[实用新型]一种三自由度扑翼综合实验平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构，尤其是一种能实现复合扑动并进行测量的扑翼综合实验平台。 

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，它具有体积小、重量轻、使用灵活、效率高等优势，如果搭载传感器和相关的数据传输和飞行控制系统，形成微型扑翼无人机平台，就会具有广阔的应用前景。 

为了获得具有理想性能的微型扑翼飞行器，需要分析和实现仿生高升力机制。研究表明，自然界的鸟类和昆虫在飞行中获得较高的气动效率主要是由于其扑翅运动过程中，除了平面上下扑动以外，还附加有绕展向的扭转运动和前后扫掠运动。这种复合运动形式，使鸟类和昆虫能够利用“拍飞(Clap-Fling)”、“延时失速(Delayed Stall)”、“旋转环流(Rotational Circulation)”和“尾流捕获(Wake Capture)”四种产生高升力的机理获得最高的气动效率。这四种高升力机理之中，“拍飞”和“延时失速”是扑动机翼固有的升力机理，而“旋转环流”和“尾流捕获”则是扑翼旋转产生的效果。 

为了定量的揭示鸟类和飞行昆虫翅的复合运动过程中的高升力机制，设计具有更高气动效率的扑翼飞行器扑翼及其运动规律，必须利用风洞进行扑翼的气动力实验研究。 

目前利用风洞进行扑翼实验研究的过程中主要存在以下问题：1、扑翼驱动机构设计难度大，难以实现比较复杂的复合扑动，或实现复杂复合运动的机构部件多，相互遮挡严重，迎风面积大，在风洞实验过程中干扰扑翼流场，影响模拟质量；2、扑翼驱动机构实现复杂复合扑动过程中由于机械误差和采用软连接传动等原因难以准确实现预设扑动规律；3、扑翼驱动机构结构复杂，难以按照测量要求布置相应传感器进行测量。 

发明内容

为了克服现有技术机构复杂和准确度较低的不足，本发明提供一种扑翼综合实验平台，具有三个旋转自由度，能够精确的实现任意复合扑动，并能对扑动过程中的力和力矩进行直接、实时测量。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括机架、扑翼、传动机构、驱动电机和控制系统。 

所述机架左右对称，下部为中空的盒式结构，上部前后固定两根轴线位于对称平面内的立柱，盒式结构上表面在两立柱之间有开口，两立柱等高，其高度使扑翼扑动时不与盒式结构发生运动干涉。两立柱顶端分别与横梁的一端固定。 

以扑翼中立位置弦向为X轴，扑翼中立位置展向为Y轴，上下方向为Z轴建立坐标系，坐标原点位于机架对称平面内。由于本发明结构左右镜像对称，为避免冗余，若无特殊说明，以下描述的结构均为左右对称结构的一侧，与可动部件位置相关的描述均为其中立位置。 

扑翼由骨架和薄膜蒙皮组成，骨架材料为树脂基碳纤维复合材料，其根部有前后两根相互平行的展向翼梁。扑翼主体为若干翼肋，与两根展向翼梁胶接构成骨架，其上粘贴薄膜蒙皮。两根展向翼梁与传动机构的扑翼连接件上的两盲孔插接。扑翼连接件与一号轴固接，一号轴穿过万向轴承上的一号轴孔与垂直于一号轴轴线的横杆固接，一号轴的轴线平行于Y轴，横杆轴线平行于X轴。这样的连接形式使得横杆绕一号轴的轴线转动时，扑翼连接件可以带动扑翼绕两根展向翼梁中线扭转；而当横杆上下运动时，扑翼连接件可以带动扑翼上下扑动。 

所述万向轴承包括十字轴承和十字轴承架。十字轴承架由平行于Z轴的三号轴铰接于机架横梁上，并同三号连杆铰接。沿X轴方向的二号轴与十字轴承铰接。十字轴承上有Y轴方向的一号轴孔。 

横杆两端连接球铰链，对应机架盒式结构内安装的一号驱动电机和二号驱动电机，两电机枢轴均平行于X轴，分别固接一号曲柄和二号曲柄，两曲柄轴线均平行于Y轴，曲柄端头固接球铰链。两端装有球铰链座的一号连杆和二号连杆穿过盒式结构开口分别连接对应的横杆端头和曲柄端头的球铰链，一号连杆和二号连杆的轴线均平行于Z轴。这样的连接形式使得驱动电机的旋转通过曲柄转化为连杆的上下运动，从而通过球铰链带动上述横杆实现运动：当两个驱动电机同步联动时，产生的效果是使横杆绕万向轴承的二号轴上下往复运动；当两个驱动电机按一定规律差动时，产生的效果是使横杆绕一号轴进行往复旋转运动；显然，通过改变对两个驱动电机的控制规律，也可以实现上述两种运动形式的叠加。