(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN102862677A (43)申请公布日2013.01.09 (21)申请号201210346696.4 (22)申请日2012.09.18 (71)申请人东南大学 地址210096江苏省南京市四牌楼2号 (72)发明人宋光明葛剑张军乔贵方 孙洪涛 (74)专利代理机构南京天翼专利代理有限责任 公司32112 代理人汤志武 (51)1nt.Cl. B6403300(2006.01) B64C3302(2006.01) B64C900(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图6页 (54)发明名称 一种双翼式微型仿生扑翼机 (57)摘要 一种双翼式微型仿生扑翼机，包括驱动机构、 双扑翼机构、尾翼机构及主臂，驱动机构连接在主 臂的正前端，双扑翼机构位于主臂的正上方，尾翼 机构连接在主臂的正后端。驱动机构包括菱形支 架、微型直流电机、齿轮减速机构和两个曲柄连杆 机构，双扑翼机构包括两个对称扑翼架、四根扑翼 安装杆和上下两层扑翼，尾翼机构包含电磁舵、尾 翼和摆翼。微型直流电机通过齿轮减速机构和曲 柄连杆机构拉动两个扑翼架上下运动，实现仿生 扑翼。尾翼机构中的电磁舵通过改变电流方向来 控制摆翼左右摆动，从而控制扑翼机的飞行方向
CN102862677A 权利要求书 1/1页 1.一种双翼式微型仿生扑翼机，其特征是包括驱动机构、双扑翼机构、尾翼机构及主 臂，驱动机构连接在主臂的正前端，双扑翼机构位于主臂的正上方，尾翼机构连接在主悬臂 的正后端，其中： 驱动机构包括菱形支架、微型直流电机、齿轮减速机构、两个连杆机构和两根扑翼架： 将菱形支架竖立，定义其四个顶点分别为上顶点、下顶点、左顶点、及右顶点，上、下顶点及 左、右顶点之间均设有支撑梁，上顶点与两支撑梁交点之间的连线为中轴线，左、右顶点分 列于中轴线两侧并对称，两支撑梁交点与下顶点之间的连线与中轴线的延长线之间设有倾 斜角，两支撑梁的交点处设有通孔，微型直流电机固定在菱形支架背面两支撑梁的交点处， 其输出轴穿过通孔后于菱形支架的正面套接一驱动齿轮，该驱动齿轮与一减速齿轮啮合， 减速齿轮的转轴铰支连接在下顶点处，在菱形支架的左、右顶点处分别设置转轴，两转轴上 分别设有左右两个同步齿轮且两同步齿轮相互啮合，设置一个与减速齿轮同轴、位于减速 齿轮外侧的小齿轮，该小齿轮与近侧的一个同步齿轮啮合：两根扑翼架尺寸相同，将两根扑 翼架在中点处交叉叠合并通过一转轴穿过两根扑翼架铰支连接在菱形支架的上顶点处，两 根扑翼架相对运动的交叉叠合段部分为对称的镶嵌设置，且相互滑动配合；在左右两个同 步齿轮上的对称位置各设有左右两个偏心的铰支轴，分别铰支连接左右两根连杆的一端， 左连杆的另一端铰支连接在与左同步齿轮同侧的一根扑翼架左端设置的铰支轴上，右连杆 的另一端铰支连接在与右同步齿轮同侧的另一根扑翼架右端设置的铰支轴上； 双扑翼机构包括四片相同的扇形扑翼及四根扑翼安装杆，扇形扑翼的两侧边互相垂 直，四片扇形扑翼的一条侧边分别固定连接在四根扑翼安装杆上，四片扇形扑翼的另一条 侧边分别两两并接在各一根主轴上，四根扑翼安装杆分别与位于上顶点左右两侧的四段扑 翼架固定连接，构成一对对称上扑翼和一对下扑翼，两主轴后端均设有钩环； 尾翼机构包括水平尾翼及垂直尾翼、垂直尾翼真立设置在水平尾翼平面的中心线上， 中心线两侧的水平尾翼对称，垂直尾翼分为两段，前段为固定翼，与水平尾翼平面固定连 接，后段为摆翼，与固定翼之间通过环形铰链连接并与水平尾翼平面之间滑动配合，在固定 翼上设有电磁舵，电磁舵的输出分别通过位于固定翼两侧的两根连杆分别连接在摆翼的两 侧面上； 主臂的前端垂直固定连接在菱形支架背面上顶点下方的槽孔中，主臂的后端与尾翼机 构固定连接，位于尾翼机构前端的主臂上设有挂钩，与四片扇形扑翼另一条侧边后端的钩 环套接。 2.根据权利要求1所述的双翼式微型仿生扑翼机，其特征是菱形支架的左顶点及右 顶点与支撑梁交点之间，三点为一条直线或支撑梁交点与左顶点及右顶点之间为对称的折 线。 3.根据权利要求1所述的双翼式微型仿生扑翼机，其特征是菱形支架的两支撑梁交点 与下顶点之间的连线与中轴线的延长线之间倾斜角为5度。 4.根据权利要求1所述的双翼式微型仿生扑翼机，其特征是两根扑翼架均为直线或在 中点处折弯，左右两段上倾
CN102862677A 说明书 1/4页 一种双翼式微型仿生扑翼机 技术领域 [0001] 本发明属于微型仿生飞行器领域，特别涉及一种双翼式微型仿生扑翼机。 背景技术 [0002]自然界中，鸟类或昆虫的扑翼式飞行方式可以实现快速的起飞、加速和悬停，具有 高度的机动性和灵活性。生物的飞行方式根据扑动的频率主要分为三种：低频扑动方式、中 频扑动方式以及高频扑动方式。扑翼飞行器因本身的飞行性能和使用目的等原因，在模型、 军事、航空等行业的发展上越来越重要。仿生类的扑翼飞行器的研究主要分为利用微机械 (MEMS)技术的扑动和机械式扑动。基于MEMS技术的扑翼机可以使机体轻量化，达到真正意 义上的仿生效果，但其成本较大，技术不够成熟。传统的机械式扑翼机具有成本低、制造技 术成熟的优势，但其结构复杂并且能耗较大，相比于通过微机械加工的扑翼机，往往质量偏 大。当前微型扑翼机研究的主要问题是：如何减小机体重量和体积，如何增加升力以及姿态 控制。 [0003]目前，常见的微型仿生扑翼机的设计中存在着以下一些常见的问题：(1)扑翼运 动不对称。相当多的微型扑翼机采用滑块机构或者不对称连杆机构实现扑翼运动，这种设 计具有机构简单的优点，却大大增加了后期控制在保持平衡方面的复杂度。(2)单扑翼结 构。在己公布的专利中，微型扑翼机的设计多以左右两片扑翼的上下扑动来实现飞行，升力 有限。查阅相关文献，现有的采用机械式扑动并且成功开发的微型扑翼机的机身重量多在 20g以下，翼展25cm左右。在机构、电池、电路板和电气元件的总重量较重时，这种单扑翼结 构的扑翼机只能够依靠增加扑翼面积来提高升力，这大大增加了微型扑翼机的体积，不符 合微型扑翼机轻量化、微型化的发展趋势。(3)转向控制。查阅相关专利，绝大多数的微型 扑翼机利用舵机拉动摆翼来实现机身的转向。这种设计存在两个明显的缺陷：1)舵机的质 量偏大，最轻的微型舵机的质量也在3g以上，这对于以20g标准设计的微型扑翼机来说，是 个不小的负担：2)舵机的灵敏度较低，在转向控制上易造成响应的延时，在地形复杂地区飞 行时，这种响应的延时容易造成机身的损毁。 发明内容 [0004]本发明的耳的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种双翼式微型仿生扑 翼机。该双翼式微型仿生扑翼机可以实现完全对称的扑翼运动，结构简单紧凑，采用双扑翼 式结构设计增加升力，利用电磁舵拉动尾翼调节飞行方向，减轻质量的同时增加了转向灵 敏度。 [0005] 本发明是通过以下技术方案实现的： [0006] 一 种双翼式微型仿生扑翼机，其特征是包括驱动机构、双扑翼机构、尾翼机构及主 臂，驱动机构连接在主臂的正前端，双扑翼机构位于主臂的正上方，尾翼机构连接在主臂 的正后端，其中： [0007]驱动机构包括菱形支架、微型直流电机、齿轮减速机构、两个连杆机构和两根扑翼
CN102862677A 说明书 2/4页 架；将菱形支架竖立，定义其四个顶点分别为上顶点、下顶点、左顶点、及右顶点，上、下顶点 及左、右顶点之间均设有支撑梁，上顶点与两支撑梁交点之间的连线为中轴线，左、右顶点 分列于中轴线两侧并对称，两支撑梁交点与下顶点之间的连线与中轴线的延长线之间设有 倾斜角，两支撑梁的交点处设有通孔，微型直流电机固定在菱形支架背面两支撑梁的交点 处，其输出轴穿过通孔后于菱形支架的正面套接一驱动齿轮，该驱动齿轮与一减速齿轮啮 合，减速齿轮的转轴铰支连接在下顶点处，在菱形支架的左、右顶点处分别设置转轴，两转 轴上分别设有左右两个同步齿轮且两同步齿轮相互啮合，设置一个与减速齿轮同轴、位于 减速齿轮外侧的小齿轮，该小齿轮与近侧的一个同步齿轮啮合：两根扑翼架尺寸相同，将两 根扑翼架在中点处交叉叠合并通过一转轴穿过两根扑翼架铰支连接在菱形支架的上顶点 处，两根扑翼架相对运动的交叉叠合段部分为对称的镶嵌设置，且相互滑动配合：在左右两 个同步齿轮上的对称位置各设有左右两个偏心的饺支轴，分别铰支连接左右两根连杆的一 端，左连杆的另一端铰支连接在与左同步齿轮同侧的一根扑翼架左端设置的铰支轴上，右 连杆的另一端铰支连接在与右同步齿轮同侧的另一根扑翼架右端设置的铰支轴上： [0008]双扑翼机构包括四片相同的扇形扑翼及四根扑翼安装杆，扇形扑翼的两侧边互相 垂直，四片扇形扑翼的一条侧边分别固定连接在四根扑翼安装杆上，四根扑翼安装杆分别 与位于上顶点左右两侧的四段扑翼架固定连接，构成一对对称上扑翼和一对下扑翼，四片 扇形扑翼的另一条侧边的后端均设有钩环； [0009]尾翼机构包括水平尾翼及垂直尾翼、垂直尾翼真立设置在水平尾翼平面的中心线 上，中心线两侧的水平尾翼对称，垂直尾翼分为两段，前段为固定翼，与水平尾翼平面固定 连接，后段为摆翼，与固定翼之间通过环形铰链连接并与水平尾翼平面之间滑动配合，在固 定翼上设有电磁舵，电磁舵的输出分别通过位于固定翼两侧的两根连杆分别连接在摆翼的 两侧面上； [0010]主臂的前端垂直固定连接在菱形支架背面上顶点下方的槽孔中，主臂的后端与尾 翼机构固定连接，位于尾翼机构前端的主臂上设有挂钩，与四片扇形扑翼另一条侧边后端 的钩环套接。 [0011]所述菱形支架的左顶点及右顶点与支撑梁交点之间，三点可为一条直线也可以是 支撑梁交点与左顶点及右顶点之间为对称的折线。 [0012]所述菱形支架的两支撑梁交点与下顶点之间的连线与中轴线的延长线之间倾斜 角为5度。 [0013] 所述两根扑翼架均可为直线也可以是在中点处折弯，左右两段上倾。 [0014]本发明的优点及显着效果：结构简单紧凑，可以实现完全对称的扑翼运动。采用双 扑翼的结构设计代替传统的单扑翼设计，增加了飞行时所需的升力。用固定翼飞行模型上 广泛使用的电磁舵代替传统舵机来进行转向控制，不仅减轻了机身的重量，也增加了转向 灵敏度。该双翼式微型仿生扑翼机可在模型、监控、情报搜集、灾难搜救等领域使用。 附图说明 [0015] 图1是本发明的总体结构示意图； [0016]图2是本发明的驱动机构示意图： [0017]图3是本发明驱动机构中的菱形支架示意图：
CN102862677A 说明书 3/4页 [0018] 图4是本发明的双扑翼机构示意图： [0019] 图5是本发明中由两片扑翼构成一对上扑翼的示意图： [0020] 图6是本发明的尾翼机构示意图： [0021] 图7是本发明的主臂结构及前、后连接示意图： [0022] 图8是本发明的扑翼动作分解图。 具体实施方式 [0023]下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。 [0024] 如图1所示，双翼式微型仿生扑翼机包括驱动机构1、双扑翼机构2、尾翼机构3及 主臂（图中看不见），驱动机构连接在主臂的正前端，双扑翼机构位于主臂的正上方，尾翼机 构连接在主臂的正后端。 [0025]参看图2、3，驱动机构包括菱形支架、微型直流电机、齿轮减速机构、两个连杆机构 和两根扑翼架。将菱形支架104竖立，定义其四个顶点分别为上顶点（开有孔204）、下顶点 (开有孔209)、左顶点（开有孔201）、及右顶点（开有孔208），上、下顶点及左、右顶点之间均 设有支撑梁，上顶点孔204与两支撑梁交点处孔207之间的连线为中轴线，左、右顶点分列 于中轴线两侧并对称，两支撑梁交点处孔207与下顶点孔209之间的连线与中轴线的延长 线之间设有右倾斜角5°。左顶点及右顶点与支撑梁交点之间，三点可为一条直线也可以如 图2所示为对称的折线。微型直流电机110通过按装孔202、203固定在菱形支架背面，其 输出轴穿过孔207后于菱形支架的正面套接驱动齿轮111并与减速齿轮108啮合，减速齿 轮108的转轴铰支连接在下顶点孔209处。在菱形支架的左、右顶点孔处分别设置转轴，两 转轴上分别设有左右两个同步齿轮101、107且两同步齿轮相互啮合，设置一个与减速齿轮 108同轴、位于减速齿轮外侧的小齿轮109，该小齿轮与近侧的右同步齿轮107啮合。由于 下顶点孔209设有右倾斜角5°保证了小齿轮109与同步齿轮107啮合的同时不与另一个 同步齿轮101碰撞。两根扑翼架103、105尺寸相同，将两根扑翼架在中点处交叉叠合并通 过一转轴穿过两根扑翼架铰支连接在菱形支架的上顶点孔204处。两根扑翼架相对运动 的交叉叠合段部分可通过对称的活口，扑翼架103和105相互镶嵌，相互滑动配合，以保证 两根扑翼架在同一垂直平面内相对运动。两根扑翼架可为直线也可以是如图2在中点处折 弯，左右两段上倾。112为扑翼架105上的加强筋，有效增强扑翼架的强度，扑翼架103上分 布相同的加强筋（未示出）。在左右两个同步齿轮上的对称位置各设有左右两个偏心的铰支 轴，分别铰支连接左右两根连杆102、106的一端，左连杆102的另一端铰支连接在与左同步 齿轮101同侧的扑翼架103左端设置的铰支轴113上，右连杆106的另一端铰支连接在与 右同步齿轮107同侧的扑翼架105右端设置的铰支轴114上。 [0026]参看图4、5，双扑翼机构包括四片相同的扇形扑翼（薄膜材料，面积100-120cm2) 及四根扑翼安装杆，四片扇形扑翼的一条侧边分别固定连接在四根扑翼安装杆301、302、 303、304上（长度100-120m),四根扑翼安装杆分别与位于上顶点左右两侧的四段扑翼架 (长度20-25mm)固定连接，其连接结构可采用将四根扑翼安装杆前段（无扇面段）以插接方 式分别伸入四段扑翼架外端的槽孔过盈配合固定（插入5-10mm)。四片扇形扑翼的另一条侧 边两两并接在一根轴上，构成一对对称的上扑翼308及另一对对称的下扑翼307。以上扑翼 308为例说明（图5），两片相同的扇形扑翼的一条侧边分别固定在两根扑翼安装杆302、304
CN102862677A 说明书 4/4页 上，两片相同的扇形扑翼的另一条垂直侧边之间并接在中心轴305上（轴长80-120mm),上 扑翼308上设有6根加强筋401，中心轴305后端均设有钩环306。扑翼安装杆302、304分 别伸入扑翼架105、103的外端槽孔过盈配合。同理，下扑翼307为同样结构，这样，上、下扑 翼的前端被分别固定。上扑翼308的中心轴305末端的钩环306扣在主臂601的挂钩602 上，下扑翼307也以相同的结构固定在挂钩602上，上、下扑翼307、308被完全固定，且可以 随着扑翼架103、105产生上下周期性扑翼式运动。 [0027]如图6，尾翼机构包括水平尾翼及垂直尾翼、垂直尾翼真立设置在水平尾翼平面的 中心线上，中心线两侧的水平尾翼504、507对称，垂直尾翼分为两段，前段为固定翼501，与 水平尾翼平面固定连接，后段为摆翼506，与固定翼之间通过上下两个环形铰链505、509连 接并与水平尾翼平面之间滑动配合，在固定翼上设有电磁舵502，电磁舵的输出分别通过位 于固定翼两侧的两根连杆503、508分别连接在摆翼506的两侧面上。通过电磁舵502内电 流流通的方向，电磁舵502可以产生左右两个不同方向的转动，然后通过连杆503和508拉 动摆翼506绕环形铰链505、509旋转，从而改变机体的运动方向。 [0028]如图7，主臂601的前端垂直固定连接在菱形支架104背面上顶点下方的槽孔205 中（见图3），主臂601的后端与尾翼机构固定连接，主臂上设有挂钩602，与上扑翼308、下扑 翼307后端的钩环套接在一起，起固定扑翼的作用。 [0029]本发明的工作过程及实施参数：当微型直流电机110通电后(3.7V额定电压下转 速为20000r/min,质量为2.3g),其转轴输出通过驱动齿轮111与大齿轮108啮合构成一级 减速传动（减速比8：1），再通过同轴的小齿轮109与同步齿轮107啮合构成二级减速传动 (减速比4：1)，另一同步齿轮101与同步齿轮107啮合同步转动（两同步齿轮均为48齿，转 动频率都为11Hz左右)，位于两同步齿轮上的偏心连杆106、102分别拉动两扑翼架105、103 上下周期性的相对运动，从而形成对称的扑翼运动形态，整个扑翼机的拍翅频率也为11Hz, 属于低频扑动的方式。整个微型仿生扑翼机的加工材料除驱动机构为尼龙材料，其余为碳 纤维，重量为18g左右，长度为12cm左右，翼展为15cm,可携带如0V7670等微型摄像头进行 搜救、监控等工作。 [0030]图8为扑翼机的扑翼动作分解图。选取了微型仿生扑翼机的四个典型状态来代表 一个完整的扑翼周期。初始状态如(1)所示，此时上下两扑翼的夹角最小，为24.5°。之 后齿轮和连杆组成的曲柄连杆机构带动连杆向下运动，连杆拉动扑翼架向下运动，扑翼架 通过扑翼安装杆拉动扑翼，两翼之间的夹角增加，如状态(2)所示。在状态(3)中，连杆运 动到最低端，两翼的夹角达到最大，为87.5°。之后齿轮和连杆组成的曲柄连杆机构推动 连杆向上运动，两个连杆分别推动两个扑翼安装架向上运动，两翼的夹角开始减小，如状态 (4)所示，最终恢复到状态(1)，完成一个扑翼周期。在整个运动过程中，扑翼的运动是完全 对称的
CN102862677A 说明书附图 1/6页 000是 00000 图1
CN102862677A 说明书附图 2/6页 104 103 105 113 114 102 110 111 106 101 o 102 AAPm A风7 WAAAA 109 108 图2
CN102862677A 说明书 附图 3/6页 204 205 203 207 202 201 208 209 图3 9
CN102862677A 说明书附图 4/6页 308 305 602 306 307 302 30L 103 105 303 304 图4 304 302 401/ 306 305 图5 10