一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的制作方法

本实用新型涉及微型扑翼飞行器领域，具体来说，是一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置。

背景技术：

上世纪50年代以来，微小型扑翼飞行器由于其广阔的应用前景吸引了许多研究者的关注。仿生学和空气动力学的研究均表明，在翼展小于15cm时,扑翼飞行的优势要比固定翼和旋翼飞行更突出，所以扑翼飞行器小型以及微型化是未来扑翼飞行器的发展趋势。

微型扑翼飞行器的举升、悬停和推进功能都可以通过一个扑翼系统完成，依靠扑翼系统改变运动方式便可以快速改变飞行器的运动姿态，具有较强的机动性与灵活性。

扑动幅值是指扑翼飞行器的翅膀摆动的上下极限位置之间的夹角。weis-fogh在研究昆虫飞行时发现，台湾小黄蜂飞行时在每一次下拍前，两翅会在背部“合拢”，然后快速“打开”，这种“合拢打开”运动可产生很大的非定常升力。现有的微小型扑翼飞行器的驱动机构大都以电池为能源，以电动机驱动的多连杆机构驱动器驱动，传统的连杆机构在运动过程中实现的扑动幅值较小，不能完全模仿台湾小黄蜂的“合拢打开”运动，从而在一定程度上限制了微型扑翼飞行器产生的升力。

技术实现要素：

本实用新型针对现有的微型扑翼飞行器在扑动过程中扑动幅值较小，难以实现“合拢打开”运动产生较高升力的问题，提出了一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置，通过对齿轮连杆机构合理的尺寸设计，使扑翼飞行器可以达到180°的扑动幅值，从而模拟“合拢打开”运动。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置，包括机架3，两个翅膀4，两个摇臂5以及拍动驱动机构100；

两个摇臂5、两个翅膀4均对称分布；

拍动驱动机构100包括动力齿轮6，双联齿轮7，第一齿轮8，第二齿轮9，第三齿轮10，第四齿轮11，第五齿轮12，第六齿轮13和第一连杆1以及第二连杆2，并且，第一连杆1和第二连杆2对称分布，第一齿轮8与第二齿轮9的齿轮的模数和齿数都相同，且对称分布，所述的第三齿轮10和第四齿轮11具有相同的模数和齿数，且对称分布，第五齿轮12和第六齿轮13具有相同的模数和齿数，且对称分布，

拍动驱动机构100上的动力齿轮6、双联齿轮7、第一齿轮8、第二齿轮9、第三齿轮10、第四齿轮11、第五齿轮12、第六齿轮13均通过机架3上对应的安装孔与机架3组合安装，

动力齿轮6固定安装在驱动电机的输出轴上，动力齿轮6与双联齿轮7啮合，双联齿轮7与第一齿轮8啮合将驱动电机输出的高转速进行减速，第一齿轮8与第二齿轮9啮合，第一齿轮8和第二齿轮9分别与第一连杆1和第二连杆2的下端铰接，从而带动第一连杆1和第二连杆2的下端分别围绕第一齿轮8和第二齿轮9中心做圆周运动，第一连杆1和第二连杆2的上端分别与第三齿轮10和第四齿轮11铰接，并分别带动第三齿轮10和第四齿轮11做绕齿轮中心的往复转动，设计转动幅度为90°，第五齿轮12和第六齿轮13分别与第三齿轮10和第四齿轮11啮合；第五齿轮12和第六齿轮13作为拍动驱动机构100的对称输出端分别固定连接一个摇臂5，摇臂5通过安装孔安装在机架3上，并且与翅膀4固定连接实现由摇臂5带动翅膀4运动。

进一步，所述的翅膀4包括主梁402，辅梁401和翼膜403；翅膀4的主梁402固定于摇臂5上的安装孔内；辅梁401垂直固定在主梁402上；翼膜403为薄膜材料。

本申请的优点在于：

1、一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置，通过对齿轮和连杆结构合理的尺寸设计，使机构可以达到180°的扑动幅值，从而模拟台湾小黄蜂的“合拢打开”运动。

2、一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置，使用齿轮和连杆作为传动机构，结构简单，精度高，可以实现小型化和轻量化。

附图说明

图1为本申请的一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的整体示意图；

图2为一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的拍动驱动机构100结构示意图；

图3为一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的机架3结构示意图；

图4为一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的摇臂5结构示意图；

图5为一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的翅膀4结构示意图；

图6为一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的机构运动简图；

图7为一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的上拍合拢示意图；

图8为一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置的下拍合拢示意图。

附图标记记录如下：

1-2-连杆，3-机架，4-翅膀，5-摇臂，6-13-齿轮；

100-拍动驱动机构；

301-第一安装孔，302-第二安装孔，303-第三安装孔，304-第四安装孔，305-第五安装孔，306-第六安装孔，307-第七安装孔，308-第八安装孔；

401-辅梁，402-主梁，403-翼膜。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置，如图1和图2所示，包括机架3，两个翅膀4，两个摇臂5以及拍动驱动机构100；

两个摇臂5、两个翅膀4均对称分布；

拍动驱动机构100包括动力齿轮6，双联齿轮7，第一齿轮8，第二齿轮9，第三齿轮10，第四齿轮11，第五齿轮12，第六齿轮13和第一连杆1以及第二连杆2，并且，第一连杆1和第二连杆2对称分布，第一齿轮8与第二齿轮9的齿轮的模数和齿数都相同，且对称分布，所述的第三齿轮10和第四齿轮11具有相同的模数和齿数，且对称分布，第五齿轮12和第六齿轮13具有相同的模数和齿数，且对称分布，

拍动驱动机构100上的动力齿轮6、双联齿轮7、第一齿轮8、第二齿轮9、第三齿轮10、第四齿轮11、第五齿轮12、第六齿轮13均通过机架3上对应的安装孔与机架3组合安装，

动力齿轮6固定安装在驱动电机的输出轴上，动力齿轮6与双联齿轮7啮合，双联齿轮7与第一齿轮8啮合将驱动电机输出的高转速进行减速，第一齿轮8与第二齿轮9啮合，第一齿轮8和第二齿轮9分别与第一连杆1和第二连杆2的下端铰接，从而带动第一连杆1和第二连杆2的下端分别围绕第一齿轮8和第二齿轮9中心做圆周运动，第一连杆1和第二连杆2的上端分别与第三齿轮10和第四齿轮11铰接，并分别带动第三齿轮10和第四齿轮11做绕齿轮中心的往复转动，设计转动幅度为90°，第五齿轮12和第六齿轮13分别与第三齿轮10和第四齿轮11啮合；第五齿轮12和第六齿轮13作为拍动驱动机构100的对称输出端分别固定连接一个摇臂5，摇臂5通过安装孔安装在机架3上，并且与翅膀4固定连接实现由摇臂5带动翅膀4运动。

如图3所示机架3采用树脂材料，通过3d打印整体成型；机架3上预留一系列安装孔，方便与其他结构相连接；机架3上方开有四个对称分布的安装孔，分别是第五安装孔305，第六安装孔306，第七安装孔307和第八安装孔308；机架中部开有第一安装孔301，第二安装孔302；机架底部开有两个对称分布的安装孔，分别是第三安装孔303和第四安装孔304。

如图5所示翅膀包括主梁402，辅梁401和翼膜403；其中主梁402与摇臂5上的安装孔采用过盈配合固定连接；主梁402和辅梁401均采用1mm直径碳杆，长度不同，辅梁401通过胶水垂直固定在主梁402上；翼膜选用厚度约为0.05mm的薄膜材料，并通过胶水固定在主梁402和辅梁401上。

本申请的一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置通过如下的方式实现动作：

动力扑动时需要连接外置驱动电机进行驱动，驱动电机输出轴自下而上穿过第一安装孔301，并且固定安装有动力齿轮6，动力齿轮6与双联齿轮7啮合，双联齿轮7通过机架第二安装孔302安装在机架3上，同时双联齿轮7与第一齿轮8啮合，第一齿轮8通过第三安装孔303安装在机架3上，双联齿轮7和第一齿轮8将驱动电机输出的高转速进行减速，第一齿轮8与第二齿轮9啮合，第二齿轮9通过第四安装孔304安装在机架3上并与第一齿轮8对称分布，同时第一齿轮8和第二齿轮9分别与第一连杆1和第二连杆2的下端铰接，并且以相同速度和相反方向转动，从而带动第一连杆1和第二连杆2下端做分别围绕第一齿轮8和第二齿轮9中心的匀速转动；第三齿轮10和第四齿轮11分别通过第七安装孔307和第六安装孔306安装在机架3上，第一连杆1和第二连杆2的另一端分别与第三齿轮10和第四齿轮11铰接，从而带动第三齿轮10和第四齿轮11做分别围绕齿轮中心的往复转动；第三齿轮10和第四齿轮11又分别与第五齿轮12和第六齿轮13啮合,第五齿轮12和第六齿轮13作为拍动驱动机构100的输出端分别固连一个摇臂5，摇臂5与第五齿轮12和第六齿轮13分别通过第八安装孔308和第五安装孔305安装在机架3上，从而实现第三齿轮10和第四齿轮11分别带动第五齿轮12和第六齿轮13做往复转动，进一步实现第五齿轮12和第六齿轮13带动两侧摇臂5与翅膀4往复转动。

结合图6说明本例“合拢打开”运动过程如下：

为了实现两侧翅膀4的对称运动，拍动驱动机构100也为对称分布设计，所以只介绍右侧拍动驱动机构100的运动学过程：

o0为第一齿轮8中心，o3为第三齿轮10中心，o4为第五齿轮12中心，o0o1为第一齿轮8中心到其与第一连杆1下端铰接处的距离，o2o3为第三齿轮10中心到其与第一连杆1上端铰接处的距离，o1o2为第一连杆1两端铰接处之间的距离，o3o4为第三齿轮10中心到第五齿轮12中心的距离，o0o3为第一齿轮8中心到第三齿轮10中心的距离；当o1处于x轴上方且o0o1和o1o2共线时，o2o3在o3o4上方并与o3o4之间的夹角最大，为α1；当o1位于o1'，此时o0o1'和o1o2'共线，o2'o3在o3o4下方并与o3o4之间的夹角最大，为α2。

由此可知：

其中，

根据上式，设定o0o1＝4mm，o1o2＝35mm，o2o3＝6mm，o0o3＝35mm，α1和α2为45°，即可以实现第一连杆1带动第一齿轮10做幅度为90°的往复转动；βmax为翅膀主梁402与o3o4之间的最大夹角，第三齿轮10和第五齿轮12的减速比为1:2，所以βmax＝2α1＝90°，翅膀4摆动的上下极限位置之间的夹角为2βmax＝180°，因此翅膀4在整个拍动周期中可以实现180°的扑动幅值，实现完全模仿台湾小黄蜂的“合拢打开”运动。

综上所述本申请的一种可实现大扑动幅值的微型扑翼装置通过齿轮连杆机构来实现大扑动幅值，设计扑动幅值为180°，并通过选用柔性翅来模拟台湾小黄蜂的“合拢打开”运动提高微小型扑翼飞行器的升力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。