[发明专利]一种基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构

说明书

一种基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构，包括上底座和下底座，上底座上安装有8520空心杯电机、驱动齿轮、双联齿轮和带曲柄齿轮；下底座上安装有第一连杆、Z形左/右连杆、第三连杆和第四连杆，第四连杆的另一端上固定有翅翼前缘主轴。除电机、支撑柱、齿轮、轴承、铜轴套、T形针、齿轮碳杆轴和齿轮钢轴外，其余零件均使用树脂或尼龙材料通过3D打印方式获得，质量非常轻便，为设计质量30g以下且运动灵活的扑翼无人飞行器提供技术基础，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。通过二级齿轮减速将电机的高转速转换为驱动扑翼扑动的合适速度，并通过双摇杆机构，来增大扑动幅值，最终可以达到接近145°的扑动幅值。

技术领域

本发明涉及一种仿生飞行器的驱动机构，属于无人飞行器技术领域或机器人领域。

背景技术

近年来，随着电子元器件的小型化以及对无人机应用不断增大的需求，扑翼无人飞行器的研究逐渐引起了越来越多的关注。扑翼无人飞行器可以应用在很多领域，尤其是对于灵活性要求比较高的场合，如远距离军事侦察、恐怖分子监视等，在仿生领域更是具有很重要的科研价值，设计出一款能像鸟或者昆虫一样飞行的飞行器一直是人类的梦想。

在扑翼无人飞行器的设计中，驱动机构的设计是其中最为重要的一环。扑翼无人飞行器的设计很多，尺寸和重量也不一，从只有80mg重的RoboBee^[1]到450g重的SmartBird^[2]等。但是超小型和超大型的扑翼无人飞行器很难应用于实际场合，而10～30g重的扑翼无人飞行器由于其轻便，且对环境(如风力)有一定的适应性，所以在实际中应用更为广泛，该类扑翼无人飞行器的研究以仿蜂鸟扑翼无人飞行器为主。

在驱动机构的设计方面，主要有2种传动方式：绳传动方式^[3-5]和连杆传动方式^[6-8]。绳传动方式较容易实现扑动幅值的控制，且可以利用clap and fling效应^[9]提高扑动过程中产生的升力，但是绳传动过程中容易对绳进行磨损，对绳有较高要求，而且不易更换；因此，要保证机构具有良好的可更换性，且真正可以应用到实际任务中，采用连杆传动方式是比较好的选择。

国内外研究现状如下所述。国内基于连杆传动方式的仿蜂鸟式扑翼研究已公开专利包括：上海交通大学的仿蜂鸟扑翼微飞行器，其申请号为CN201210282453、公开号为CN102815399A；上海交通大学的锥齿轮四翼式扑翼驱动机构，其申请号为CN201220146189、公开号为CN202717032U；西北工业大学的差动变幅扑翼驱动机构以及驱动方法，其申请号为CN201510745937、公开号为CN105197240A；西北工业大学的一种三维扑动的扑翼驱动机构，其申请号为CN201410716037、公开号为CN104477383A。国外的相似研究列举如下，比利时布鲁塞尔自由大学的AndréPreumont等人采用连杆机构搭建了Colibri样机^[7-8]，扑动幅值为120°，总重22g；韩国建国大学的Hoon Cheol Park、Hoang VuPhan等人则采用绳传动机构搭建了KUBeetle样机^[4]，总重21g。

传统的连杆驱动机构虽然由于其机构的鲁棒性更能适应实际任务，但是其运动过程中的扑动幅值一般都比较小，这在一定程度上限制了扑翼无人飞行器所能产生的升力。

发明内容

本发明的目的是解决传统连杆驱动机构存在扑动幅值较小而限制了升力提高的问题，提出一种新型的基于连杆机构的仿蜂鸟扑翼无人飞行器的驱动机构。本发明在原有连杆驱动机构的基础上进行了机构的合理组合和尺寸的优化设计，使得在满足高速连杆机构传动角大于50°的条件下，仍能达到接近145°的扑动幅值。

本发明的技术方案如下：