充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构的制作方法

1.本发明涉及飞行器领域，具体是一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构。


背景技术：

2.人类很早就有在空中像鸟类一样飞行的理想，古希腊的阿尔希塔斯所制造的机械鸽、远至澳大利亚的飞去来器、中国的孔明灯和风筝都有关系。现代飞行器的发展，得益于19世纪工业革命带来的科学和技术的巨大飞跃。人类的飞行梦就是从扑翼飞行器开始的，从固定翼初步实现的。目前固定翼飞行器已经可以将人类送上蓝天，但扑翼梦还在进行中。
3.作为一种具有良好机动性和灵活性的飞行器，仿生扑翼飞行器可以运用于多种多样的飞行环境，而随着新材料技术、先进制造技术、微电子技术、新能源技术的高速发展，扑翼飞行器的发展非常迅猛。扑翼结构作为扑翼飞行器最重要的部件之一，而外段翼的运动形式设计是扑翼结构的核心技术点。至今，人们设计出很多种结构的扑翼关节，比如德国的smartbird扑翼机采用推杆带动铰链的结构使得外段翼得以跟随内段翼完成扑动，但是这一经典设计会给推杆带来较大的载荷，使得在减低整机重量的前提下，不得不去保证推杆需要的一定质量，同时也需要更多的控制电机。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，降低了整机的重量，且结构简单，工作稳定可靠，在完成飞行动作的过程中具有更高的运动精度和气动效率，同时可以有效提高扑翼机飞行的飞行时长和使用寿命。
5.技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，它包括：内段翼和外段翼，它还包括：位于内段翼和外段翼中间处的充气模块和运动连接模块，所述的充气模块和运动连接模块分别与中控模块相连，中控模块控制充气模块配合运动连接模块工作，实现外段翼相对内段翼的转动角度的控制。
6.作为本发明的进一步优选，所述的运动连接模块包括：内推杆、铰链、外推杆和柔性蒙皮，所述的内推杆的一端穿过内段翼与电机的输出端相连，内推杆的另一端通过铰链与外推杆连接，外推杆的另一端固定在外段翼上，由塑料或橡胶制成的柔性蒙皮位于内段翼和外段翼的连接处，解决了现有技术中推杆结构使得推杆承受较大的载荷，增加了推杆的重量，降低了扑翼机机翼结构的使用寿命的问题，由塑料或橡胶制成的柔性蒙皮为现有技术，此处不做重复说明。
7.作为本发明的进一步优选，所述的充气模块包括：中空结构的内连杆、机翼冲压充气气孔、气囊、机翼减压排气气孔和中空结构的外连杆，所述的气囊的两端分别与内连杆和外连杆的一端连接，内连杆和外连杆的另一端分别与内段翼和外段翼固定，所述的机翼冲压充气气孔位于内连杆和气囊的连接处，机翼减压排气气孔位于外连杆和气囊的连接处，通过在扑翼关节结构中引入气囊装置，解决了现有技术中，需要推动推杆结构使用电机和
机械结构推动铰链进行扑翼动作，扑翼机扑翼产生复杂流场，运动精度偏低的问题，由于充气气囊结构替代了传统的推杆结构，使得内段翼与外段翼的连接结构质量大大减轻，这使得在相同电机驱动的条件下，扑翼机可以拥有更长的飞行时间。
8.作为本发明的进一步优选，所述的外连杆的外侧套有弹簧，起到保护和储能作用。
9.作为本发明的进一步优选，所述的机翼减压排气气孔属于常开状态，当机翼冲压充气气孔持续进气时，为了防止气囊内部的压力过大，常开状态的机翼减压排气气孔起到了一个泄压保护的作用。
10.作为本发明的进一步优选，机翼冲压充气气孔的尺寸大于机翼减压排气气孔，使进气速度大于排气速度，气囊中快速进气的同时对气囊具有限压保护的作用。
11.作为本发明的进一步优选，所述的中控模块包括：供气装置、角度传感器、压力传感器和控制模块，所述的角度传感器安装在铰链上，压力传感器位于气囊的内部，由控制模块根据角度传感器和压力传感器反馈的数据信息来控制供气装置向向内连杆开始或停止充气，实现对气囊内部气压的调节，通过中控模块控制内段翼和外段翼工作，实现充气外段翼随着内段翼的挥舞做出方向相反的相应动作，这使得扑翼机的机翼结构在完成飞行动作的过程中具有更高的运动精度和气动效率，同时可以有效提高扑翼机飞行的飞行时长和使用寿命。
12.作为本发明的进一步优选，所述的控制模块内设有plc电路。
13.作为本发明的进一步优选，所述的外推杆相对内推杆旋转的角度限定值范围为：33.8
°
～-21.7
°
，保证扑翼机外段翼向上翻或向下折的角度不至于过大。
14.有益效果：本发明所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，与现有技术相比，具有以下优点：
15.1、通过利用充气气囊结构替代了传统的推杆结构，使得内段翼与外段翼的连接结构质量大大减轻，这使得在相同电机驱动的条件下，扑翼机可以拥有更长的飞行时间；
16.2、通过采用气囊结构进行推力设计，使气囊所受的压强会均匀的散布到气囊表面，这会延长扑翼机机翼结构的使用寿命；
17.3、通过采用气囊供气的方案，控制模块可以结合压力传感器的读数和供气装置实时控制气囊内部压力，使得扑翼机的转动角度更加精确，可以更精准的动态适应扑翼机的飞行流场。
附图说明
18.图1为本发明的工作原理示意图；
19.图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图，进一步阐明本发明。
21.如图1、图2所示，本发明所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，它包括：内段翼1、内推杆2、铰链3、外推杆4、外段翼5、供气装置6、内连杆7、机翼冲压充气气孔8、气囊9、机翼减压排气气孔10、外连杆11、弹簧12、角度传感器13、压力传感器14、柔性蒙皮15和控制模块16。
22.所述的柔性蒙皮15位于内段翼1和外段翼5的连接处，内推杆2的一端穿过内段翼1与电机的输出端相连，内推杆2的另一端通过铰链3与外推杆4连接，外推杆4的另一端固定在外段翼5上，气囊9的两端分别与中空的内连杆7和中空的外连杆11的一端连接，内连杆7和外连杆11的另一端分别与内段翼1和外段翼5固定，所述的机翼冲压充气气孔8位于内连杆7和气囊9的连接处，机翼减压排气气孔10位于外连杆11和气囊9的连接处，控制模块16根据安装在铰链3上的角度传感器13反馈的角度信息和位于气囊9内的压力传感器14收集的压力数据值来控制供气装置6向内连杆7开始或停止充气，即通过内连杆7向机翼冲压充气气孔8开始或停止充气，实现对气囊9内部气压的调节。
23.实施例
24.扑翼机扑动翅膀类似鸟类上下挥动翅膀的过程，内段翼1上翻时，外段翼5需要沿着相反方向上翻，整个机翼呈现出“v”字型结构；内段翼1下折时，外段翼5需要沿着相反方向下折，整个机翼呈现处“人”字型结构；
25.内段翼1向上挥动，控制模块16发出外段翼上翻指令时，供气装置6增大对气囊9的供气，外段翼5因为气囊9的压力增大得到支撑力开始向上折，此时，安装在铰链3上的角度传感器13将外推杆4相对内推杆5转过的角度数据发送至控制模块16，控制模块16根据角度传感器13的读数与角度限定值比对，如偏转角大于33.8
°
时，供气装置6的供气将停止，从而保证扑翼机外段翼5向上翻的角度不至于过大，如偏转角度未大于33.8
°
时，供气装置6的供气将持续向内连杆7充气，气体经过内连杆7从机翼冲压充气气孔8进入气囊9，少量气体经机翼减压排气气孔10从外连杆11排出；
26.当内段翼1向下挥动，供气装置6减小对气囊9的供气，外段翼5因为气囊9内的压力减小失去支撑力开始向下折，此时控制模块16根据角度传感器13的读数与角度限定值比对，如偏转角读数大于-21.7
°
时，供气装置6的供气将停止，保证扑翼机外段翼5向下折的角度不至于过大，如偏转角读数未小于-21.7
°
时，供气装置6的供气将持续减小向内连杆7放气，气体经过内连杆7从机翼冲压充气气孔8进入气囊9，少量气体经机翼减压排气气孔10从外连杆11排出。
27.对比实验
28.(1)扑翼机风洞实验：
29.将扑翼机放入回流式风洞中进行扑翼飞行实验，来流风速分别为15m/s,30m/s，45m/s在机翼表面贴上压力传感器以检测机翼表面的压力变化，通过压力读数计算扑翼机在不同来流条件下的升力系数，阻力系数，以及相同电池驱动下的扑翼工作时间，将实验结果和传统的推杆结构的扑翼机相比较，结果如图所示：
30.当风速为15m/s时，各参数如下：
31.风速升力系数阻力系数扑翼工作时间/h本发明0.9240.0661.2型号a0.8220.0741.0型号b0.7890.0611.05
32.当风速为20m/s时，各参数如下：
33.风速升力系数阻力系数扑翼工作时间/h本发明0.9450.0671.1
型号a0.8420.0760.85型号b0.8310.0640.83
34.当风速为25m/s时，各参数如下：
35.风速升力系数阻力系数扑翼工作时间/h本发明0.9660.0691.02型号a0.8610.0780.72型号b0.8550.0660.73
36.结果表面，采用压气驱动的外段翼主动控制连接关节机构比传统的推杆结构更省力，同时也具有更高的飞行寿命。
37.(2)扑翼机户外飞行实验
38.将扑翼机在户外环境下进行各种飞行动作，检测在不同飞行姿态下采用不同驱动关节的扑翼机飞行能耗，结果如下表所示。
[0039][0040]
结果表明，采用压气驱动的外段翼主动控制连接关节机构比传统的推杆结构在各种飞行动作下都具有更低的飞行能耗。
[0041]
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，它包括：内段翼(1)和外段翼(5)，其特征在于：它还包括：位于内段翼(1)和外段翼(5)中间处的充气模块和运动连接模块，所述的充气模块和运动连接模块分别与中控模块相连，中控模块控制充气模块配合运动连接模块工作，实现外段翼(5)相对内段翼(1)的转动角度的控制。2.根据权利要求1所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：所述的运动连接模块包括：内推杆(2)、铰链(3)、外推杆(4)和柔性蒙皮(15)，所述的内推杆(2)的一端穿过内段翼(1)与电机的输出端相连，内推杆(2)的另一端通过铰链(3)与外推杆(4)连接，外推杆(4)的另一端固定在外段翼(5)上，柔性蒙皮(15)位于内段翼(1)和外段翼(5)的连接处。3.根据权利要求1所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：所述的充气模块包括：中空结构的内连杆(7)、机翼冲压充气气孔(8)、气囊(9)、机翼减压排气气孔(10)和中空结构的外连杆(11)，所述的气囊(9)的两端分别与内连杆(7)和外连杆(11)的一端连接，内连杆(7)和外连杆(11)的另一端分别与内段翼(1)和外段翼(5)固定，所述的机翼冲压充气气孔(8)位于内连杆(7)和气囊(9)的连接处，机翼减压排气气孔(10)位于外连杆(11)和气囊(9)的连接处。4.根据权利要求3所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：所述的外连杆(11)的外侧套有弹簧(12)。5.根据权利要求3所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：所述的机翼减压排气气孔(10)属于常开状态。6.根据权利要求3所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：机翼冲压充气气孔(8)的尺寸大于机翼减压排气气孔(10)。7.根据权利要求1所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：所述的中控模块包括：供气装置(6)、角度传感器(13)、压力传感器(14)和控制模块(16)，所述的角度传感器(13)安装在铰链(3)上，压力传感器(14)位于气囊(9)的内部，由控制模块(16)根据角度传感器(13)和压力传感器(14)反馈的数据信息来控制供气装置(6)向内连杆(7)开始或停止充气，实现对气囊(9)内部气压的调节。8.根据权利要求1所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：所述的控制模块(16)内设有plc电路。9.根据权利要求1所述的一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，其特征在于：所述的外推杆(4)相对内推杆(2)旋转的角度限定值范围为：33.8
°
～-21.7
°
。

技术总结
本发明公开了一种充气驱动的外段翼主动运动连接关节机构，它包括：内段翼和外段翼，它还包括：位于内段翼和外段翼中间处的充气模块和运动连接模块，所述的充气模块和运动连接模块分别与中控模块相连，中控模块控制充气模块配合运动连接模块工作，实现外段翼相对内段翼的转动角度的控制。该机构降低了整机的重量，且结构简单，工作稳定可靠，在完成飞行动作的过程中具有更高的运动精度和气动效率，同时可以有效提高扑翼机飞行的飞行时长和使用寿命。以有效提高扑翼机飞行的飞行时长和使用寿命。


技术研发人员：向阳 秦苏洋
受保护的技术使用者：博尔德航空航天科技（苏州）有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/3/8