[发明专利]一种用于微型扑翼实验的驱动装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构，特别涉及一种用于微型扑翼实验的驱动装置。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿自然界鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，具有体积小、重量轻、隐蔽性高、使用灵活等特点，因而具有广阔应用前景。

微型扑翼飞行器虽具有众多独特的优势，但扑翼的空气动力学特性却更为复杂。以自然界的鸟类和昆虫为例，从运动形式来看，在扑动飞行的过程中，鸟类或昆虫能够根据外界环境实时调整自身翼翅的扑动频率和扑动幅度，通过改变翼翅产生的气动力来满足不同的飞行要求，如起飞、转弯、平飞、加速、降落等；从气动机理来看，通过对鸟类和昆虫的观察，人们已经发现了“拍飞（Clap-Fling）”、“延时失速（Delayed Stall）”、“旋转环流（Rotational Circulation）”和“尾流捕获（Wake Capture）”这四种产生大升力的机理。

扑翼气动特性的复杂性激起了众多气动研究人员对它的研究热情。在众多研究手段中，以风洞实验为代表的流体力学实验以其直观、可信度高等优点成为扑翼研究的一种重要方法。现有的扑翼风洞实验机构很少有针对扑翼运动特性和风洞实验要求而进行专门设计的，存在以下问题：第一，无法实现不更换机构器件就调整扑动幅度的功能；第二，缺乏扑动角反馈，对扑动频率的控制精度较差；第三，难以保证扑动角和输入输出功率等测量量的实时性和同步性。这些问题从硬件架构方面制约了扑翼气动研究的精度和普适性。

发明内容

本发明提供了一种用于扑翼实验的驱动装置，该装置能够实现对扑动幅度和扑动频率的精确调节和控制，同时能够实现对机构的扑动角度和输入输出功率的实时测量，有助于进一步提高扑翼的实验能力和实验精度。

本发明的技术解决方案是：

一种用于微型扑翼实验的驱动装置，包括电机、机架、输出盘、连杆、摇臂、连接器、角度传感器、支架和扑翼安装座；

其特殊之处在于：

所述电机的机壳与机架固连，电机的枢轴与输出盘沿旋转轴线固连，连杆分别与输出盘和摇臂铰接，将电机的转动转换为摇臂的上下扑动；左、右的摇臂之间通过齿轮啮合实现传动，连接器分别与摇臂和角度传感器固连，将摇臂的扑动动作传入角度传感器；支架的一端和机架固连，扑翼安装座与支架的另一端固连，该扑翼安装座与摇臂一起实现与扑翼的连接。

上述摇臂的一端为圆心角小于180°的齿轮结构，另一端为柱状方体结构，端面上有一个安装孔，用于与扑翼之间的插接，并且在上下表面集成了一体式的转矩传感器；

上述齿轮结构为一种“双层齿轮”构型，由两层相同规格的齿轮相互交错叠联而成，以增加传动的平稳性；

上述转矩传感器由电阻应变片构成，通过在摇臂的上下表面各贴1片或2片电阻应变片，构成惠斯通半桥或全桥，实现对摇臂的输出转矩的测量。

上述电机为一种伺服电机，通过闭环控制实现对转速的精确控制，并且能够实时反馈其工作电压和电流；

上述输出盘的盘面上安置有多个螺纹连接孔，它们在盘面上由内向外呈螺旋状分布，每个连接孔距盘中心的距离都不同，用于调节驱动机构的扑动幅度；

上述角度传感器是机械式的接触性角度传感器或是电磁式、光电式的非接触性角度传感器。

本发明的优点在于：

本发明采用闭环控制的伺服电机作为驱动电机，能够实现对输出转速的精确控制，从而实现对驱动机构的扑动频率的准确控制，并且由于电机内部自带有无回差的行星齿轮减速器，因而无需额外增加减速器，大大增加了本发明在运行中的可靠性；

本发明采用输出盘代替传统四连杆机构上的曲柄，并在盘面上布置多个与盘中心距离不同的螺纹连接孔，输出盘通过这些螺纹连接孔与连杆铰接，不同的连接孔对应不同的扑动幅度，因而能够在不更换零部件的情况下简单快捷的实现对扑动幅度的调节；

本发明采用具有“双齿轮”结构的摇臂，使两个摇臂之间的啮合传动更加平稳，而且这种传动能够保证左右摇臂的扑动动作完全对称。

本发明增加了角度传感器和摇臂上的转矩传感器，角度传感器能够实时测量摇臂的运动位置，即能够得到扑翼的实时扑动角度，并通过简单的差分计算便能够得到扑翼的扑动角速度和角加速度；转矩传感器能够测量摇臂的输出转矩，配合角度传感器测得的角速度能够计算出摇臂的输出功率；另外由于电机能够实时反馈其输入电流和电压，因而能够直接测量驱动机构的输入功率；因此，本发明能够实时测量扑翼的扑动角度、角速度和角加速度，同时还能够同步测量机构的输入功率和输出功率。

附图说明

附图1为本发明结构示意图；