(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号CN102211665B (45)授权公告日2013.05.08 (21)申请号201010140927.7 侯宇等.微型扑翼飞行器虚拟设计与飞行 (22)申请日2010.04.07 仿真系统开发.《武汉科技大学学报（自然科学 版)》.2008，第31卷（第1期），99-103. (73)专利权人上海工程技术大学 朱保利等.一种新型三维仿生扑翼机构设计 地址201620上海市松江区龙腾路333号 与分析.《南京航空航天大学学报》.2007，第39 (72)发明人胡盛斌陆文华张思全曹达敏 卷（第4期），457-460. (74)专利代理机构上海科盛知识产权代理有限 审查员王荣 公司31225 代理人赵志远 (51)1nt.C. B64033/00(2006.01) B64C33/02(2006.01) (56)对比文件 CN201354147Y,2009.12.02, CN201354146Y,2009.12.02, CN101049858A,2007.10.10, KR10-2006-0030317A.2006.04.10, 权利要求书1页说明书4页附图2页 (54)发明名称 种微型仿蜻蜓双扑翼飞行器 (57)摘要 本发明涉及一种微型仿蜻蜓双扑翼飞行器。 该飞行器主要由机架、前后扑翼系统组成。小齿 轮(17)和大齿轮(16)啮合传动，大齿轮(16)通 10 过传动轴(15)和转轮(14)以一个可调节的夹角 (36)固连，大齿轮(16)、连杆a(23)、带扇形齿轮 12 的前右摇杆(24)、Y型前支架(18)和转轮(14)、 连杆b(34)、带扇形齿轮的后右摇杆(33)、Y型后 支架(20)分别组成曲柄摇杆机构，前后扑翼系统 分别通过扇形齿轮啮合传动实现对称扑动。与现 有技术相比，本发明具有以简单紧凑的结构实现 单电机驱动双扑翼，前后扑翼系统的扑动均完全 一对称，且前后扑翼系统的扑动相位差可以根据需 虽要调整，以达到高度仿生蜻蜒的灵活扑动飞行等
CN102211665B 权利要求书 1/1页 1.一种微型仿蜻蜓双扑翼飞行器，其特征在于，主要由机架、前扑翼系统、后扑翼系统 组成：所述的机架主要由Y型前支架(18)、支撑梁(19)、Y型后支架(20)、外型主支架(21) 组成：所述的前扑翼系统主要由电机(4)、小齿轮(17)、大齿轮(16)、销轴a(22)、连杆a (23)、销轴c(26)、销轴b(25)、销轴d(27)、带扇形齿轮的前右摇杆(24)、带扇形齿轮的 前左摇杆(28)、前右扑翼(8)、前左扑翼(6)以及控制模块(3)、电池(7)组成；所述的后扑 翼系统主要由电机(4)、小齿轮(17)、大齿轮(16)、传动主轴(15)、转轮(14)、销轴h(35)、 连杆b(34)、销轴f(31)、销轴g(32)、销轴e(30)、带扇形齿轮的后右摇杆(33)、带扇形 齿轮的后左摇杆(29)、后右扑翼(9)、后左扑翼(5)以及控制模块(3)、电池(7)组成； 所述的机架的外型主支架(21)分别与Y型前支架(18)、Y型后支架(20)固定连接，支 撑梁(19)分别和Y型前支架(18)、Y型后支架(20)固定连接； 所述的传动轴(15)和大齿轮(16)固定连接，传动轴(15)和转轮(14)以沿传动轴(15) 周向调节夹角(36)大小的方式固连，传动轴(15)与Y型前支架(18)、Y型后支架(20)通过 转动副连接，小齿轮(17)固连在电机(4)的转轴上，小齿轮(17)与大齿轮(16)啮合传动； 所述的销轴a(22)、大齿轮(16)、传动轴(15)、转轮(14)、销轴h(35)固连形成夹角 (36),转轮(14)和传动轴(15)的固连可以沿传动轴(15)周向调节以改变夹角(36)的大小， 用于改变前后扑翼的扑动相位差； 所述的大齿轮(16)通过销轴a(22)与连杆a(23)以转动副连接，连杆a(23)通过 销轴c(26)与带扇形齿轮的前右摇杆(24)以转动副连接，带扇形齿轮的前右摇杆(24)通 过销轴b(25)与Y型前支架(18)以转动副连接，前右扑翼(8)和带扇形齿轮的前右摇杆 (24)固连： 所述的带扇形齿轮的前右摇杆(24)和带扇形齿轮的前左摇杆(28)通过扇形齿轮啮合 传动，带扇形齿轮的前左摇杆(28)通过销轴d(27)与Y型前支架(18)以转动副连接，前左 扑翼(6)和带扇形齿轮的前左摇杆(28)固连； 所述的转轮(14)通过销轴h(35)与连杆b(34)以转动副连接，连杆b(34)通过销 轴∫(31)与带扇形齿轮的后右摇杆(33)以转动副连接，带扇形齿轮的后右摇杆(33)通过 销轴g(32)与Y型后支架(20)以转动副连接，后右扑翼(9)和带扇形齿轮的后右摇杆(33) 固连； 所述的带扇形齿轮的后右摇杆(33)和带扇形齿轮的后左摇杆(29)通过扇形齿轮啮合 传动，带扇形齿轮的后左摇杆(29)通过销轴e(30)与Y型后支架(20)以转动副连接，后左 扑翼(5)和带扇形齿轮的后左摇杆(29)固连
CN102211665B 说明书 1/4页 一种微型仿蜻蜓双扑翼飞行器 技术领域 [0001]本发明涉及一种扑翼飞行器，尤其涉及一种微型仿蜻蜓双扑翼飞行器。 背景技术 [0002]扑翼的飞行方式广泛存在于自然界飞行生物的飞行之中，扑翼飞行囊括了固定翼 飞行和旋翼飞行的优点，可以快速的起飞、加速和悬停，具有高度机动性和灵活性。飞行生 物的飞行方式大致可以分为三类：低频率的扑动飞行，如许多大型鸟类（鹰、鹭、大雁、海 鸥、天鹅等)，翼展较长较大，扑动频率较低，从零到数十赫兹不等，采用低频率的扑动和滑 翔相结合的扑动形式：中频的扑动飞行，主要为体形中等的鸟类（如燕子、麻雀、鸽子等）， 翅膀不太大，扑动频率相对较高，极少采用滑翔方式：高频的扑动飞行，这种飞行方式是采 用频率极高、翅膀的运动规律复杂的扑翼形式，如蜂鸟及体形更小的鸟类和大多数昆虫，扑 动频率约为60~80赫兹，能够在空中实现前进、后退、悬停和其它一些高难度的机动飞行。 [0003] 微型仿生扑翼飞行器（一般10cm以内)，在应用技术上它超出了传统的飞行器设 计和空气动力学的研究范畴，同时开创了微机电系统技术(EMS)在航空领域的应用。设计 和制造具有良好动力学特性的高效微型仿生扑翼飞行器是目前非常富有挑战性的研究难 题。 [0004]目前，一般微型仿生扑翼飞行器大部分仅仅依靠一对扑翼产生升力和推力，效率 较低，飞行不够灵活。而仿蜻蜒的双扑翼飞行：一方面，其前后扑翼系统的左右扑动是对称 扑动，并且前后扑翼系统是根据一个可调的相位差扑动，从而实现灵活的飞行。另一方面， 扑动频率较快，可达6080赫兹，而一般的微型直流电机额定转速为300-400转/秒左 右，故减速比在4~7左右，完全可以由尺寸较小的一级齿轮传动实现。专利C200942872Y 提供了一种仿蜻蜒双扑翼飞行器，但该专利所提供的仿蜻蜒双扑翼飞行器的缺陷非常明 显：一方面，其前后扑翼系统的左右扑翼扑动完全不对称，左（右）扑翼向上扑动的同时右 (左)扑翼却向下扑动，且其前后扑翼系统是完全反向扑动，造成飞行器飞行稳定性很差， 甚至不能有效飞行。另一方面，该专利不是针对微型飞行器设计的，其采用多级齿轮传动， 布局体积较大，结构较笨重，不利于微型化。 发明内容 [0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种以简单紧凑的结 构实现单电机驱动双扑翼，前后扑翼系统的左右扑动均完全对称，且前后扑翼系统的扑动 相位差可以根据需要调整的微型仿蜻蜒双扑翼飞行器。 [0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种微型仿蜻蜓双扑翼飞行器，其 特征在于，主要由机架、前扑翼系统、后扑翼系统组成：所述的机架主要由Y型前支架18、支 撑梁19、Y型后支架20、外型主支架21组成；所述的前扑翼系统主要由电机4、小齿轮17、 大齿轮16、销轴a22、连杆a23、销轴c26、销轴b25、销轴d27、带扇形齿轮的前右摇杆24、带 扇形齿轮的前左摇杆28、前右扑翼8、前左扑翼6以及控制模块3、电池7组成：所述的后扑
CN102211665B 说明书 2/4页 翼系统主要由电机4、小齿轮17、大齿轮16、传动主轴15、转轮14、销轴h35、连杆b34、销轴 f31、销轴g32、销轴e30、带扇形齿轮的后右摇杆33、带扇形齿轮的后左摇杆29、后右扑翼9、 后左扑翼5以及控制模块3、电池7组成。 [0007]所述的机架的外型主支架21分别与Y型前支架18、Y型后支架20固定连接，支撑 梁19分别和Y型前支架18、Y型后支架20固定连接。 [0008]所述的传动轴15和大齿轮16固定连接，传动轴15和转轮14以沿传动轴15周向 调节夹角36大小的方式固连，传动轴15与Y型前支架18、Y型后支架20通过转动副连接， 小齿轮17固连在电机4的转轴上，小齿轮17与大齿轮16啮合传动。 [0009]所述的销轴a22、大齿轮16、传动轴15、转轮14、销轴h35固连形成夹角36，转轮 14和传动轴15的固连可以沿传动轴15周向调节以改变夹角36的大小，用于改变前后扑翼 的扑动相位差。 [0010]所述的大齿轮16通过销轴a22与连杆a23以转动副连接，连杆a23通过销轴c26 与带扇形齿轮的前右摇杆24以转动副连接，带扇形齿轮的前右摇杆24通过销轴b25与Y 型前支架18以转动副连接，前右扑翼8和带扇形齿轮的前右摇杆24固连。 [0011]所述的带扇形齿轮的前右摇杆24和带扇形齿轮的前左摇杆28通过扇形齿轮啮合 传动，带扇形齿轮的前左摇杆28通过销轴d27与Y型前支架18以转动副连接，前左扑翼6 和带扇形齿轮的前左摇杆28固连。 [0012]所述的转轮14通过销轴h35与连杆b34以转动副连接，连杆b34通过销轴f31与 带扇形齿轮的后右摇杆33以转动副连接，带扇形齿轮的后右摇杆33通过销轴g32与Y型 后支架20以转动副连接，后右扑翼9和带扇形齿轮的后右摇杆33固连。 [0013]所述的带扇形齿轮的后右摇杆33和带扇形齿轮的后左摇杆29通过扇形齿轮啮合 传动，带扇形齿轮的后左摇杆29通过销轴30与Y型后支架20以转动副连接，后左扑翼5 和带扇形齿轮的后左摇杆29固连。 [0014]与现有技术相比，本发明最显著特点是：通过单电机驱动双扑翼：前扑翼系统和 后扑翼系统的扑动均完全对称：前后扑翼系统的扑动相位差可以根据需要调整，以实现高 度仿生蜻蜒的灵活扑动飞行。以简单紧凑的结构实现复杂的双扑翼飞行运动，这点对于微 型飞行器尤为重要，符合微型飞行器的微型化方向。 附图说明 [0015]图1为本发明微型仿蜻蜒双扑翼飞行器整体结构示意图： [0016] 图2为本发明微型仿蜻蜓双扑翼飞行器机架结构示意图； [0017] 图3为本发明微型仿蜻蜒双扑翼飞行器前扑翼系统示意图（前视图）： [0018] 图4为本发明微型仿蜻蜒双扑翼飞行器后扑翼系统示意图（后视图）； [0019] 图5为本发明微型仿蜻蜒双扑翼飞行器前后扑翼扑动相位差调节系统示意图。 [0020] 图1中，标号表示内容如下：方向舵机1、升降舵机2、控制模块3、电机4、后左扑翼 5、前左扑翼6、电池7、前右扑翼8、后右扑翼9、垂直安定面10、方向舵11、水平安定面12、升 降舵13： [0021]图2中，标号表示内容如下：转轮14、传动轴15、大齿轮16、小齿轮17、Y型前支架 18、支撑梁19、Y型后支架20、外型主支架21；
CN102211665B 说明书 3/4页 [0022]图3中，标号表示内容如下：销轴a22、连杆a23、带扇形齿轮的前右摇杆24、销轴 b25、销轴c26、销轴d27、带扇形齿轮的前左摇杆28： [0023]图4中，标号表示内容如下：带扇形齿轮的后左摇杆29、销轴e30、销轴f31、销轴 g32、带扇形齿轮的后右摇杆33、连杆b34、销轴h35: [0024]图5中，标号表示内容如下：销轴a22、大齿轮16、传动轴15、转轮14、销轴h35、 固连形成夹角36，转轮14和传动轴15的固连可以沿传动轴15周向调节以改变夹角36的 大小。 具体实施方式 [0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 [0026] 实施例 [0027]如图1-5所示，本发明微型仿蜻蜓双扑翼飞行器主要由机架、前扑翼系统、后扑翼 系统和尾翼系统组成。机架主要由Y型前支架18、支撑梁19、Y型后支架20、外型主支架 21组成：前扑翼系统主要由电机4、小齿轮17、大齿轮16、销轴a22、连杆a23、销轴c26、销 轴b25、销轴d27、带扇形齿轮的前右摇杆24、带扇形齿轮的前左摇杆28、前右扑翼8、前左 扑翼6以及控制模块3、电池7组成；后扑翼系统主要由电机4、小齿轮17、大齿轮16、传动 主轴15、转轮14、销轴h35、连杆b34、销轴31、销轴g32、销轴e30、带扇形齿轮的后右摇杆 33、带扇形齿轮的后左摇杆29、后右扑翼9、后左扑翼5以及控制模块3、电池7组成：尾部 系统主要由方向舵机1、垂直安定面10、方向舵11组成的转向系统和由升降舵机2、水平安 定面12、升降舵13组成的升降系统组成。 [0028]所述的外型主支架21分别和Y型前支架18、Y型后支架20固连，支撑梁19分别 和Y型前支架18、Y型后支架20固连。 [0029]所述的传动轴15和大齿轮16固连、传动轴15和转轮14以可以沿传动轴15周向 调节夹角36大小的方式固连，传动轴15与Y型前支架18、Y型后支架20通过转动副连接， 小齿轮17固连在电机4的转轴上，小齿轮17与大齿轮16啮合传动。 [0030]所述的大齿轮16通过销轴a22与连杆a23以转动副连接，连杆a23通过销轴c26 与带扇形齿轮的前右摇杆24以转动副连接，带扇形齿轮的前右摇杆24通过销轴b25与Y 型前支架18以转动副连接，前右扑翼8和带扇形齿轮的前右摇杆24固连。 [0031]所述的带扇形齿轮的前右摇杆24和带扇形齿轮的前左摇杆28通过扇形齿轮啮合 传动，带扇形齿轮的前左摇杆28通过销轴d27与Y型前支架18以转动副连接，前左扑翼6 和带扇形齿轮的前左摇杆28固连。 [0032]所述的转轮14通过销轴h35与连杆b34以转动副连接，连杆b34通过销轴f31与 带扇形齿轮的后右摇杆33以转动副连接，带扇形齿轮的后右摇杆33通过销轴g32与Y型 后支架20以转动副连接，后右扑翼9和带扇形齿轮的后右摇杆33固连。 [0033]所述的带扇形齿轮的后右摇杆33和带扇形齿轮的后左摇杆29通过扇形齿轮啮合 传动，带扇形齿轮的后左摇杆29通过销轴30与Y型后支架20以转动副连接，后左扑翼5 和带扇形齿轮的后左摇杆29固连。 [0034]所述的销轴a22、大齿轮16、传动轴15、转轮14、销轴h35固连形成夹角36，转轮 14和传动轴15的固连可以沿传动轴15周向调节以改变夹角36的大小，用于改变前后扑翼
CN102211665B 说明书 4/4页 的扑动相位差。 [0035]本发明的一个优选实施例如图1、图2、图3、图4、图5所示，微型仿蜻蜓双扑翼飞 行器，主要由机架、前扑翼系统、后扑翼系统和尾翼系统组成，可以构成双扑翼扑动运动和 飞行器的转向和俯仰飞行。 [0036] 双扑翼扑动运动和飞行器的转向和俯仰飞行如下： [0037] 双扑翼扑动运动：电机4通过小齿轮17、大齿轮16、销轴a22、连杆a23、销轴c26、 带扇形齿轮的前右摇杆24、销轴b25驱动前右扑翼8扑动：电机4通过小齿轮17、大齿轮 16、销轴a22、连杆a23、销轴c26、销轴b25、带扇形齿轮的前右摇杆24、带扇形齿轮的前左摇 杆28、销轴d27驱动前左扑翼6扑动：其中，小齿轮17和大齿轮16啮合传动，大齿轮16、销 轴a22、连杆a23、销轴c26、带扇形齿轮的前右摇杆24、销轴b25、Y型前支架18组成曲柄摇 杆机构传动，带扇形齿轮的前右摇杆24和带扇形齿轮的前左摇杆28通过扇形齿轮啮合传 动。电机4通过小齿轮17、大齿轮16、传动轴15、转轮14、销轴h35、连杆b34、销轴f31、带 扇形齿轮的后右摇杆33、销轴g32驱动后右扑翼9扑动：电机4通过小齿轮17、大齿轮16、 传动轴15、转轮14、销轴h35、连杆b34、销轴f31、带扇形齿轮的后右摇杆33、销轴g32、带扇 形齿轮的后左摇杆29、销轴30驱动后左扑翼5扑动；其中，小齿轮17和大齿轮16啮合传 动，大齿轮16通过传动轴15把运动传给转轮14，转轮14、销轴h35、连杆b34、销轴f31、带 扇形齿轮的后右摇杆33、销轴g32、Y型后支架20组成曲柄摇杆机构传动，带扇形齿轮的后 右摇杆33和带扇形齿轮的后左摇杆29通过扇形齿轮啮合传动。 [0038]通过改变销轴a22、大齿轮16、传动轴15、转轮14、销轴h35固连形成的夹角36的 大小，可以改变前后扑翼的扑动相位差，用于优化双扑翼的协调扑动飞行。 [0039] 飞行器的转向和俯仰飞行：通过方向舵机1控制方向舵11实现飞行器的转向，通 过升降舵2控制升降舵13实现飞行器的升降。 6
CN102211665B 说明书附图 1/2页 8 9 7 6 10 11 12 13 3 图1 18 1920 21 9 0 17 1615 14 图2
CN102211665B 说明书附图 2/2页 26 31 25 32 ⊙ 0 © G Q 33 24 27 30 34 23 35 ⊙ O 28 29 O © 22 图3 图4 14 35 15 16 22 -0 36 图5