一种基于多连杆的单自由度少驱动全变形机翼机构

技术领域

本发明涉及机翼机构，尤其涉及一种基于多连杆的单自由度少驱动全变形机翼机构。

背景技术

飞行器需要面对日益复杂的飞行环境和飞行工况，对于单一的固定翼飞行器而言，仅仅只能满足一类飞行条件下的最优解，因而研发一种能像鸟类一样随飞行环境改变飞行器运动姿态的机翼显得格外重要。机翼是飞行器最重要的组成部分，机翼的主要功用是为飞行器提供升力降低阻力，以保证其稳定飞行。受到鸟翼启发，其通过形状变化来适应不同的飞行需求：在平稳飞行时舒展翅膀；在追捕猎物时将翅膀蜷缩后掠以减小飞行阻力，进行急速俯冲；进入密林时将翅膀向内侧卷起，减小宽度以便穿越枝杈；降落时将翅膀完全迎向气流来增加阻力，实现栖落机动。鸟类在飞行过程中通过改变翅膀形状如展长、后掠角等来满足不同的飞行需求，在多种飞行环境发挥优良性能。赋予飞行器像鸟类一样的机翼变形能力，将对飞行器在多工况下的飞行性能、气动性、操纵性等方面的提升具有重要的研究意义。

在变形机翼研究领域，诸多发明人提供了各种各样的解决方案。如中国专利：一种基于连杆驱动弯度可变的变形机翼，专利申请号为：CN202011482267.0，该专利包括机翼本体、连杆驱动组件以及转轴连接组件，采用的连杆驱动组件能够实现机翼范围弯度变形，然而其整体弯度变形为15％，其最大变形角度有待提高。如中国专利：一种基于平面连杆闭环单元的含复铰可变形机翼后缘机构，专利号：CN201510918654.7，该专利包括至少三组闭环杆组单元、驱动机构，闭环杆组单元为基于6R闭环单元的平面杆组结构，其具有一个自由度来实现机翼的变形，然而其仅用于机翼后缘的变形，在机翼整体变形方面有一定局限性。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于多连杆的单自由度少驱动全变形机翼机构，该机翼机构不仅能够实现机翼大范围的弯度变形，而且还能仅通过一个动力组件即实现整个机翼的联动变形。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于多连杆的单自由度少驱动全变形机翼机构，包括固定设置的机翼前缘、与机翼前缘活动连接且弯度可变的机翼中部、与机翼中部活动连接且弯度可变的机翼后缘、分别与机翼前缘、机翼中部和机翼后缘相铰接并带动机翼中部和机翼后缘改变弯度的连杆组件以及为连杆组件驱动的动力组件，其中连杆组件包括连接斜杆、连接横杆、第一传动横杆、第一传动斜杆、第二传动横杆、第二传动斜杆、第三传动横杆、第三传动斜杆和第四传动横杆；其中连接斜杆上端与机翼前缘相铰接，连接斜杆下端与机翼中部相铰接；连接横杆左端与机翼后缘相铰接，连接横杆右端与机翼中部相固连；第一传动横杆右端与动力组件相铰接，第一传动横杆左端与第一传动斜杆上端相铰接，第一传动斜杆上端还与连接斜杆的中部相铰接，第一传动斜杆下端与第二传动横杆中部相铰接，第二传动横杆右端与机翼前缘相铰接，第二传动横杆左端与第二传动斜杆下端相铰接，第二传动斜杆上端与机翼中部相铰接，第二传动斜杆中部与第三传动横杆右端相铰接，第三传动横杆左端与第三传动斜杆上端相铰接，第三传动斜杆中部与机翼中部相铰接，第三传动斜杆下端与第四传动横杆右端相铰接，第四传动横杆左端与机翼后端相铰接。

其中，动力组件包括设置在机翼前缘上的旋转电机以及与旋转电机输出轴相连的驱动杆，驱动杆的另一端与第一传动横杆右端相铰接。

优选的，机翼后缘的剖面翼形呈水滴状，该翼形呈现流线型，机翼后缘的左端弧度小，机翼后缘的右端弧度大。

再者，机翼后缘的右端内腔中部掏空，机翼后缘的右端内腔上表面固定安装有两组沿中轴面呈对称布置的第一铰接接头，机翼后缘的右端内腔下表面固定安装有两组沿中轴面呈对称布置的第二铰接接头。

进一步，机翼中部的左端弧度与机翼后缘的右端弧度相等，机翼中部的右端弧度与机翼前缘的左端弧度相等。

优选的，机翼中部的内腔为贯通结构，机翼中部的内腔左侧固定安装有两组沿中轴面呈对称布置的第一铰接底座，机翼中部的内腔右侧固定安装有两组沿中轴面呈对称布置的第二铰接底座，机翼中部的右端固定连接有两组沿中轴面呈对称布置的第三铰接接头。

再者，机翼前缘的左端弧度与机翼中部的右端弧度相同。

进一步，机翼前缘的左端内腔中部掏空，机翼前缘的内腔上端固定安装有两组沿中轴面呈对称布置的第三铰接底座，所述机翼前缘的内腔下端固定安装有两组沿中轴面呈对称布置的第四铰接接头。

优选的，第一传动横杆左端与第一传动斜杆上端铰接处的中心轴线与第一传动斜杆上端与连接斜杆的中部铰接处的中心轴线相重合。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明的飞行器变形机翼分机翼后缘、机翼中部、机翼前缘三部分，其相互连接处弧度光滑、连续变化，能够改善机翼上下表面的气体压力分布情况，整体外观呈现流线型，能够优化飞行器的空气动力学特性；

(2)本发明的飞行器变形机翼驱动方式是单驱动形式，只需要一个驱动旋转电机就能够带动与其相连的多连杆组件的联动，一定程度上减轻了机翼本身重量，并降低了多驱动的控制复杂性与可能造成运动失效的风险，对于飞行器的工作稳定性有所改善；

(3)本发明的全变形机翼是通过多连杆组件作为机翼结构弯度变形的驱动机构，将动力传递至机翼后缘和机翼中部对其产生两级联动作用，达到增力、扩大行程和实现远距离传动等目的；叠加受到多连杆组件逐级传动和两级联动作用效果，可以实现全变形机翼大范围弯度变形设计需求，最大弯度能够达到37°，对于飞行器在不同巡航情况下的适应性有所增强。

附图说明

图1为本发明中飞行器整体外观示意图：

图2是本发明的结构示意图；

图3为本发明中机翼后缘的结构示意图；

图4为本发明中机翼中部的结构示意图；

图5为本发明中机翼前缘的结构示意图；

图6为本发明中连接组件的部分结构示意图；

图7为本发明中连接组件的结构示意图；

图8为本发明中初始状态的示意图；

图9为本发明中极限状态的示意图；

图10为本发明中最大弯度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1为本发明中飞行器整体外观示意图，为对本发明的全变形机翼结构更好的展示，绘制了如图2所示的机翼剖面图。如图2所示，本发明一种基于多连杆的单自由度少驱动全变形机翼机构包括机翼后缘1、机翼中部2、机翼前缘3、连杆组件和动力组件，其中机翼后缘1和机翼中部2为活动机构其弯度可变，机翼前缘3为固定机构其弯度不可变。

如图3所示，机翼后缘1的剖面翼形呈水滴状，该翼形呈现流线型，具有良好的空气动力学特性，机翼后缘1的左端弧度较小，机翼后缘1的右端弧度较大。机翼后缘1的右端内腔中部掏空，机翼后缘1的右端内腔上表面固定安装有第一铰接接头4，第一铰接接头4有两组，以机翼后缘1的中轴面呈对称布置；机翼后缘1的右端内腔下表面固定安装有第二铰接接头5，第二铰接接头5有两组，以机翼后缘1的中轴面呈对称布置。

如图4所示，机翼中部2的左端弧度与机翼后缘1的右端弧度相等，以保证变形机翼变形的连续性，机翼中部2的右端弧度与所述机翼前缘3的左端弧度相等，以保证变形机翼变形的连续性。机翼中部2的左端固定连接有连接横杆6。机翼中部2的内腔为贯通结构，以便于杆件的顺次连接传动。机翼中部2的内腔左侧固定安装有第一铰接底座7，第一铰接底座7有两组，以机翼中部2的中轴面呈对称布置；机翼中部2的内腔右侧固定安装有第二铰接底座8，第二铰接底座8有两组，以机翼中部2的中轴面呈对称布置。机翼中部2的右端固定连接有第三铰接接头9，第三铰接接头9有两组，以所述机翼中部2的中轴面呈对称布置。

如图5所示，机翼前缘3的左端弧度与机翼中部2的右端弧度相同，以保证变形机翼变形的连续性。机翼前缘3的左端内腔中部掏空，机翼前缘3的内腔上端固定安装有第三铰接底座10，第三铰接底座10有两组，以机翼前缘3的中轴面呈对称布置；机翼前缘3的内腔下端固定安装有第四铰接接头11，第四铰接接头11有两组，以机翼前缘3的中轴面呈对称布置。第三铰接底座10的斜下方固定安装有旋转电机12，旋转电机12安装在机翼前缘3的内腔中。

连杆组件包括包括连接斜杆13、连接横杆6、第一传动横杆15、第一传动斜杆16、第二传动横杆17、第二传动斜杆18、第三传动横杆19、第三传动斜杆20和第四传动横杆21。动力组件包括旋转电机12和驱动杆14。

如图2、图3、图4和图5所示，连接斜杆13用于连接机翼中部2和机翼前缘3。连接斜杆13的上端与机翼前缘3的内腔上端的第三铰接底座10通过转轴连接。连接斜杆13的下端与机翼中部2的右端的第三铰接接头9通过转轴连接。连接斜杆13、第三铰接底座10和第三铰接接头9均有两组，以机翼的中轴面呈对称布置，同侧的连接斜杆13与第三铰接底座10、第三铰接接头9相互连接，另一侧的连接方式相同。设置两组连接斜杆13、第三铰接底座10和第三铰接接头9以保证机构的刚度和受力的平衡性。

连接横杆6用于连接机翼中部2和机翼后缘1。连杆横杆6的右端固定连接于机翼中部2的本体上，连接横杆6的左端与机翼后缘1的右端内腔下表面固定安装的第二铰接接头5通过转轴连接，连杆横杆6的左端嵌入两组第二铰接接头5之间。

第一传动斜杆16、第二传动斜杆18和第三传动斜杆20有两组，以机翼的中轴面呈对称布置，设置两组第一传动斜杆16、第二传动斜杆18和第三传动斜杆20以保证机构的刚度和受力的平衡性。驱动杆14、第一传动横杆15、第二传动横杆17、第三传动横杆19和第四传动横杆21均为单独的一根杆件。

如图6所示，驱动旋转电机12的输出端与驱动杆14的左端通过转轴连接，驱动杆14的右端与第一传动横杆15的右端通过转轴连接，驱动旋转电机12工作输出转矩为驱动杆14提供动力。第一传动横杆15的左端与第一传动斜杆16的上端通过转轴连接，第一传动横杆15左端嵌入两组第一传动斜杆16之间。第一传动斜杆16的上端与连接斜杆13的中部通过转轴连接。第一传动横杆15的左端与第一传动斜杆16的上端连接的转轴中心轴线同第一传动斜杆16的上端与连接斜杆13的中部连接的转轴中心轴线重合。第一传动横杆15为单独的一根杆件；第一传动斜杆16与连接斜杆13均为两组杆件；第一传动横杆15、两组第一传动斜杆16与两组连接斜杆13的相对位置可表示为：第一传动横杆15居于最里层；第一传动横杆15的外侧为两组第一传动斜杆16，两组第一传动斜杆16居于中间层；两组第一传动斜杆16的外侧为两组连接斜杆13，两组连接斜杆13居于最外层。第一传动斜杆16的下端与第二传动横杆17的中部通过转轴连接，呈对称分布的两组第一传动斜杆16之间为第二传动横杆17。第二传动横杆17的右端与机翼前缘3内腔下端的第四铰接接头11通过转轴连接，第二传动横杆17的右端嵌入两组第四铰接接头11之间。

如图7所示，第二传动横杆17的左端与第二传动斜杆18的下端通过转轴连接，第二传动横杆17的左端位于两组第二传动斜杆18之间。第二传动斜杆18的上端与机翼中部2内腔右侧的第二铰接底座8通过转轴连接，由于第二传动斜杆18和第二铰接底座8均设置有两组，同侧的第二传动斜杆18和第二铰接底座8相互连接，另一侧的连接方式相同。第二传动斜杆18的中部与第三传动横杆19的右端通过转轴连接，第三传动横杆19的右端位于两组第二传动斜杆18之间。第三传动横杆19的左端与第三传动斜杆20的上端通过转轴连接，第三传动横杆19的左端位于两组第三传动斜杆20之间。第三传动斜杆20的中部与机翼中部内腔左侧的第一铰接底座7通过转轴连接，由于第三传动斜杆20和第一铰接底座7均设置有两组，同侧的第三传动斜杆20和第一铰接底座7相互连接，另一侧的连接方式相同。第三传动斜杆20下端与第四传动横杆21的右端通过转轴连接，第四传动横杆21的右端位于两组第三传动斜杆20之间。第四传动横杆21的左端与机翼后缘1右端内腔上表面的第一铰接接头4通过转轴连接，第四传动横杆21的左端嵌入两组第一铰接接头4之间。

本发明一种基于多连杆的单自由度少驱动全变形机翼机构的初始状态和极限状态分别如图8和9所示，最大弯度如图10所示。由于安装在机翼前缘3的旋转电机12的作用，经过机翼中部2和机翼后缘3以及多连杆组件的逐级变形放大影响，该变形机翼最大变形弯度可达37°，能够实现大范围的变形，适应不同的飞行工况和飞行环境。本发明中动力组件仅存在一个自由度，通过旋转电机输出转矩作用于连杆组件，对机翼后缘和机翼中部产生联动作用，全变形机翼机构驱动元件少、结构紧凑，能够有效控制该机翼大范围的弯度变形，提高飞行器对于复杂飞行工况的适应性。该全变形机翼整体外观呈现流线型，拥有良好的空气动力学特性，保证飞行过程的稳定。