一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器制造技术

本发明专利技术提供了一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，包括：机身框架，以及设置于机身框架上的空心杯动力马达、曲柄摇杆传动机构、减速齿轮组、仿生扑翼、可控被动扭转机构和滚珠轴承组，曲柄摇杆传动机构将空心杯动力马达输出轴的转动转化为两只扑翼的往复拍打运动，以模仿昆虫飞行；减速齿轮组用于将空心杯动力马达输出轴的转速降低，使最终扑翼的拍打动作在一范围内；可控被动扭转机构保证扑翼可绕转轴进行扭转以产生向上升力，同时限位器与电磁铁之间的斥力使扑翼回到竖直位置。本发明专利技术滚珠轴承组、曲柄摇杆传动机构和可控被动扭转机构，达到了大幅度减小传动摩擦，有效将动力转化为飞行器升力的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微加工
，具体地，涉及一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器。
技术介绍
微型飞行器的最初设计来源是来自军事方面的需求。为了能更好的把握敌方军情，更隐秘地执行军属侦察任务，需要一种能自由穿梭于战场的轻便、微型的飞行器，它能够进行隐秘摄像、通信，甚至作为爆破武器。传统的飞行器以固定翼和旋翼为主，但当飞行器整体尺度趋于微小时，传动固定翼和旋翼的升力产生效率明显降低，对新式微型飞行器的需求越来越大。自然界的昆虫具有在微小尺度下依然保有高效飞行效率的特点，因此人们将研究的目光投向了仿生昆虫飞行器，即扑翼飞行器。扑翼飞行器具有许多特有的优点，如起飞所需空间小、飞行性能极佳、具有优异的悬停能力、飞行结构紧凑(集垂直飞行、水平飞行、姿态变换为一体)，且能耗较低。扑翼的飞行方式相比传统的旋翼、固定翼来说，不仅能胜任飞行工作，还进一步提高飞行性能。这使得扑翼飞行器吸引了越来越多的研究人员对其进行拓展。制造一种全新的扑翼飞行器有着各方面高难度的挑战。这些挑战来自流体力学、空气动力学以及制造工艺等。对一些文献进行检索，普渡大学的Zheng Hu和Xinyan Deng教授于2013年在IEEE上发表了文章“Design and Performance of Insect Inspired High Frequency Flapping Wing Robots”。文献中提到了由四连杆驱动的扑翼飞行器，包括四连杆传动机构、减速齿轮组以及可控被动扭转机构，但文献中的具体参数不明确，所述的飞行器没有给出各部分尺寸参数、材质及制造工艺的具体信息，并且所述飞行器整体的传动效率较低。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，能够通过减速齿轮组、曲柄摇杆传动机构、被动旋转机制以及
滚珠轴承组，将极为有限的空心杯马达动力高效率地转化为扑翼拍打的升力。为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，包括：机身框架，以及设置于机身框架上的空心杯动力马达、曲柄摇杆传动机构、减速齿轮组、仿生扑翼、可控被动扭转机构和滚珠轴承组，其中：所述减速齿轮组连接空心杯动力马达的输出轴，用于将空心杯动力马达的输出轴的转速降低，使仿生扑翼最终的拍打频率在所需范围，同时减速齿轮组中的被动齿轮的一部分作为曲柄摇杆传动机构的曲柄；所述曲柄摇杆传动机构为实现仿生扑翼拍打动作的主体，其通过翼轴与仿生扑翼连接，从而将空心杯动力马达输出轴的转动转化为两只仿生扑翼的往复拍打运动，实现模仿昆虫飞行；所述可控被动扭转机构由磁性角度限位器和电磁铁构成，磁性角度限位器用于仿生扑翼扭转角限位，在仿生扑翼拍打时保证仿生扑翼绕翼轴进行旋转，从而产生竖直向上的升力；同时磁性角度限位器与电磁铁之间的斥力促使仿生扑翼回到竖直位置，实现可控性；所述滚珠轴承组分布于飞行器各个转轴，包括减速齿轮组的转轴、曲柄摇杆传动机构的转轴以及与仿生扑翼粘接的翼轴处，用于减小飞行器的传动摩擦。优选地，所述空心杯动力马达的额定电压4.2V，给减速齿轮组提供45000r/min～55000r/min的转速，用于保证仿生扑翼的拍打频率以维持足够的升力输出。更优选地，所述空心杯动力马达在保证能提供足够大的输出功率的前提下尽可能减小重量。优选地，所述减速齿轮组由主动齿轮和被动齿轮组成，其中：主动齿轮连接于空心杯动力马达的输出轴，被动齿轮与主动齿轮啮合配合，空心杯动力马达驱动主动齿轮转动从而带动被动齿轮转动；被动齿轮上有多个圆孔，用于为曲柄摇杆传动机构提供不同的曲柄长度，以随具体飞行状况通过手动改变曲柄长度以改变仿生扑翼的拍打幅度。更优选地，所述被动齿轮在保证曲柄的长度的情况下，通过使用减重孔以减小被动齿轮的重量。优选地，所述曲柄摇杆传动机构由两个共用一个曲柄的四连杆机构组成，每个四连杆机构均由曲柄、中间连杆、翼轴摇杆以及机架组成，其中：曲柄为减速齿轮
组中的被动齿轮的一部分，即被动齿轮的圆心到被动齿轮上开的圆孔的距离为曲柄；中间连杆连接曲柄和翼轴摇杆，翼轴摇杆处固定有与仿生扑翼粘接一起的翼轴，并在中间连杆上预留有与滚珠轴承组过盈连接的空间，同时中间连杆的厚度以保证强度需求。更优选地，由所述被动齿轮的一部分构成的曲柄作为曲柄摇杆传动机构的输入端，翼轴摇杆作为曲柄摇杆传动机构的输出端并与仿生扑翼相连，从而将输入端曲柄的旋转运动转化为输出端翼轴摇杆的往复摆动，进而带动仿生扑翼拍打，以机械传动机构再现昆虫飞行时的扑翼拍打运动优选地，所述曲柄摇杆传动机构为两个曲柄摇杆机构共用一个曲柄的复合机构，其中：曲柄由减速齿轮组的被动齿轮的一部分构成，从曲柄的输出端引出两个曲柄摇杆机构，并且两个曲柄摇杆机构的安装方向相反，以保证在曲柄转动时两个翼轴摇杆输出端的运动关于机身框架中心轴近似镜面对称，从而进一步地保证飞行器的两个仿生扑翼产生的升力近似相等。优选地，所述仿生扑翼与翼轴粘接，翼轴与曲柄摇杆传动机构的翼轴摇杆通过滚动轴承组连接。优选地，所述仿生扑翼模仿蝉翼的形状，并采用聚脂薄膜和碳纤维材料由真空袋包装工艺和激光切割工艺制成；其中：仿生扑翼的迎风面材料为聚脂薄膜，聚脂薄膜具有一定的韧性，用于保证在仿生扑翼高频拍打过程中不会由于刚度太大(太脆)而撕裂；仿生扑翼的边框由碳纤维材料制成，为仿生扑翼提供拍打时所需的强度，保证仿生扑翼不会过度形变。优选地，所述可控被动扭转机构中的电磁铁为圆柱形电磁铁，圆柱形电磁铁固定于翼轴摇杆上；仿生扑翼与翼轴摇杆配合，并在翼轴的末端与磁性角度限位器过盈连接；磁性角度限位器在仿生扑翼拍打时，用于保证仿生扑翼绕翼轴进行攻角不大于45°的角度扭转，从而产生向上的升力；磁性角度限位器与仿生扑翼一同转动过程中，与圆柱形电磁铁发生机械碰撞以达到仿生扑翼的最大扭转角。优选地，所述滚珠轴承组采用微型钢制滚珠轴承，用于减小曲柄摇杆传动机构、可控被动扭转机构以及减速齿轮组的被动齿轮的中心转轴旋转运动的摩擦，从而提高整体的传动效率，减轻动力源的负担。优选地，所述飞行器的所有转轴，即减速齿轮组的转轴、曲柄摇杆传动机构的
转轴以及翼轴，均采用钢制转轴，以保证足够的强度。更优选地，所有所述转轴处均采用滚珠轴承组连接。优选地，所述机身框架采用3D打印制作，其形状以保证能承载其他结构的前提下尽可能减小体积为佳；同时在机身框架上预留有包括减速齿轮组被动齿轮转轴和曲柄摇杆传动机构的摇杆转轴的轴承的安装空间。优选地，所述飞行器的其他形状定制部件，包括角度限位器、减速齿轮组的被动齿轮以及曲柄摇杆机构的摇杆和中间连杆，均采用3D打印制作，一方面降低成本，另一方面3D打印的材料密度小，降低飞行器的整体重量。本专利技术中：所述空心杯动力马达提供减速齿轮组所需的输出转速，经过减速齿轮组的减速后，将动力传动到减速齿轮组的被动齿轮，被动齿轮作为曲柄摇杆传动机构的曲柄，通过曲柄摇杆传动机构将被动齿轮的旋转转化为翼轴摇杆的往复运动，再通过翼轴摇杆与仿生扑翼的过盈连接，实现仿生扑翼的拍打运动；同时，当仿生扑翼拍打时，磁性角度限位器保证仿生扑翼绕翼轴进行一定角度内的扭转，从而产生竖直向上的升力；在整个飞行器中，滚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，包括：机身框架，以及设置于机身框架上的空心杯动力马达、曲柄摇杆传动机构、减速齿轮组、仿生扑翼、可控被动扭转机构和滚珠轴承组，其中：所述减速齿轮组连接空心杯动力马达的输出轴，用于将空心杯动力马达的输出轴的转速降低，使仿生扑翼最终的拍打频率在所需范围，同时减速齿轮组中的被动齿轮的一部分作为曲柄摇杆传动机构的曲柄；所述曲柄摇杆传动机构为实现仿生扑翼拍打动作的主体，其通过翼轴与仿生扑翼连接，从而将空心杯动力马达输出轴的转动转化为两只仿生扑翼的往复拍打运动，实现模仿昆虫飞行；所述可控被动扭转机构由磁性角度限位器和电磁铁构成，磁性角度限位器用于仿生扑翼扭转角限位，在仿生扑翼拍打时保证仿生扑翼绕翼轴进行旋转，从而产生竖直向上的升力；同时磁性角度限位器与电磁铁之间的斥力促使仿生扑翼回到竖直位置，实现可控性；所述滚珠轴承组分布于飞行器各个转轴，包括减速齿轮组的转轴、曲柄摇杆传动机构的转轴以及与仿生扑翼粘接的翼轴处，用于减小飞行器的传动摩擦。

【技术特征摘要】
1.一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，包括：机身框架，以及设置于机身框架上的空心杯动力马达、曲柄摇杆传动机构、减速齿轮组、仿生扑翼、可控被动扭转机构和滚珠轴承组，其中：所述减速齿轮组连接空心杯动力马达的输出轴，用于将空心杯动力马达的输出轴的转速降低，使仿生扑翼最终的拍打频率在所需范围，同时减速齿轮组中的被动齿轮的一部分作为曲柄摇杆传动机构的曲柄；所述曲柄摇杆传动机构为实现仿生扑翼拍打动作的主体，其通过翼轴与仿生扑翼连接，从而将空心杯动力马达输出轴的转动转化为两只仿生扑翼的往复拍打运动，实现模仿昆虫飞行；所述可控被动扭转机构由磁性角度限位器和电磁铁构成，磁性角度限位器用于仿生扑翼扭转角限位，在仿生扑翼拍打时保证仿生扑翼绕翼轴进行旋转，从而产生竖直向上的升力；同时磁性角度限位器与电磁铁之间的斥力促使仿生扑翼回到竖直位置，实现可控性；所述滚珠轴承组分布于飞行器各个转轴，包括减速齿轮组的转轴、曲柄摇杆传动机构的转轴以及与仿生扑翼粘接的翼轴处，用于减小飞行器的传动摩擦。2.根据权利要求1所述的一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述空心杯动力马达的额定电压4.2V，给减速齿轮组提供45000r/min～55000r/min的输入转速，用于保证仿生扑翼的拍打频率能够维持足够的升力输出。3.根据权利要求1所述的一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述减速齿轮组由主动齿轮和被动齿轮组成，其中：主动齿轮连接于空心杯动力马达的输出轴，被动齿轮与主动齿轮啮合配合，空心杯动力马达驱动主动齿轮转动从而带动被动齿轮转动；所述被动齿轮上有多个圆孔，用于为曲柄摇杆传动机构提供不同的曲柄长度，以随具体飞行状况通过手动改变曲柄长度以改变仿生扑翼的拍打幅度。4.根据权利要求3所述的一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述被动齿轮在保证曲柄的长度的情况下，通过使用减重孔以减小被动齿轮的重量。5.根据权利要求3所述的一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所述曲柄摇杆传动机构由两个共用一个曲柄的四连杆机构组成，每个四连杆机构均由曲柄、中间连杆、翼轴摇杆以及机架组成，其中：曲柄为减速齿轮组中的被动齿轮的一部分，即被动齿轮的圆心到被动齿轮上开的圆孔的距离为曲柄；中间连杆连接曲柄和翼轴摇杆，翼轴摇杆处固定有与仿生扑翼粘接一起的翼轴，并在中间连杆上预留有与滚珠轴承组过盈连接的空间，同时中间连杆的厚度以保证强度需求；由所述被动齿轮的一部分构成的曲柄作为曲柄摇杆传动机构的输入端，翼轴摇杆作为曲柄摇杆传动机构的输出端并与仿生扑翼相连，从而将输入端曲柄的旋转运动转化为输出端翼轴摇杆的往复摆动，进而带动仿生扑翼拍打，以机械传动机构再现昆虫飞行时的扑翼拍打运动。6.根据权利要求1所述的一种具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，陈畅，邹阳，楼星梁，孙浩，朱甲强，李一帆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31