圖；

圖4為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)的拍動翼機構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)的拍動驅(qū)動機構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)的拍動控制機構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)處于平衡狀態(tài)的示意圖；

圖8為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)實現(xiàn)俯仰運動的示意圖；

圖9為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)繞自身軸旋轉(zhuǎn)的示意圖；

圖10為本發(fā)明一種仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)實現(xiàn)一定半徑轉(zhuǎn)彎的示意圖。

圖中：1-拍動翼；2-搖臂；3-連桿a；4-曲柄；5-舵機；6-連桿b；7-機架；8-連桿c；9-齒輪a；10-齒輪b；11-電機；12-齒輪c；

具體實施例

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種仿昆蟲翅拍動機構(gòu)，如圖1所示，包括機架7、拍動驅(qū)動機構(gòu)、兩套對稱的拍動翼機構(gòu)和兩套對稱的拍動控制機構(gòu)，其中，機架7位于整個仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)的中心，機架7上安裝拍動驅(qū)動機構(gòu)，在機架7一端同時安裝拍動翼機構(gòu)以及拍動控制機構(gòu)，且機架兩端的拍動翼機構(gòu)以及拍動控制機構(gòu)均對稱設(shè)置；拍動驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動拍動翼機構(gòu)實現(xiàn)拍動運動，拍動控制機構(gòu)用于控制拍動翼機構(gòu)的拍動幅度平均位置。

如圖2所示，機架7采用樹脂材料或者聚乳酸(pla)，通過3D打印整體成型。機架7上設(shè)定有三個較大的柱形空腔，分別位于倒立三角形的三個頂點位置；中間中型空腔用來安裝拍動驅(qū)動機構(gòu)中的電機，其直徑與電機直徑相同，且兩者配合安裝；中間位置的柱型空腔正上方中央有一溝槽，用來約束拍動驅(qū)動機構(gòu)中的連桿機構(gòu)運動；兩端的柱形空腔對稱設(shè)置，用來安裝拍動控制機構(gòu)的舵機，其直徑與舵機直徑相同。機架7上同時設(shè)有較小的柱形空腔，均為鉸接其余零件用。

拍動驅(qū)動機構(gòu)如圖5所示，包括電機11，連桿a3、連桿b6、連桿c8、齒輪a9、齒輪b10和齒輪c12。其中，齒輪a9、齒輪b10和齒輪c12構(gòu)成了齒輪減速機構(gòu)；兩個對稱的連桿a3、兩個對稱的連桿b6以及連桿c8共同構(gòu)成了連桿傳動機構(gòu)；

電機11安裝在機架7中間位置的柱型空腔內(nèi)，配合安裝。

齒輪減速機構(gòu)中三個能自由轉(zhuǎn)動的齒輪安裝如下：齒輪c12固定在電機11的轉(zhuǎn)軸上，齒輪a9和齒輪b10通過鉚釘垂直固定在機架上較小的柱型空腔上；可以自由轉(zhuǎn)動；齒輪c12嚙合齒輪b10，齒輪b10嚙合齒輪a9。

連桿傳動機構(gòu)具體連接如下：

連桿a3為近似圓弧型結(jié)構(gòu)，一端與拍動翼機構(gòu)鉸接，另一端與連桿b6鉸接，如圖3所示，連桿b6上預(yù)留有兩個安裝孔和一個條形溝槽；除去連桿b6一端通過安裝孔與連桿a3相連外，連桿b6通過中間的另一個安裝孔鉸接固定在機架7上；兩個對稱的連桿b6上的條形溝槽重疊在一起，與連桿c8的一端中間貫通一鉚釘固定在機架7上的溝槽上；連桿c8的另一端鉚釘鉸接在齒輪a9的柱形孔上；兩個連桿b6本身已與機架7鉸接，同時與連桿c8相連端的開孔為溝槽，溝槽兩端為半圓形，圓的半徑與鉚釘直徑一致。

齒輪a9轉(zhuǎn)動，帶動連桿c8在溝槽內(nèi)上下運動，同時帶動連桿b6繞固定在機架7上的位置帶動另一端轉(zhuǎn)動，從而帶動連桿a3運動，進(jìn)一步帶動拍動翼機構(gòu)拍動；實現(xiàn)了電機的轉(zhuǎn)動運動變?yōu)榕膭右淼耐鶑?fù)拍動。

兩套拍動翼機構(gòu)分別對稱安裝在機架7的兩側(cè)，如圖4所示，每套拍動翼機構(gòu)均包括搖臂2與拍動翼1。拍動翼1由主梁，輔梁和膜翼組成；翼梁材料為碳桿，翼膜材料選用厚度約為0.04mm的雙向拉伸聚丙烯薄膜、聚酯薄膜或其他薄膜。搖臂2一端留有柱形空腔，與拍動翼1的主梁固定連接；中間與連桿a3鉸接，另一端是轉(zhuǎn)動中心端與拍動控制機構(gòu)的曲柄4鉸接。

兩套拍動控制機構(gòu)分別安裝于機架7的兩側(cè)，每套均包括舵機5，基座和曲柄4；如圖6所示，圖中只展示一端的拍動控制機構(gòu)；舵機5被機架7覆蓋，只能看到功率輸出軸。舵機5固定在機架7一側(cè)的柱型空腔內(nèi)的圓環(huán)形基座上；基座與機架7固定在一起；舵機5輸出軸固接曲柄4一端，曲柄4另一端與搖臂2的轉(zhuǎn)動中心端鉸接。當(dāng)曲柄4固定不動時，搖臂2帶動拍動翼1拍動產(chǎn)生機構(gòu)需要的升力和控制力矩；機架7另一端的拍動翼機構(gòu)與此完全相同。兩個舵機5分別通過曲柄4獨立控制搖臂2轉(zhuǎn)動中心的位置，改變拍動翼的拍動平均位置，進(jìn)而產(chǎn)生足夠的控制力和力矩。

仿昆蟲翅拍動的位置控制機構(gòu)具體實現(xiàn)拍動的過程如下：

通過控制器驅(qū)動電機11高速轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪c12、齒輪b10與齒輪a9組成的齒輪減速機構(gòu)實現(xiàn)減速，齒輪a9的轉(zhuǎn)動帶動與其偏心連接的連桿c8運動；連桿c8的另一端由于機架中間位置的溝槽約束，只能實現(xiàn)上下運動，同時此端與連桿b6的一端鉸接，而連桿b6中間部分鉸接在機架上，因此連桿b6一端繞該點的轉(zhuǎn)動會帶動另一端的轉(zhuǎn)動，也就是連桿b6一端隨著連桿c8的上下運動，另一端繞固定點轉(zhuǎn)動；連桿b6與連桿a3鉸接，帶動連桿a3運動。連桿a3另一端同時鉸接搖臂2；能夠帶動搖臂2實現(xiàn)拍動翼1的上下拍動；

當(dāng)需要改變拍動翼1拍動的平均位置時，操縱者發(fā)出無線電控制信號，給予舵機5偏轉(zhuǎn)指令。舵機5根據(jù)偏轉(zhuǎn)指令輸出特定的角位移，舵機5會輸出角位移，帶動舵機輸出軸的曲柄4轉(zhuǎn)動特定的角度。由于曲柄4的末端與搖臂2轉(zhuǎn)動中心端鉸接，因此搖臂2的轉(zhuǎn)動中心端改變，帶動拍動翼1進(jìn)行轉(zhuǎn)動，也就是拍動翼1上下拍動過程中同時繞搖臂2轉(zhuǎn)動中心端擺動，使得拍動翼1往復(fù)拍動的平均位置發(fā)生改變；產(chǎn)生不同的控制力矩。

搖臂2一端固定在曲柄4上，連桿a3帶動搖臂2拍動；拍動翼1固定在搖臂2上與搖臂2一起拍動，拍動翼1機構(gòu)產(chǎn)生的升力和氣動力矩均發(fā)生改變，同理另一端的搖臂2與拍動翼1做同樣運動；實現(xiàn)拍動翼機構(gòu)的位置控制。

當(dāng)操縱左右兩個不同的舵機5實現(xiàn)左右兩拍動翼1以不同的拍動平均位置拍動時，左右兩個拍動翼1產(chǎn)生豎直方向內(nèi)的氣動力矩，驅(qū)動飛行器實現(xiàn)不同的偏航姿態(tài)控制。

如圖7所示，圖中當(dāng)拍動翼處于平均拍動位置時，也就是拍動翼位于拍動幅度平均處，⊙表示拍動翼產(chǎn)生的升力垂直紙面向外，↑表示拍動翼的阻力，升力和阻力作用如圖所示，由對稱性兩個拍動翼的氣動力矩相互抵消，合升力與重力相同，此時實現(xiàn)仿昆蟲翅拍動位置控制機構(gòu)的懸停。

當(dāng)需要改變仿昆蟲翅拍動位置時，操縱者發(fā)給舵機無線電信號，給予舵機偏轉(zhuǎn)指令。當(dāng)舵機接收到偏轉(zhuǎn)指令后，舵機輸出特定的角位移，帶動與舵機輸出軸相連的曲柄轉(zhuǎn)動特定的角度。由于曲柄的末端與搖臂根部鉸接，且搖臂往復(fù)擺動過程中繞搖臂根部(即曲柄末端)擺動，曲柄末端位置的改變使得搖臂往復(fù)拍動的平均位置發(fā)生改變。搖臂上固定有拍動翼，搖臂往復(fù)拍動的平均位置的改變最終轉(zhuǎn)化為拍動翼拍動平均位置的改變。

拍動翼的平均拍動幅度位置如圖8所示，此時升力和阻力的大小方向均不發(fā)生改變，但升力的作用點相對于重心發(fā)生偏移，可以產(chǎn)生俯仰力矩，飛行器此時能夠?qū)崿F(xiàn)自由俯仰運動；當(dāng)兩個舵機反對稱偏轉(zhuǎn)相同角度時，拍動翼的平均拍動幅度如圖9所示，此時在阻力作用下，飛行器會產(chǎn)生偏航力矩，能夠?qū)崿F(xiàn)繞自身軸旋轉(zhuǎn)；如圖10所示，當(dāng)兩個舵機反對稱偏轉(zhuǎn)不同角度時，飛行器此時能夠產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩和偏航力矩，能夠?qū)崿F(xiàn)以某一半徑轉(zhuǎn)彎。