一种可变机身姿态的仿生扑翼飞行器

技术领域

本发明属于扑翼飞行技术领域，具体涉及一种可变机身姿态的仿生扑翼飞行器。

背景技术

扑翼机(Ornithopter)是指机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器，又称振翼机。不同于传统的固定翼和旋翼飞行器，仿生扑翼机是基于仿生原理的新式飞行器。它最大的特点就是通过周期性的拍打双翼产生飞行所需的上升力和机身前进的推力，并通过改变尾翼的位置偏移控制飞行方向，可以很好地模仿高空盘旋，快速飞行等鸟类的飞行运动。

现有技术的扑翼飞行器大多为单段式，即仅有一段翅膀的扑翼飞行器。该类扑翼飞行器结构简单，但存在仿生性较差等缺点，上扑运动时阻力较大，同时无法保证下扑运动带来的升力，能量利用率不高，飞行速度较缓慢。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种可变机身姿态的仿生扑翼飞行器，仿生性较好，能够减少因上扑运动带来的阻力并保证下扑运动带来的升力，提高了整机能量利用率，飞行速度快。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种可变机身姿态的仿生扑翼飞行器，包括机架、固接于机架的马达和对称设于机架左右两侧的机翼；

机翼包括铰接于机架的曲柄摇杆机构、活动穿设于机架的四连杆机构和扑动长杆；

马达驱动连接于曲柄摇杆机构，用于驱使曲柄摇杆机构转动；

曲柄摇杆机构连接于四连杆机构，用于带动四连杆机构做往复摇摆运动；

扑动长杆固接于四连杆机构外侧。

进一步，四连杆机构为平行四边形。

进一步，曲柄摇杆机构包括大齿轮，大齿轮铰接于机架，马达驱动连接于大齿轮，四连杆机构包括相对设置的第一短杆和第二短杆以及设于第一短杆和第二短杆之间的第一长连杆，第一短杆偏置铰接于大齿轮，扑动长杆固接于第二短杆外侧，第一长连杆活动穿设于机架。

进一步，扑动长杆与第二短杆的夹角为θ，40°≤θ≤50°。

进一步，扑动长杆与第一长连杆分别安装有流线型的羽毛支架，羽毛支架套接有翼帆。

进一步，还包括摆动舵机、第一球头铰链和机身平台，机身平台铰接于机架末端，摆动舵机固接于机架，摆动舵机通过第一球头铰链与机身平台连接，用于驱使机身平台相对机架上下摆动。

进一步，摆动舵机设于机架后部，机架后部还设有为摆动舵机和马达供电的电池。

进一步，机身平台后方设有第二球头铰链和尾翼架，尾翼架铰接于机身平台，机身平台对称固设有左舵机和右舵机，左舵机和右舵机分别通过第二球头铰链连接于尾翼架，用于驱使尾翼架左右偏转或上下偏转。

进一步，尾翼架下方设有尾架和铰链，尾翼架铰接于尾架，机身平台通过铰链连接于尾架。

进一步，尾翼架后端固接有尾帆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

机翼通过曲柄摇杆机构带动四连杆机构做往复摇摆运动而形成一段翼的扑动，四连杆机构在往复摇摆运动过程中，各连杆之间夹角不断发生变化，带动扑动长杆跟随四连杆机构上下摆动而形成二段翼的扑动。机翼采用双段式扑动机构，有利于减少因上扑运动带来的阻力并同时保证下扑运动带来的升力，提高了整机能量利用率，飞行速度快；

仿生扑翼飞行器采用分段式结构，机身姿态可变，使扑翼飞行器更具灵巧性和仿生性；

尾翼使用并联结构，紧凑灵活，轻松实现对仿生扑翼飞行器的飞行方向控制。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例第一视角的平面结构示意图。

图3为本发明实施例第二视角的平面结构示意图。

图4为本发明实施例第三视角的平面结构示意图。

图5为仿生扑翼飞行器上扑运动的过程示意图(只示出一侧机翼)。

图6为仿生扑翼飞行器下扑运动的过程示意图(只示出一侧机翼)。

图7为本发明实施例的控制流程图。

1-第二短杆，2-第一长连杆，3-第二长连杆，4-第一短杆，5(5｀)-大齿轮，6-马达，7-小齿轮，8(8｀)-第二球头铰链，9-尾翼架，10-舵机臂，11-左舵机，11｀-右舵机，12-第一球头铰链，13-机架，14-机身平台，15-铰链合页，16-摆动舵机，17-尾架，18-羽毛支架，19-扑动长杆。

具体实施方式

现有技术的扑翼飞行器大多为仅有一段翼的扑翼飞行器。该类扑翼飞行器存在仿生性较差、能量利用率不高、飞行速度较缓慢等缺点。另外，很多扑翼飞行器的机身是不可变的，导致有些鸟类飞行动作难以实现，如高空急停或悬空等。为了解决上述现有的技术问题，本发明旨在提供一种可变机身姿态的仿生扑翼飞行器，采用双段式扑翼结构设计，能够实现不同的上扑动作和下扑动作，减少了上扑动作带来的阻力，提高了能量利用率和飞行速度；并采用了分段可变式的机身，能根据需要改变整机重心，使整机朝向偏转，实现高空急停或悬空等动作，提高了扑翼飞行器的仿生性和灵活性。

下面对本发明作进一步详细的描述。

1、机翼

机架13两侧分别对称设有机翼。机翼采用设有一段翼和二段翼的双段式扑动机构，包括铰接于机架13的曲柄摇杆机构、活动穿设于机架13的四连杆机构和扑动长杆19。

具体地，如图1-图4所示，扑动机构由自带减速箱的马达6提供动力，马达6与小齿轮7直接连接。机架13两侧对称设有互相啮合的大齿轮5｀与大齿轮5。大齿轮5｀与大齿轮5的啮合传动保证了扑动机构两侧动作的一致对称性。

四连杆机构为平行四边形，四连杆机构构成双曲柄机构，包括相对设置的第一短杆4和第二短杆1以及设于第一短杆4和第二短杆1之间的第一长连杆2和第二长连杆3。第一长连杆2作为机翼的一段翼。作为机翼的二段翼，扑动长杆19固接于第二短杆1，且和第二短杆1之间具有40°-50°夹角。优选地，扑动长杆19和第二短杆1之间具有45°夹角，扑动长杆19和第二短杆1为一体成型。

扑动长杆19、第一长连杆2和第二长连杆3分别安装有3个流线型的羽毛支架18，羽毛支架18套接有翼帆。翼帆使用密封性良好的轻便材料制成。

第一短杆4为多副构件，有3个转动副，第一个与大齿轮5偏置相接，第二个与第二长连杆3相接，第三个与第一长连杆2相接。

大齿轮5、第一短杆4、第一长连杆2、机架13构成了曲柄摇杆机构，其中，在大齿轮5｀与大齿轮5上开口，充当扑动机构中曲柄摇杆机构的曲柄，第一长连杆2通过转动副与机架13相接。

在大齿轮5旋转时，第二长连杆3与第一短杆4的夹角发生变化，由平行四边形对角相等可得第二短杆1与第一长连杆2的夹角也发生相同的变化。马达6转动带动小齿轮7转动，小齿轮7转动带动大齿轮5转动，大齿轮5作为曲柄转动通过第一短杆4把第一长连杆2作为摇杆做往复摇摆运动而形成一段翼的扑动；第二长连杆3与第一短杆4的夹角发生变化，带动第一长连杆2与第二短杆1的夹角发生变化，从而使得扑动长杆19跟随四连杆机构做上下摆动而形成二段翼的扑动。

双段翼扑动共同构成的扑翼飞行运动中，马达6不断旋转带动小齿轮7旋转，小齿轮7带动大齿轮5｀旋转，大齿轮5｀带动大齿轮5｀旋转，大齿轮5带动第一长连杆2做周期性的上下摆动。

仿生扑翼飞行器做上扑运动过程中，大齿轮5逐渐旋转，如图5所示，机翼状态依次展现为①、②、③、④，第一短杆4和第二长连杆3之间夹角逐渐减小，由平行四边形对边夹角相等可得第二短杆1和一段翼第一长连杆2之间夹角也减小，扑动长杆19和第一长连杆2之间夹角也减小，即一段翼和二段翼折合，风阻面积减少；

大齿轮5继续旋转，仿生扑翼飞行器做下扑过程中，如图6所示，机翼状态依次展现为⑤、⑥、⑦、⑧，第一短杆4和第二长连杆3之间夹角增大，由平行四边形对边夹角相等可得第二短杆1和第一长连杆2之间夹角增大，扑动长杆19和第一长连杆2之间夹角也增大，即一段翼和二段翼展开，风阻面积增大。

通过一段翼和二段翼的折合与展开，减少了因上扑运动带来的阻力并同时提升了下扑运动带来的升力，有利于提高飞行速度。

2、机身

如图3所示，机身相当于仿生扑翼飞行器的腰部，为双摇杆机构，包括第一球头铰链12、机架13、机身平台14、铰链合页15和摆动舵机16。机身平台14与机架13通过铰链合页15连接，摆动舵机16固定在机架13上，通过第一球头铰链12与机身平台14连接。通过摆动舵机16输出轴的旋转，带动机身平台14上下摆动。机身平台14安装电池和摆动舵机16等重量占比较高的元件，使机身平台14重量占比较高，从而可以通过调整机身平台14姿态，更容易改变整体重心位置，进而适应飞行时的需求。如高空急停时，摆动舵机16旋转推动第一球头铰链12，将机身平台14向下摆动，整体重心向下偏移，整体机身向下偏转，两侧机翼拍打产生的空气动力方向从垂直改为向水平偏移，使飞行器获得较大的减速加速度，从而实现急停。

3、尾翼

如图4所示，尾翼为并联机构，包括第二球头铰链8(8｀)、尾翼架9、左舵机11、右舵机11｀和尾架17。左舵机11和右舵机11｀对称固定在机身平台14上，机身平台14与尾架17通过铰链相连，尾翼架9通过转动副与尾架17相连，并通过第二球头铰链8(8｀)与左舵机11和右舵机11｀的舵机臂10相连。尾架17是尾翼架9的支撑平台，在尾架17上的两个转动副为整个尾翼提供了上下和左右摆动的两个自由度。

通过左舵机11和右舵机11｀不同的旋转偏移位置，可使尾翼实现左右偏转和上下偏转：左舵机11和右舵机11｀同时往相反方向旋转相同角度，能够实现尾翼的上下偏转；左舵机11和右舵机11｀同时往相同方向旋转，且两者旋转角度不一致，可实现尾翼的左右偏转，且尾翼向旋转角度更大的舵机方向偏转。

尾翼架9后端固接有尾帆，具体为，尾翼架9向后方伸出3根长杆，并覆上扇形的轻薄材料，在飞行转向时提供空气转向动力。

本实施例的一种可变机身姿态的仿生扑翼飞行器，控制流程如图7所示，通过单片机及相关电路驱动控制马达6和各个舵机，并且通过控制器发送信号对仿生扑翼飞行器进行远程操控，机身上安装有陀螺仪传感器，能感知自身的俯仰角和水平转向，以此作为仿生扑翼飞行器飞行状态与指令状态的偏差，做出动作调整以稳定飞行。仿生扑翼飞行器具有4个自由度，分别为由单自由度控制的周期性扑翼运动、由单自由度控制的机身上下摆动、由两个自由度控制的尾翼上下摆动和左右摆动。可模仿鸟类的多种基本运动，能实现扑翼飞行、高空急停和转向盘旋等动作。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。