技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及一種仿生飛行器的控制機(jī)構(gòu)，屬于
無(wú)人飛行器技術(shù)領(lǐng)域或
機(jī)器人領(lǐng)域。
背景技術(shù)
[0002] 近年來(lái)，隨著仿生研究的蓬勃發(fā)展以及國(guó)內(nèi)國(guó)外市場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)的不斷增大的需求，撲翼無(wú)人飛行器的研究引起了越來(lái)越多的關(guān)注。撲翼無(wú)人飛行器與常見(jiàn)的固定翼和旋翼飛行器相比，具有效率高、
質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、耗能低等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在軍事領(lǐng)域，以軍事偵查為主。
[0003] 在撲翼無(wú)人飛行器的設(shè)計(jì)中，控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是其中非常重要的一環(huán)。在控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，主要有2種控制方式：基于改變行程平面的控制和基于翅翼變形的控制方式?；诟淖冃谐唐矫娴目刂品绞绞峭ㄟ^(guò)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)直接改變撲翼的行程平面，控制方式較為直接，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)運(yùn)動(dòng)的仿生，具有非常重要的研究意義；但是由于每個(gè)
自由度都需要單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳遞，因此整體的設(shè)計(jì)相對(duì)比較笨重?；诔嵋碜冃蔚目刂品绞绞峭ㄟ^(guò)控制翅翼內(nèi)側(cè)的控制桿來(lái)對(duì)3種
姿態(tài)進(jìn)行控制，由于被控對(duì)象只有一個(gè)，所以可以采用3個(gè)
舵機(jī)對(duì)控制桿進(jìn)行直接控制，極大地減少了控制機(jī)構(gòu)的重量，對(duì)于搭建可應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景的輕質(zhì)的撲翼無(wú)人飛行器具有很重要的意義。
[0004] 國(guó)內(nèi)基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和翅翼變形的仿蜂鳥(niǎo)撲翼無(wú)人飛行器控制機(jī)構(gòu)研究已公開(kāi)
專(zhuān)利包括：上海交通大學(xué)的仿蜂鳥(niǎo)撲翼微飛行器，其
申請(qǐng)號(hào)為CN201210282453、公開(kāi)號(hào)為CN102815399A；北京航空航天大學(xué)的一種基于單
曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的微型仿生撲翼飛行器，其申請(qǐng)?zhí)枮镃N201811569262、公開(kāi)號(hào)為CN109606675A；北京航空航天大學(xué)的一種仿生蜂鳥(niǎo)飛行器，其申請(qǐng)?zhí)枮镃N201810140193、公開(kāi)號(hào)為CN108438218A；哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)的一種仿昆蟲(chóng)微型撲翼飛行器，其申請(qǐng)?zhí)枮镃N201811590043、公開(kāi)號(hào)為CN109573019A。國(guó)外的相似研究包括，美國(guó)航空環(huán)境公司研究的Nano?Hummingbird樣機(jī)，韓國(guó)建國(guó)大學(xué)的KUBeetle樣機(jī)和布魯塞爾自由大學(xué)的Colibri樣機(jī)。
[0005] 現(xiàn)有研究和發(fā)明有很大一部分都不能實(shí)現(xiàn)對(duì)
俯仰、
滾轉(zhuǎn)和
偏航3個(gè)自由度的全姿態(tài)控制，同時(shí)也不能產(chǎn)生足夠大的
力矩控制
角度，缺少能產(chǎn)生較大控制量的控制機(jī)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
[0006] 針對(duì)
現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種新型的基于翅翼變形的仿蜂鳥(niǎo)撲翼無(wú)人飛行器的控制機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航3個(gè)自由度的全姿態(tài)控制。在實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)控制的
基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生較大的俯仰和偏航的控制角度，而且使得控制機(jī)構(gòu)更為緊湊，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)輕質(zhì)、緊湊的撲翼樣機(jī)提供基礎(chǔ)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 基于翅翼變形的仿蜂鳥(niǎo)撲翼無(wú)人飛行器的控制機(jī)構(gòu)，該控制機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座及其上固定的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，該部分通過(guò)底部的4個(gè)圓柱孔與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)軸的兩端各固定有一個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)
搖臂，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂的另一端分別與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制
碳桿的一端固定，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿由直線舵機(jī)座底部的直
槽口中穿過(guò)并控制直線舵機(jī)座的運(yùn)動(dòng)；直線舵機(jī)座通過(guò)該零件上部的孔與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，兩者之間采用間隙配合，即直線舵機(jī)座可以繞撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得該部分易于拆裝；其上固定有兩個(gè)直線舵機(jī)，兩個(gè)直線舵機(jī)上各固定有一個(gè)舵機(jī)拉桿，舵機(jī)拉桿的另一端各與一個(gè)翼關(guān)節(jié)鉸接，兩個(gè)翼關(guān)節(jié)的另一端分別固定在翼關(guān)節(jié)
主軸碳桿的兩端上，翼關(guān)節(jié)主軸碳桿固定在直線舵機(jī)座的上部，與各翼關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)在翼關(guān)節(jié)主軸碳桿的兩端上同時(shí)各固定有一個(gè)翼根碳桿，翼根碳桿的中部與對(duì)應(yīng)的翼關(guān)節(jié)固定在一起。
[0009] 所述的翼關(guān)節(jié)上設(shè)置有不同的控制孔，改變舵機(jī)拉桿插入翼關(guān)節(jié)上孔的
位置能夠產(chǎn)生幅值不同的俯仰和偏航控制角度；旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂上同樣設(shè)置有不同的控制孔，改變旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿在旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂上的安裝位置能夠產(chǎn)生幅值不同的滾轉(zhuǎn)控制角度。
[0010] 所述的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座上設(shè)置凹槽，用于固定旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，同時(shí)設(shè)置有3個(gè)安裝孔，用于安裝力和力矩
傳感器，以便進(jìn)行平臺(tái)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。所述旋轉(zhuǎn)舵機(jī)與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座采用凹槽加膠粘的方式進(jìn)行配合。
[0011] 所述直線舵機(jī)與直線舵機(jī)座通過(guò)膠粘的方式進(jìn)行連接。所述直線舵機(jī)座的兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)凹坑，用以固定兩個(gè)直線舵機(jī)，在凹坑內(nèi)部設(shè)計(jì)有3個(gè)凸出圓柱，這3個(gè)圓柱分別與直線舵機(jī)底部的3個(gè)孔進(jìn)行配合，以便對(duì)直線舵機(jī)進(jìn)行
定位。
[0012] 所述翼關(guān)節(jié)主軸碳桿與直線舵機(jī)座采用
過(guò)盈配合固連在一起；所述翼關(guān)節(jié)與翼關(guān)節(jié)主軸碳桿采用間隙配合以保證翼關(guān)節(jié)具有較好的運(yùn)動(dòng)自由度，并用半圓柱形
緊固件進(jìn)行軸向限位，半圓形緊固件與翼關(guān)節(jié)主軸碳桿采用過(guò)盈配合進(jìn)行固定。所述舵機(jī)拉桿與翼關(guān)節(jié)和直線舵機(jī)均采用過(guò)渡配合，舵機(jī)拉桿與翼關(guān)節(jié)之間允許輕微轉(zhuǎn)動(dòng)；所述翼根碳桿與翼關(guān)節(jié)之間采用膠粘方式進(jìn)行緊固。
[0013] 所述旋轉(zhuǎn)舵機(jī)與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂、旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿均采用過(guò)盈配合。
[0014] 該控制機(jī)構(gòu)的主體零件(直線舵機(jī)座、旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座、翼關(guān)節(jié)、半圓柱形緊固件)均使用
樹(shù)脂或尼龍材料通過(guò)3D打印加工方式獲得，質(zhì)量非常輕便。兩個(gè)直線舵機(jī)通過(guò)舵機(jī)拉桿的傳動(dòng)帶動(dòng)翼關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，從而使翼根末端向前或者向后偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生俯仰或偏航的控制力矩，當(dāng)翼根末端同時(shí)向前或者向后偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩翼產(chǎn)生升力的等效作用點(diǎn)位置同時(shí)向前或者向后移動(dòng)，產(chǎn)生俯仰控制力矩；當(dāng)翼根末端一側(cè)向前、一側(cè)向后反向偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩翼產(chǎn)生的
牽引力的大小不同，產(chǎn)生偏航控制力矩。底端的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)通過(guò)直線舵機(jī)座底端的孔槽帶動(dòng)翼根末端向左或者向右偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)兩側(cè)翅膀一側(cè)收縮、一側(cè)舒張，從而產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)控制力矩。翼關(guān)節(jié)上設(shè)置有不同的控制孔，改變舵機(jī)拉桿插入翼關(guān)節(jié)上孔的位置能夠產(chǎn)生幅值不同的俯仰和偏航控制角度。舵機(jī)拉桿如果與外側(cè)的插孔相連，則會(huì)產(chǎn)生較小的俯仰和偏航轉(zhuǎn)角幅值；如果與內(nèi)側(cè)的插孔相連，則會(huì)產(chǎn)生較大的俯仰和偏航轉(zhuǎn)角幅值，目前設(shè)計(jì)中可以產(chǎn)生的可控轉(zhuǎn)角幅值最小為22.6°，最大為39.8°。旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂上同樣設(shè)置有不同的控制孔，改變旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿在旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂上的安裝位置能夠產(chǎn)生幅值不同的滾轉(zhuǎn)控制角度，目前設(shè)計(jì)中可以產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)的可控轉(zhuǎn)角幅值最小為44.4°，最大為50.5°。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0016] 本發(fā)明利用兩個(gè)直線舵機(jī)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航3個(gè)自由度的全姿態(tài)控制；在實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了較大的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航的控制角度，對(duì)于控制樣機(jī)在
懸停飛行狀態(tài)下的姿態(tài)具有很重要的意義；主體零件(直線舵機(jī)座、旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座、翼關(guān)節(jié)、半圓柱形緊固件)均使用樹(shù)脂或尼龍材料通過(guò)3D打印加工方式獲得，質(zhì)量非常輕便，為后續(xù)設(shè)計(jì)輕質(zhì)、緊湊的撲翼樣機(jī)提供了基礎(chǔ)。
附圖說(shuō)明
[0017] 圖1是本發(fā)明基于翅翼變形的仿蜂鳥(niǎo)撲翼
微型飛行器控制機(jī)構(gòu)的裝配示意圖。
[0018] 圖2是圖1中整個(gè)撲翼控制機(jī)構(gòu)的主視示意圖。
[0019] 圖3是圖1中控制機(jī)構(gòu)俯仰角度控制示意圖。
[0020] 圖4是圖1中控制機(jī)構(gòu)偏航角度控制示意圖。
[0021] 圖5是圖1中控制機(jī)構(gòu)滾轉(zhuǎn)角度控制示意圖。
[0022] 圖6是直線舵機(jī)座結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖7是旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖8是俯仰和偏航自由度控制角度計(jì)算示意圖。
[0025] 圖9是滾轉(zhuǎn)自由度控制角度計(jì)算示意圖。
[0026] 圖中，1為直線舵機(jī)座，2為翼關(guān)節(jié)，3為半圓柱形緊固件，4為翼關(guān)節(jié)主軸碳桿，5為舵機(jī)拉桿，6為直線舵機(jī)，7為翼根碳桿，8為旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿，9為旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂，10為旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，11為旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座。
具體實(shí)施方式
[0027] 以下內(nèi)容為本發(fā)明具體的一種實(shí)現(xiàn)方式，但該種方式并不對(duì)本發(fā)明本身有任何形式的限制。值得指出的是，在本發(fā)明核心內(nèi)容
框架下，對(duì)本發(fā)明局部細(xì)節(jié)或具體實(shí)施方案上的改進(jìn)，依舊屬于該專(zhuān)利的保護(hù)范圍。
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。
[0029] 如圖1和圖2所示基于翅翼變形的仿蜂鳥(niǎo)撲翼無(wú)人飛行器的控制機(jī)構(gòu)，該控制機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座11(具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7)及其上固定的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)10，該部分通過(guò)底部的4個(gè)圓柱孔與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)軸的兩端各固定有一個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂9，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂的另一端分別與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿8的一端固定，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿8由直線舵機(jī)座1底部的直槽口中穿過(guò)并控制直線舵機(jī)座1的運(yùn)動(dòng)；直線舵機(jī)座1(具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6)通過(guò)該零件上部的孔與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，兩者之間采用間隙配合，即直線舵機(jī)座1可以繞撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得該部分易于拆裝；其上固定有兩個(gè)直線舵機(jī)6，兩個(gè)直線舵機(jī)6上各固定有一個(gè)舵機(jī)拉桿5(見(jiàn)圖3和圖4)，舵機(jī)拉桿5的另一端各與一個(gè)翼關(guān)節(jié)2鉸接，兩個(gè)翼關(guān)節(jié)2的另一端分別固定在翼關(guān)節(jié)主軸碳桿4的兩端上，翼關(guān)節(jié)主軸碳桿4固定在直線舵機(jī)座1的上部，與各翼關(guān)節(jié)2對(duì)應(yīng)在翼關(guān)節(jié)主軸碳桿4的兩端上同時(shí)各固定有一個(gè)翼根碳桿7，翼根碳桿7的中部與對(duì)應(yīng)的翼關(guān)節(jié)2固定在一起。
[0030] 機(jī)構(gòu)的連接方式如下：1)直線舵機(jī)6與直線舵機(jī)座1通過(guò)膠粘的方式進(jìn)行連接，在直線舵機(jī)座1的兩側(cè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)凹坑，用以固定兩個(gè)直線舵機(jī)6，在凹坑內(nèi)部設(shè)計(jì)有3個(gè)凸出圓柱，這3個(gè)細(xì)圓柱分別與直線舵機(jī)底部的3個(gè)孔進(jìn)行配合(見(jiàn)圖6)，同時(shí)也便于對(duì)直線舵機(jī)6進(jìn)行定位；2)翼關(guān)節(jié)主軸碳桿4與直線舵機(jī)座1之間采用過(guò)盈配合固連在一起；3)翼關(guān)節(jié)2的一端與翼關(guān)節(jié)主軸碳桿4采用間隙配合以保證翼關(guān)節(jié)2具有較好的運(yùn)動(dòng)自由度，并用半圓柱形緊固件3進(jìn)行軸向限位，半圓形緊固件3與翼關(guān)節(jié)主軸碳桿4采用過(guò)盈配合；4)翼關(guān)節(jié)2的另一端和直線舵機(jī)6之間用舵機(jī)拉桿5進(jìn)行連接，舵機(jī)拉桿5與翼關(guān)節(jié)2、直線舵機(jī)6均采用過(guò)渡配合，相互之間允許輕微轉(zhuǎn)動(dòng)；5)翼根碳桿7與翼關(guān)節(jié)2之間采用膠粘方式進(jìn)行緊固；6)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)10通過(guò)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂9和旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿8將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給直線舵機(jī)座1，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)10與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂9、旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂9與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿8均采用過(guò)盈配合；7)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿8穿過(guò)直線舵機(jī)座1底部的直槽口，約束在直槽口內(nèi)，采用柱面配合，直線舵機(jī)座1與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)頂端孔進(jìn)行固定，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座通過(guò)底端4個(gè)圓柱孔與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定；8)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)10與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)底座11采用凹槽加膠粘的方式進(jìn)行配合。
[0031] 機(jī)構(gòu)的控制方式如下：
[0032] 1)兩個(gè)直線舵機(jī)6通過(guò)舵機(jī)拉桿5的傳動(dòng)帶動(dòng)翼關(guān)節(jié)2旋轉(zhuǎn)(擺動(dòng))，從而使翼根末端向前或者向后偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生俯仰或偏航的控制力矩。當(dāng)翼根末端同時(shí)向前或者向后偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩翼產(chǎn)生升力的等效作用點(diǎn)位置同時(shí)向前或者向后移動(dòng)，產(chǎn)生俯仰控制力矩，如圖3所示；當(dāng)翼根末端一側(cè)向前、一側(cè)向后反向偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩翼產(chǎn)生的牽引力的大小不同，產(chǎn)生偏航控制力矩，如圖4所示。翼關(guān)節(jié)上設(shè)計(jì)有不同的控制孔，改變舵機(jī)拉桿5插入孔的位置可以產(chǎn)生幅值不同的俯仰和偏航控制角度。
[0033] 2)底端的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)10通過(guò)直線舵機(jī)座底端的孔槽(直槽口)帶動(dòng)翼根末端向左或者向右偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)兩側(cè)翅膀一側(cè)收縮、一側(cè)舒張，從而產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)控制力矩，如圖5所示。
[0034] 機(jī)構(gòu)的尺寸計(jì)算如下：
[0035] 1)對(duì)于俯仰和偏航自由度的控制，直線舵機(jī)6上下運(yùn)動(dòng)的位移h1＝5mm，結(jié)合其離中心
轉(zhuǎn)軸的距離分別為d1＝6mm,9mm,12mm(如圖8所示)，所以可以得到每個(gè)翼關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的最大幅度為
[0036]
[0037] 所以兩側(cè)翼關(guān)節(jié)可以產(chǎn)生的可控轉(zhuǎn)角幅值最小為22.6°，最大為39.8°。
[0038] 2)對(duì)于滾轉(zhuǎn)自由度的控制，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂9的半徑有兩種規(guī)格r1＝5.5mm,7mm，在旋轉(zhuǎn)舵機(jī)搖臂9左右擺動(dòng)的過(guò)程中，允許旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制碳桿8在高度方向的偏移量為Δz＝2mm(如圖9所示)，從而可以求得在旋轉(zhuǎn)舵機(jī)10的控制下，
機(jī)體可以產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角的幅值為[0039]
[0040] 所以可以產(chǎn)生的可控滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角幅值最小為44.4°，最大為50.5°。
[0041] 以上為對(duì)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案的描述，該描述僅為闡述本發(fā)明的可行的一種實(shí)施方法，以便工程人員理解與復(fù)現(xiàn)本發(fā)明，但并不作為本發(fā)明實(shí)施方法的限制。
