一种仿昆虫被动旋转扑翼机构及仿昆虫扑翼机

1.本发明涉及微型扑翼飞行器技术领域，具体为一种仿昆虫被动旋转扑翼机构及仿昆虫扑翼机。

背景技术：

2.扑翼微飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器。仿鸟和仿昆虫是目前扑翼微飞行器的两种研究模式，其中仿鸟的飞行器尺寸较大，翅翼振动频率小，而仿昆虫扑翼微飞行器尺寸较小，振动频率高。
3.昆虫使用的扑翼技术通常包括扑动和旋转运动，如何在有限空间尺寸限制条件下设计能够精确模拟生物式翅膀运动学的仿昆虫扑翼飞行器是一项极具挑战性的任务。
4.目前仿鸟类飞行器设计中已经开发了很多不同的电机驱动机构，这些机构给系统带来了机械的复杂性和重量，不适合小尺寸的仿昆虫飞行器设计。因此，有研究人员提出采用基于压电驱动的机构被用来解决这些问题。
5.哈佛大学仿生飞行器团队对这种压电驱动的小尺寸飞行器进行设计，在science等顶级国际期刊发表其成果，包括controlled flight of a biologically inspired,insect-scale robot等论文。其目前设计的扑翼采用位于翼根处的膜铰链连接方式实现被动旋转运动，这也是目前国际上最为流行的压电驱动扑翼设计形式。日本丰田中央研发实验室设计研发了一款压电直驱飞行器，未采用任何传动机构，并发表了论文bioinspired flapping-wing robot with direct-driven piezoelectric actuation and its takeoff demonstration，其设计的扑翼旋转运动采用的是前缘与翼面间的铰链结构。
6.国内在扑翼微型飞行器的研究方面也产生了一定的研究成果。公开号为cn101934861a、申请号为201010289254.1的中国专利，提供了一种压电仿昆虫微扑翼飞行器，但是其变形量小，无法实现有效的旋转运动，不利于升力的产生。公开号为cn106081104a、申请号为201610574891.0的中国专利提供的压电仿昆虫微扑翼飞行器，使用类似上诉哈佛大学的飞行器设计装置，在翼根位置出采用膜铰链连接的方式实现被动运动。再如公开号为cn113859528a、申请号为202111087841.7的中国专利，提供了一种仿蜻蜓扑翼飞行器，同样采用柔性聚酰亚胺膜作为柔性铰链连接实现被动运动。
7.通过对现有技术分析可以看出，目前仿昆虫扑翼微飞行器中实现被动旋转运动的装置，采用的普遍是这种膜铰链连接的方式。然而，申请人在对这些现有方案进行实际测试时发现，由于仿昆虫扑翼微飞行器尺寸较小，振动频率高，这种方式连接的膜容易受到剪切力作用而发生断裂，以及因为应力集中而发生不可逆的塑性变形，导致难以保证其扑动运动的可靠性，极大的减少了飞行器的使用寿命。此外这种柔性铰链的连接方式，也容易产生较大的安装和制造误差，导致实际运动过程与理论分析和仿真计算差距较大，难以保证制造安装完成的扑翼机构能够实现预期的扑动加旋转运动。

技术实现要素：

8.针对现有技术存在的问题，本发明提出一种仿昆虫被动旋转扑翼机构及基于该被动旋转扑翼机构的仿昆虫扑翼机。被动旋转扑翼机构利用带轮和弹性带取代膜铰链连接的方式，利用弹性带的拉伸弹性，并设置旋转方向上的限位模块，可以有效的避免剪切力的产生，并且避免了应力集中导致的结构塑性变形。
9.本发明的技术方案为：
10.所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，包括仿昆虫扑翼，位于翼根位置的驱动杆，安装在驱动杆上的旋转轴套、带轮，安装在旋转轴套内的支撑轴，安装在驱动杆和支撑轴上的旋转支架，以及安装在带轮和旋转支架上的弹性带；
11.所述旋转支架具有第一支臂和第二支臂；所述第一支臂外端具有连接驱动杆的轴孔；所述第二支臂外端具有连接支撑轴的轴孔；且在第二支臂上具有与弹性带紧固配合的结构；当旋转支架与驱动杆以及支撑轴连接后，所述第二支臂与驱动杆平行；
12.所述带轮安装在驱动杆上，且能够随驱动杆转动；所述带轮外表面具有与弹性带紧固配合的结构；
13.所述旋转轴套内部具有相互垂直的第一通孔和第二通孔，其中第一通孔用于与驱动杆配合，第二通孔内安装支撑轴；且当支撑轴与旋转轴套配合安装后，支撑轴具有转动自由度，但相对轴向移动被约束；
14.所述支撑轴连接外部仿昆虫扑翼机机身；所述支撑轴轴向与所述驱动杆轴向垂直相交；驱动杆能够受外部驱动机构作用，带动旋转支架、带轮、旋转轴套以及仿昆虫扑翼整体绕支撑轴做扑动运动；
15.所述仿昆虫扑翼受到气动力和惯性力作用，绕驱动轴轴线进行旋转运动；同时驱动轴带动带轮旋转，使一侧弹性带拉伸，将部分气动力和惯性力对扑翼的做功转换成其弹性势能；在扑动反转的时候，弹性带的弹性势能释放，转换为扑翼的动能，并完成一次有效地快速旋转运动；反转后继续将能量存储为弹性带的弹性势能。
16.进一步的，所述驱动杆外端为提供单自由度扑动运动的压电促动器机械输入端。
17.进一步的，所述旋转轴套第一通孔朝向仿昆虫扑翼的端面具有弧形凸起，与仿昆虫扑翼翼根位置端面的弧形凸起配合形成旋转限位结构。
18.进一步的，所述旋转限位结构限制仿昆虫扑翼往复旋转运动的极限角度为
±
60
°
。
19.进一步的，所述弹性带为非闭合弹性带，在弹性带的弹性方向中部和两端分别具有紧固键；所述旋转支架第二支臂上具有平行于驱动杆的键槽，用于与弹性带中部紧固键紧配合；所述带轮上具有两个沿轴向的键槽，用于与弹性带两端紧固键紧配合。
20.进一步的，所述弹性带与所述旋转支架第二支臂以及所述带轮通过键槽紧配合后，还在配合位置采用粘合剂粘连，且在带轮上还设有周向的带轮槽，用于固定弹性带不发生轴向滑移。
21.进一步的，所述驱动杆采用多截面驱动杆，其中由外向内依次具有与旋转支架第一支臂外端轴孔配合的小直径段、与所述带轮中心方孔配合的方形段和与所述旋转轴套第一通孔配合的大直径段。
22.进一步的，所述旋转轴套内部第二通孔为台阶通孔，且台阶面在所述第一通孔内侧；所述支撑轴顶端具有挡块，当所述旋转轴安装在所述支撑轴上后，所述挡块内侧与所述
第二通孔台阶面接触，且所述挡块外侧与安装在所述第一通孔内的驱动杆接触，实现相对支撑轴的轴向约束。
23.一种仿昆虫扑翼机，包括机身、左右扑翼机构和微控驱动系统；所述扑翼机构采用上述仿昆虫被动旋转扑翼机构，通过支撑轴安装在机身上；所述微控驱动系统根据控制要求带动驱动杆执行扑动运动。
24.有益效果
25.本发明提出的仿昆虫被动旋转扑翼机构具有结构简单，运动可靠，工作效率高以及使用寿命长的特点。
26.(1)在仿昆虫扑翼扑动时，受到惯性力和气动力，使扑翼发生旋转运动，并形成大于30
°
小于90
°
的有效迎角，利用动态不失速和尾迹捕获的仿昆虫气动机制，可以连续地爆发高升力。
27.(2)该扑翼机构利用弹性带的弹性势能储存机制，可以有效的吸收部分气动力和惯性力；并在扑动反转时间位置附近，释放弹性势能，转换为动能，完成快速旋转运动，极大地减小了功率的损失，提高了扑动效率。
28.(3)在机构耐久度方面，该扑翼机构高效率的被动旋转运动主要利用的是弹性带的拉伸变形，未对弹性带产生剪切力，极大地延长了机构的使用寿命。
29.(4)该扑翼机构安装简单，精度高，确保制造安装完成的扑翼机构能够实现预期的扑动加旋转运动。
30.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
31.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
32.图1为本发明的整体装配示意图；
33.图2为本发明的安装示意图(爆炸图)；
34.图3为提供二自由度的旋转轴套的轴侧视图，主视图以及剖面图；
35.图4为带轮的轴侧视图以及侧视图；
36.图5为旋转支架；
37.图6为弹性带安装示意图以及展开图；
38.图7为本发明的运动过程。
39.附图中的标记为：1为带轮；2为单自由度压电驱动的机械输入端；3为提供二自由度运动的旋转轴套；4为特制弹性带；5为旋转支架；6为固定支撑轴；7为仿昆虫扑翼；8为固定支撑轴顶端挡块；9为用于固定弹性带不发生轴向滑移的带轮槽；10为旋转轴套顶端的孔；11、12、13分别为连接扑翼的翼根多截面驱动杆的小半径圆截面处、方形截面处、大半径圆截面处；14为翅脉；15为翅膜；16为旋转运动限位模块；17为与翼根多截面驱动杆大半径圆截面连接的孔；18为用于安装支撑轴的变半径孔；19为带轮顶端的两个键槽；20为带轮上的方孔；21为旋转支架与翼根多截面驱动杆的小半径截面处连接的孔；22为与支撑轴连接的孔；23为旋转支架底部的键槽；24为弹性带末端的两个紧固键；25为弹性带弹性区域；26
为弹性带中间的紧固键。
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
43.本实施例提出了一种仿昆虫扑翼机，包括机身、左右扑翼机构和微控驱动系统；所述扑翼机构采用上述仿昆虫被动旋转扑翼机构，通过支撑轴安装在机身上；所述微控驱动系统采用压电驱动扑翼设计形式，根据控制要求带动驱动杆执行扑动运动。该仿昆虫扑翼机的核心在于被动旋转扑翼机构，采用弹性带和带轮实现扑翼的被动旋转运动，克服了现有柔性膜铰链连接存在的问题。
44.如图1所示，仿昆虫被动旋转扑翼机构包括仿昆虫扑翼7，位于翼根位置的驱动杆，安装在驱动杆上的旋转轴套3、带轮1，安装在旋转轴套内的支撑轴6，安装在驱动杆和支撑轴上的旋转支架5，以及安装在带轮和旋转支架上的弹性带4。
45.如图5所示，所述旋转支架5具有第一支臂和第二支臂；所述第一支臂外端具有连接驱动杆的轴孔；所述第二支臂外端具有连接支撑轴的轴孔；且在第二支臂上具有与弹性带紧固配合的结构；当旋转支架与驱动杆以及支撑轴连接后，所述第二支臂与驱动杆平行。
46.所述带轮1安装在驱动杆上，且能够随驱动杆转动；所述带轮外表面具有与弹性带紧固配合的结构。
47.其中设计旋转支架的目的是创造一个与带轮一起同步扑动的杆，使弹性带不发生扭转，仅作拉伸变形，如图6中弹性带4中的区域25为弹性带作拉伸变形的主要区域。这样，就不对弹性带产生剪切力，极大地延长了机构的使用寿命。
48.图3为旋转轴套3的轴测图、正视图和剖面图。如图3所示，所述旋转轴套3内部具有相互垂直的第一通孔17和第二通孔18，其中第一通孔用于与驱动杆配合，第二通孔内安装支撑轴；且当支撑轴与旋转轴套配合安装后，支撑轴具有转动自由度，但相对轴向移动被约束。
49.具体而言，所述旋转轴套内部第二通孔为台阶通孔，且台阶面在所述第一通孔内侧；所述支撑轴顶端具有挡块8，当所述旋转轴安装在所述支撑轴上后，所述挡块内侧与所述第二通孔台阶面接触，且所述挡块外侧与安装在所述第一通孔内的驱动杆接触，实现相对支撑轴的轴向约束。通过旋转轴套提供压电驱动的仿昆虫扑翼扑动和旋转方向上的两个
自由度
50.所述支撑轴连接仿昆虫扑翼机机身；所述支撑轴轴向与所述驱动杆轴向垂直相交。驱动杆能够受微控驱动系统作用，带动旋转支架、带轮、旋转轴套以及仿昆虫扑翼整体绕支撑轴做扑动运动。具体的，微控驱动系统采用提供单自由度扑动运动的压电促动器，驱动杆外端为机械输入端，压电促动器带动驱动杆做扑动运动。
51.所述仿昆虫扑翼受到气动力和惯性力作用，绕驱动轴轴线进行旋转运动；同时驱动轴带动带轮旋转，使一侧弹性带拉伸，将部分气动力和惯性力对扑翼的做功转换成其弹性势能；在扑动反转的时候，弹性带的弹性势能释放，转换为扑翼的动能，并完成一次有效地快速旋转运动；反转后继续将能量存储为弹性带的弹性势能。
52.如图2所示，所述旋转轴套第一通孔朝向仿昆虫扑翼的端面具有弧形凸起，与仿昆虫扑翼翼根位置端面的弧形凸起配合形成旋转限位结构。所述旋转限位结构限制仿昆虫扑翼往复旋转运动的极限角度为
±
60
°
，目的是为了避免高频扑动可能发生极大的力，产生过大的旋转运动，使弹性带4的拉伸至超出弹性范围，造成不可逆的塑性变形。根据目前研究结果证明，扑翼在迎角为45
°
时，升力最佳，但在实际使用中，还需要综合气动力和扑动效率，通过实验分析，本实施例最终选择60
°
，气动力和扑动效率综合结果最优。
53.如图6所示，所述弹性带为非闭合弹性带，在弹性带的弹性方向中部和两端分别具有紧固键；所述旋转支架第二支臂上具有平行于驱动杆的键槽23，用于与弹性带中部紧固键26紧配合；所述带轮上具有两个沿轴向的键槽19，用于与弹性带两端紧固键24紧配合。所述弹性带与所述旋转支架第二支臂以及所述带轮通过键槽紧配合后，还在配合位置采用粘合剂粘连。此外在带轮上还设有周向的带轮槽9，用于固定弹性带不发生轴向滑移。
54.如图2所示，所述驱动杆采用多截面驱动杆，其中由外向内依次具有与旋转支架第一支臂外端轴孔配合的小直径段11、与所述带轮中心方孔配合的方形段12和与所述旋转轴套第一通孔配合的大直径段13；驱动杆的小直径段11的截面半径小于等于方形段12的内接圆半径，大直径段13的截面半径大于等于方形段12的内接圆半径，方便翼根驱动杆直接穿过三个零件。
55.本实施例利用压电促动器带来单自由度扑动运动，从翼根驱动杆的末端输入，通过套在支撑轴上的旋转轴套，进行绕支撑轴的扑动运动。仿昆虫扑翼会受到气动力和惯性力作用，进行旋转运动，形成有效迎角，产生垂直方向上的气动力。由于扑翼的旋转运动，带动带轮旋转，使一侧弹性带拉伸，将部分气动力和惯性力对扑翼的做功转换成其弹性势能。在扑动反转的时候，弹性带的弹性势能释放，转换为扑翼的动能，并完成一次有效地快速旋转运动。反转后继续将能量存储到弹性带的弹性势能。这种弹性能吸收和释放机制极大地减少了功率的损失，提高扑动效率。
56.本实施例的安装过程也很简单，将旋转支架5、带轮1、旋转轴套3摆放到合适位置，先将支撑轴6先后插入旋转轴套3和旋转支架5，再将翼根驱动杆先后插过旋转轴套3、带轮1和旋转支架5，最后将弹性带4两侧的键卡入带轮上方的键槽区域，弹性带中间的键卡入旋转支架下部键槽区域，使用强力的粘合剂进行粘连。这种简单的安装过程，有效减少了制造以及安装时会产生的误差，有利于保证成品率，更能保证制造安装完成的扑翼机构能够实现预期的扑动加旋转运动，实现有效地扑动。
57.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，包括仿昆虫扑翼，其特征在于：还包括位于翼根位置的驱动杆，安装在驱动杆上的旋转轴套、带轮，安装在旋转轴套内的支撑轴，安装在驱动杆和支撑轴上的旋转支架，以及安装在带轮和旋转支架上的弹性带；所述旋转支架具有第一支臂和第二支臂；所述第一支臂外端具有连接驱动杆的轴孔；所述第二支臂外端具有连接支撑轴的轴孔；且在第二支臂上具有与弹性带紧固配合的结构；当旋转支架与驱动杆以及支撑轴连接后，所述第二支臂与驱动杆平行；所述带轮安装在驱动杆上，且能够随驱动杆转动；所述带轮外表面具有与弹性带紧固配合的结构；所述旋转轴套内部具有相互垂直的第一通孔和第二通孔，其中第一通孔用于与驱动杆配合，第二通孔内安装支撑轴；且当支撑轴与旋转轴套配合安装后，支撑轴具有转动自由度，但相对轴向移动被约束；所述支撑轴连接外部仿昆虫扑翼机机身；所述支撑轴轴向与所述驱动杆轴向垂直相交；驱动杆能够受外部驱动机构作用，带动旋转支架、带轮、旋转轴套以及仿昆虫扑翼整体绕支撑轴做扑动运动；所述仿昆虫扑翼受到气动力和惯性力作用，绕驱动轴轴线进行旋转运动；同时驱动轴带动带轮旋转，使一侧弹性带拉伸，将部分气动力和惯性力对扑翼的做功转换成其弹性势能；在扑动反转的时候，弹性带的弹性势能释放，转换为扑翼的动能，并完成一次有效地快速旋转运动；反转后继续将能量存储为弹性带的弹性势能。2.根据权利要求1所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：所述驱动杆外端为提供单自由度扑动运动的压电促动器机械输入端。3.根据权利要求1或2所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：所述旋转轴套第一通孔朝向仿昆虫扑翼的端面具有弧形凸起，与仿昆虫扑翼翼根位置端面的弧形凸起配合形成旋转限位结构。4.根据权利要求3所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：所述旋转限位结构限制仿昆虫扑翼往复旋转运动的极限角度为
±
60
°
。5.根据权利要求1所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：所述弹性带为非闭合弹性带，在弹性带的弹性方向中部和两端分别具有紧固键；所述旋转支架第二支臂上具有平行于驱动杆的键槽，用于与弹性带中部紧固键紧配合；所述带轮上具有两个沿轴向的键槽，用于与弹性带两端紧固键紧配合。6.根据权利要求5所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：所述弹性带与所述旋转支架第二支臂以及所述带轮通过键槽紧配合后，还在配合位置采用粘合剂粘连。7.根据权利要求5所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：在带轮上还设有周向的带轮槽，用于固定弹性带不发生轴向滑移。8.根据权利要求1所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：所述驱动杆采用多截面驱动杆，其中由外向内依次具有与旋转支架第一支臂外端轴孔配合的小直径段、与所述带轮中心方孔配合的方形段和与所述旋转轴套第一通孔配合的大直径段。9.根据权利要求8所述一种仿昆虫被动旋转扑翼机构，其特征在于：所述旋转轴套内部第二通孔为台阶通孔，且台阶面在所述第一通孔内侧；所述支撑轴顶端具有挡块，当所述旋转轴安装在所述支撑轴上后，所述挡块内侧与所述第二通孔台阶面接触，且所述挡块外侧
与安装在所述第一通孔内的驱动杆接触，实现相对支撑轴的轴向约束。10.一种仿昆虫扑翼机，包括机身、左右扑翼机构和微控驱动系统；其特征在于：所述扑翼机构采用权利要求1～9任一所述仿昆虫被动旋转扑翼机构，通过支撑轴安装在机身上；所述微控驱动系统根据控制要求带动驱动杆执行扑动运动。

技术总结

本发明提出一种仿昆虫被动旋转扑翼机构及仿昆虫扑翼机，扑翼机构包括仿昆虫扑翼，位于翼根位置的驱动杆，安装在驱动杆上的旋转轴套、带轮，安装在旋转轴套内的支撑轴，安装在驱动杆和支撑轴上的旋转支架，以及安装在带轮和旋转支架上的弹性带。该扑翼机构利用弹性带的弹性势能储存机制，可以有效的吸收部分气动力和惯性力；并在扑动反转时间位置附近，释放弹性势能，转换为动能，完成快速旋转运动，极大地减小了功率的损失，提高了扑动效率。该扑翼机构利用弹性带的拉伸变形实现被动旋转运动，未对弹性带产生剪切力，极大地延长了机构的使用寿命。而且其安装简单，更能保证制造安装完成的扑翼机构能够实现预期的扑动加旋转运动。的扑翼机构能够实现预期的扑动加旋转运动。的扑翼机构能够实现预期的扑动加旋转运动。