(19)中华人民共和国国家知识产权局 ▣▣ (12)发明专利 ▣A (10)授权公告号CN103224025B (45)授权公告日2015.05.06 (21)申请号201310160901.2 摇杆扑翼机构设计分析，《航空动力学报》.2009， (22)申请日2013.05.06 第24卷204-208. (73)专利权人北方工业大学 审查员吴俊松 地址100144北京市石景山区晋元庄5号北 方工业大学机电学院 专利权人何广平 (72)发明人何广平孙恺马楠 (51)Int.CI B64C33/00(2006.01) (56)对比文件 GB1283583A,1972.07.26, KR10-0580962B1,2006.05.16, CN101417708A,2009.04.29, CN102381476A,2012.03.21, CN201941975U,2011.08.24, 徐一村，宗光华，毕树生，于靖军.空间曲柄 权利要求书1页说明书3页附图6页 (54)发明名称 一种单一原动件扑翼飞行机器人空间机构 (57)摘要 鸟类经过千百万年的进化，拥有非常出色的 飞行能力，其翅膀具有极大的机动灵活性，而常规 的飞行器大多是固定或旋翼飞行器，在低雷诺数 下不能产生足够的升力来维持平衡，当尺寸降低 到一定小时，会出现一系列的问题。而鸟类却是低 雷诺数下飞行的佼佼者，模仿鸟类的扑翼飞行器 必将是未来微型飞行器的必然选择。蝙蝠的飞行 方式和常规鸟类的飞行方式是不同的，蝙幅是靠 翅膀的折叠和伸开来调节上下拍动时的翼展面积 来提供飞行时的升力。因此本发明一方面模仿蝙 蝠的上下拍动，另一方面模仿蝙蝠翅膀的收缩，并 且用单一原动件来实现模仿蝙蝠飞行的扑翼飞行 一器，和其他仿蝙蝠飞行机器人相比，具有重量轻， §机动灵活性强等特点。 22501
CN103224025B 权利要求书 1/1页 1.一种单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，主要包括：直流电机(1)、可展机翼机构 (2)、双翼拍动机构(3)、弹性连杆(7)、凸轮(13)、凸轮推杆(15)、钢丝(12)，其特征是： 直流电机(1)带动着曲柄(9)作圆周运动： 连杆(10)带动着销轴(11)在垂直平面内沿导向板(18)上下运动： 销轴(11)带动着弹性连杆(7)上下运动： 弹性连杆(7)带动着双翼拍动机构(3)往复运动，实现机翼的上下拍动； 直流电机(1)同时带动着凸轮(13)做圆周运动： 凸轮(13)带动着凸轮推杆(15)做往复运动： 固定钢丝凸台(14)通过钢丝(12)带动着机翼的伸开和收缩： 最终实现曲柄和凸轮的连续转动，转化为机翼上下拍动、机翼伸开和收缩的往复运动。 2.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：电机通过 一曲柄滑块机构带动弹性连杆(7)上下运动，弹性连杆(7)带动一双摇杆杆机构，实现机翼 的上下拍动，该弹性连杆在运动过程中曲率会发生变化。 3.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：凸轮推杆 (15)通过钢丝带动着可展机翼机构(2)伸开和收缩。 4.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：凸轮(13) 是作为翅翼伸缩的动力件，控制着机翼伸开和收缩的时间。 5.根据权利要求1所示单一原动件扑翼飞行机器人空间机构，其特征在于：可展机翼 机构(2)是由钢丝带动着伸开和收缩的。 2
CN103224025B 说明书 1/3页 一种单一原动件扑翼飞行机器人空间机构 技术领域 [0001]本专利涉及一种仿生扑翼飞行机器人空间机构，由一个原动件同时驱动翅翼的拍 动和伸缩。 技术背景 [0002]千万年自然进化使鸟类和蝙蝠具有十分灵巧的飞行能力。现代具有实际应用性能 的飞行器多采用固定翼结构或旋转翼结构，其运动灵活性与鸟类或蝙蝠的扑翼飞行具有明 显的差距。扑翼飞行器在现代国防、勘探、搜救具有广泛的应用前景，也是发展扑翼飞行空 气动力学的必要实验平台。 [0003] 提高系统的单位质量功率系数是设计扑翼飞行器的关键技术指标之一。本发明提 出一种只采用单个原动件驱动的仿蝙蝠扑翼飞行机器人机构，为开发高功率系数扑翼飞行 机器人提供了一种新的机构设计方案。 发明内容 [0004]扑翼飞行升力产生的原理如下：蝙蝠飞行时，其双翅在垂直面内做往复运动，假 设在一个运动周期中，空气阻力系数不变。当机翼向下运动时，其翼面划过的面积为扇形 S,机翼向上运动时，在垂直面内划过的面积为S✉。显然只有当Ss>S✉时，扑翼飞 行器受到的空气阻力所做的功为正功。 [0005]从图1可以看出，要使扑翼飞行器实现腾空飞行，飞行器在拍动的前半周期应具 有较大的翼展面积，而在拍动的后半周期应具有较小的翼展面积。为实现这一功能目标，本 发明提出一种组合了拍动机构和翼展伸缩机构的复合机构设计方案，采用单一原动件实现 扑翼飞行机构运动的驱动。 [0006]扑翼拍动机构设计方案如下：图2所示为单个机翼拍动机构的设计方案。采用曲 柄摇杆四杆机构，其中杆DC为曲柄，杆CB为连杆，杆B为摇杆。设Lc表示曲柄的长度， Ls为摇杆的长度，当摇杆AB转动(rad)角时，曲柄转动B(rad)角，根据机构的运动传 递关系 [0007] al=ELpc (1) [0008] 当摇杆AB为原动件，曲柄为执行件时，角度放大系数为 [0009] B Lus a Loc (2) [0010] 根据式(2)，可以计算该机构转角的输入一输出比，为扑翼运动范围提供设计方 法。根据图2所示的机构设计方案，可以设计出图3所示的对称双翼机构。该机构中原动 件为曲柄oB,摇杆4都和B通过弹性连杆G铰接。当曲柄aB做圆周运动时，弹性 连杆的F点做垂直方向的直线运动，使摇杆45和B,产生往复运动，从而带动双翼连杆
CN103224025B 说明书 2/3页 几和D,在垂直面内做往复摆动，产生扑翼飞行时所需的拍动运动。 [0011]可展机翼机构设计方案如下：为实现机翼在拍动周期运动中，空气阻力所作的功 为正，为飞行器提供升力，需要使机翼的翼展面积可调。图4所示为提出的可展机翼机构。 该机构由两级双摇杆机构串连组成。当摇杆往复运动时，连杆做平面伸缩运动。 当摇杆0绕点逆时针转动时，机构伸展，当摇杆0马绕马点顺时针转动时，机构收缩。 当机翼机构整体粘贴弹性薄膜时，显然通过驱动摇杆孔可实现翼展面积的调节。 [0012] 扑翼飞行机器人空间机构如下：图3和图4所示均为平面机构。鸟类的骨骼为空 间机构。为通过单一原动件模拟蝙蝠的飞行运动，可采用图5和图6所示的复合机构设计 方案。其中可展机翼在水平面内运动，扑动机构在垂直平面内运动。 [0013]为使通过单一的原动件来实现机构的复合运动，必须通过一机构将垂直平面内的 运动转化为水平面内的周期运动，且两运动必须具有一定的耦合性，即翅膀下拍时翅膀张 开，上拍时翅膀收缩，使得在一周期内升力面积最大，阻力面积最小。 [0014]为实现这一运动，本发明设计了一种用凸轮机构来实现翅膀的伸缩运动，凸轮机 构通过改变外轮廓即可轻的实现从动件的预期运动轨迹。如图6所示，在电机主轴上串联 一凸轮T,这样可保证凸轮T和曲柄具有同步的圆周运动，且可以通过调整凸轮T与曲 柄0E的初始夹角来调整翅膀上下拍动和伸缩运动的耦合情况，凸轮带动推杆S在垂直面 内上下移动，推杆S下端和弹簧连接，弹簧力的作用使凸轮回程的时候将推杆和凸轮 保持接触。通过该机构，将凸轮T的圆周转动转化为推杆S的往复运动，推杆S上点 与翅膀、之间用细钢丝连接，通过连杆S的上下移动带动着翅膀的伸开和收缩。 [015]在翅翼上和聚以及0和邢之间连接分别接弹簧和V2,在翅翼下拍时弹簧不 伸开，翅翼展开最大，当翅翼收缩时，0和之间距离变大，弹簧受拉伸，当凸轮转过一定 角度回程时，0和罩之间距离变小，由于弹簧力作用将翅翼展开。 [0016] 扑翼飞行机器人空间三维模型如下：图7、图8、图9、图10、图11、图12为扑翼飞行 机器人整体空间三维模型，可展机翼机构2在翅翼转轴17上固定着，可随翅翼转轴的转动 而上下拍动，且可展机翼机构可以伸开和收缩，当凸轮13带动着凸轮推杆15向下运动时， 钢丝12拉着翅翼上，点将翅膀收缩。通过图中的凸轮13和弹簧、2可实现机翼周期 性的伸开和收缩，同时双翼拍动机构带动着机翼上下拍动，实现下拍时翅膀展开最大，上拍 时翅膀收缩最小，提供给飞行机器人最大的飞行升力。 附图说明 [0017]图1是扑翼飞行升力产生的原理图。 [0018] 图2是单翼拍动机构图。 [0019] 图3是对称双翼拍动机构图。 [0020] 图4是可展机翼机构图。 [0021] 图5是仿蝙蝠扑翼飞行机器人空间拍动机构。 [0022] 图6是仿蝙蝠扑翼飞行机器人空间伸缩机构
CN103224025B 说明书 3/3页 [0023] 图7是仿蝙蝠扑翼飞行机器人整体空间模型图。 [0024] 所述图7中符号说明：1直流电机，2可展机翼机构，3双翼拍动机构。 [0025] 图8是仿蝙蝠扑翼飞行机器人局部模型图。 [0026] 所述图8中符号说明：4轴承，5拍动机构被动摇杆，6拍动机构连杆，7弹性连 杆，8拍动机构主动摇杆，9曲柄，10连杆，11往复销轴1。 [0027] 图9是仿蝙蝠扑翼飞行机器人局部模型图。 [0028] 所述图9中符号说明：12钢丝，13凸轮，14固定钢丝凸台，15凸轮推杆，16推 杆导向板。 [0029] 图10是仿蝙蝠扑翼飞行机器人局部模型图。 [0030] 所述图10中符号说明：17机翼转动轴，18往复销轴1导向板。 [0031] 图11是仿蝙蝠扑翼飞行机器人整体空间模型图。 [0032] 图12是仿蝙蝠扑翼飞行机器人整体空间模型图。 具体实施方式 [0033]直流电机2带动着曲柄9作圆周运动，连杆10带动着销轴11在垂直平面内上下 运动，销轴被限制在导向板里，只能沿着导向板里的槽上下运动。 [0034]销轴11和弹性连杆7连接在一起，当销轴11沿导向槽上下运动时，带动着弹性连 杆7做往复运动。 [0035]弹性连杆7带动着双翼拍动机构3绕机翼转动轴17做往复运动，实现机翼的上下 拍动。 [0036]凸轮13和曲柄9同时在直流电机的带动下做旋转运动，且两者具有相同的转动频 率和固定的相位差。当凸轮旋转时，带动着凸轮推杆15上下往复运动，凸轮推杆和翅翼伸 缩机构上点、通过钢丝连接，当凸轮推杆向下移动时，钢丝拉着可展机翼机构收缩，当 凸轮推杆向上运动时，可展机翼机构在弹簧的作用下伸展开，通过该机构可以实现翅膀的 收缩和伸开。 [0037]通过凸轮轮廓的精确设计，可以实现在一个周期内的某些时间翅膀展开最大，其 余时间翅膀收缩最小，使得一个周期内下拍时面积最大，上拍时面积最小，获得最大的升 力。 [0038] 在调试拍动机构和伸缩机构的耦合关系时，通过调节凸轮和曲柄之间的夹角来调 节两者之间的耦合关系，使得下拍时翅膀伸开，上拍时翅膀收缩
CN103224025B 说明书附图 1/6页 D A B 图2 图1 0 D E Q E C2 C B H1 G G A 图4 图3
CN103224025B 说明书附图 2/6页 0 9 H. 分 D E B G 分 图5 9 Q g 日 入 B B 图6
CN103224025B 说明书附图 3/6页 2 3 图7 4 9 5 10 6 11 7 8 图8
CN103224025B 说明书附图 4/6页 12 13 14 15 16 图9 17 18 图10 9
CN103224025B 说明书附图 5/6页 图11 10