[发明专利]一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器

说明书

本发明公开了一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，该扑翼飞行器由机身、齿轮传动系统、空间五杆机构、两侧机翼和尾翼机构所组成。直流电机驱动齿轮传动系统，经过减速增矩的力再输入到空间五杆机构依次带动连杆一、连杆二、连杆三和连杆四，然后由于空间五杆机构中柔性球副的作用，两侧机翼做有规律的8字型运动；空间五杆机构中的连杆四又作为摇杆带动机翼连杆一，从而实现折翼运动；尾翼由两个步进电机驱动，从而实现该扑翼飞行器的俯仰和转向。本发明具有整体质量轻、驱动原动件少、能都实现扑动‑扭转‑挥摆‑折叠耦合的仿自然鸟类扑翼飞行器，同时兼顾飞行效率高和实用性高的特点。

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体为一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器是一种新型微型飞行器，它具有极高的灵活性和高效率性，并有广泛的应用前景。扑翼飞行器只需用一个特殊路径的扑动就能产生飞行所需的推力和升力，因此气动特性比固定翼和旋翼飞行器高出很多。扑翼飞行器依靠尾巴或者翅翼调整机身的重心从而达到转向和升降，相比较固定翼和旋翼的方式更迅速。然而，扑翼飞行器的发展较为晚，此前大多数都是以大自然中的鸟类作为参考，但是目前为止，鸟类的气动特性还不是很明确。扑翼飞行器在非定常低雷洛数环境中飞行，这极大地造成了研究的难度。结构上面，扑翼飞行器在满足设计和安装要求下，要尽可能紧凑、有效，这也是目前的挑战之一。专利(CN201821642577.2)采用带传动作为主力矩传输方式，由于带传动传动比不准确，在扑翼飞行器扑动中容易产生较大的振动，且效率不高。专利(CN201910815338.5)的齿轮布置导致机身迎风面积增大，风阻也同时增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，通过完整仿照鸟类的飞行行为，实现扑-摆-扭-折四运动耦合，极大地提高扑翼飞行器的推力和升力效率，并由尾翼机构控制扑翼飞行器的俯仰和转向；能通过一些危险区域、封闭空间、救灾现场等环境较为复杂，甚至旋翼无人机也难以完成任务的地方；明具有刚柔耦合、整体质量轻的结构特点；扑-摆-扭-折四运动耦合提高了扑翼飞行器效率的运动特点；与大中型鸟类翅翼飞行模式较接近的仿生特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种刚柔耦合的空间五杆扑翼飞行器，包括机身、两侧机翼机构、空间五杆机构、齿轮传动系统、尾翼机构组成，所述机身包括机身机架、增加机身结构强度的前支撑圆框和后支撑圆框。

优选的，所述齿轮传动系统包括直流电机、直齿轮一、直齿轮二、锥齿轮一、锥齿轮二、齿轮轴一和齿轮轴二，所述直流电机以与机身平行的方向固定在机身机架上，所述直流电机的输出端连接所述锥齿轮一，所述锥齿轮一的一侧安装所述锥齿轮二，所述锥齿轮二固定在所述齿轮轴一，所述直齿轮一通过过盈配合固定在所述齿轮轴一上，所述直齿轮一与所述直齿轮二齿合，所述直齿轮二通过过盈配合固定在所述齿轮轴二上，所述齿轮轴二通过所述机身机架上的轴孔进行铰接。上通过锥齿轮一和锥齿轮二将力矩传输方向改变，再由直齿轮一和直齿轮二进一步将力矩输出到空间五杆机构上，其中锥齿轮二和直齿轮一通过过盈配合在齿轮轴一上，直齿轮二固定在齿轮轴二上。

优选的，所述空间五杆机构包括连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、柔性球副，所述连杆一的一端和所述齿轮轴二固连，所述连杆一的另一端与所述连杆二的一端在一个平行方向铰接，所述连杆二的另一端与所述连杆三的一端在一个垂直方向铰接，所述连杆一、所述连杆二、所述连杆三和所述连杆四形成空间机构，所述连杆三的另一端再与所述连杆四的中部段位置在一个平行方向铰接，所述连杆四的根部端与柔性球副的一端固连，所述柔性球副的另一端固定在所述机身机架上。

优选的，所述两侧机翼机构包括机翼连杆一、机翼连杆二、机翼连杆三和翼面支撑杆，所述机翼连杆一的一端固定在所述空间机构的所述连杆四上，所述机翼连杆一的另一端与所述机翼连杆二铰接，所述机翼连杆二与所述机翼连杆三的一端铰接，所述机翼连杆三的另一端铰接在所述空间机构的所述连杆三的中部段位置。