(19)中华人民共和国国家知识产权局 只▣ (12)发明专利申请 可 (10)申请公布号CN104369864A (43)申请公布日2015.02.25 (21)申请号201410663709.X (22)申请日2014.11.19 (71)申请人上海工程技术大学 地址201620上海市松江区龙腾路333号 (72)发明人胡盛斌殷建峰梁贺举刘辉 (74)专利代理机构上海科盛知识产权代理有限 公司31225 代理人林君如 (51)1nt.Cl. B64C3302(2006.01) 权利要求书1页说明书6页附图2页 (54)发明名称 种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器 (57)摘要 本发明涉及一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行 器，由机架、涡轮蜗杆传动系统、扑翼旋转传动系 统、左侧前后扑动系统、右侧前后扑动系统和尾翼 系统组成，电机b主要通过齿轮b、齿轮c、蜗杆、前 涡轮、后涡轮、前两头拐角轴、后两头拐角轴驱动 左侧前扑翼、左侧后扑翼、右侧前扑翼、右侧后扑 翼高频扑动。电机a主要通过齿轮a、齿轮f、齿轮 d、齿轮e、传动轴、齿轮h、齿轮g、齿轮i驱动左侧 前扑翼、左侧后扑翼、右侧前扑翼、右侧后扑翼旋 转运动。与现有技术相比，本发明的每个扑翼可以 旋转运动：涡轮蜗杆传动具有自锁性：通过涡轮 蜗杆传动实现了左侧扑翼和右侧扑翼的扑动完全 对称：通过两头拐角轴和圆柱支杆构成的扑动机 构结构简单，扑动灵活。 67S99950
CN104369864A 权利要求书 1/1页 1.一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其特征在于，该飞行器由机架、涡轮蜗杆传动系 统、扑翼旋转传动系统、扑动系统及尾翼系统组成， 所述的机架包括主梁(13)，均布在主梁(13)前部两侧面上的四个圆柱环， 所述的涡轮蜗杆传动系统包括连接在主梁(13)上的齿轮箱（⑧），用于传动的电机 b(5),设置在齿轮箱(8)内的前涡轮(25)、后涡轮(23)，分别对称连接在前涡轮(25)、后涡 轮(23)圆心的前两头拐角轴(24)、后两头拐角轴(22)，所述的前涡轮(25)、后涡轮(23)均 与蜗杆(21)啮合，所述的电机b(⑤)通过电机轴b(18)与齿轮箱(8)内的齿轮组连接，并通 过与齿轮啮合传动的蜗杆(21)对前涡轮(25)、后涡轮(23)进行控制； 所述的扑翼旋转传动系统包括控制旋转传动的电机(4)，分别与四个圆柱环外环面啮 合连接的齿轮组，传动轴(36)，与传动轴(36)啮合连接的齿轮组构成，利用电机a(4)的电 机轴a(7)驱动与四个圆柱环外环面啮合连接的齿轮组： 所述的扑动系统包括以主梁为对称轴的左侧前扑动系统、左侧后扑动系统、右侧前扑 动系统、右侧后扑动系统，上述扑动系统均由与圆柱环外环面啮合连接的齿轮组连接的两 个摇杆支座，经销轴与对应摇杆支座活动连接的摇杆，设置在两个摇杆之间平行设置的圆 柱支杆，与两根摇杆连接扑翼构成，所述的前两头拐角轴(24)及后两头拐角轴(22)的端部 插设在上述圆柱支杆之间的空隙间，与圆柱支杆构成扑动机构： 所述的尾翼系统包括设置在主梁尾端的垂直安定面(14)、方向舵(15)、水平安定面 (16)及升降舵(17)。 2.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其特征在于，所述的前 两头拐角轴(24)、后两头拐角轴(22)穿过齿轮箱(5)的左右立面以转动副连接。 3.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其特征在于，所述的前 两头拐角轴(24)、后两头拐角轴(22)分别穿过两个圆柱环并与圆柱环的内环面以转动副 连接。 4.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其特征在于，与蜗杆 (21)啮合连接的齿轮组有相互啮合连接的齿轮b(19)与齿轮c(20)组成，所述的齿轮 b(19)与电机b(5)的电机轴(18)固定连接，所述的齿轮c(20)与蜗杆(21)固定连接。 5.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其特征在于，与四个圆 柱环外环面啮合的齿轮组有两个相互啮合传动的齿轮构成，其中一个齿轮通过圆柱环的外 环面与齿轮箱(6)以转动副连接，另一个齿轮与电机a(4)的电机轴a(7)固定连接。 6.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其特征在于，所述的前 两头拐角轴(24)及后两头拐角轴(22)的两端为对称结构，两端拐角部分与中部的水平轴 呈30度夹角，拐角部分长度需满足在整个转动过程中始终保持与圆柱支杆充分接触，控制 左侧扑翼与右侧扑翼在扑动时完全对称。 7.根据权利要求1所述的一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其特征在于，所述的摇 杆通过销轴与摇杆支座以转动副连接
CN104369864A 说明书 1/6页 一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器 技术领域 [0001] 本发明涉及仿生领域，尤其是涉及一种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器。 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、鹫、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] 为了使微型扑翼飞行器体积尽可能小，采用仿昆虫高频扑动飞行的设计方案是比 较合理的。目前，一般傲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，而双扑翼飞行器由于具有两队扑翼，效率较高、可控性强、飞行更为灵 活。专利CN100430297C中提出了一种微型单扑翼飞行器，该飞行器的主要特点是采用涡轮 蜗杆传动机构，特点是具有自锁性、传动比高、左右扑翼对称性好。专利C200942872Y提供 了一种仿蜻蜒双扑翼飞行器，但上述专利所提供的仿蜻蜒双扑翼飞行器具有明显的缺点， 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较差，甚至不能有 效飞行。此外，这些已有发明所提供的扑翼飞行器的扑翼都是一维扑动，即整个扑翼都不能 旋转，因而飞行运动不够灵活。 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而提供一种结构紧凑、体积 小，左右扑动严格对称且整个扑翼能够旋转，由电机驱动的微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器。 [0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0007] 种微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，由机架、涡轮蜗杆传动系统、扑翼旋转传动系 统、扑动系统及尾翼系统组成， [oo08]所述的机架主要由齿轮箱、主梁、圆柱环a、圆柱环b、圆柱环c、圆柱环d组成；所 述的涡轮蜗杆传动系统主要由齿轮箱、电机b、电机轴b、齿轮b、齿轮c、蜗杆、前涡轮、后涡 轮、前两头拐角轴、后两头拐角轴组成；
CN104369864A 说明书 2/6页 [0009] 所述的扑翼旋转传动系统主要由电机a、电机轴a、齿轮a、齿轮d、齿轮e、齿轮f、 传动轴、齿轮h、齿轮g、齿轮i组成； [0010] 所述的扑动系统包括左侧前扑动系统、左侧后扑动系统、右侧前扑动系统、右侧后 扑动系统，其中，左侧前扑动系统主要由与齿轮f连接的摇杆支座c、摇杆支座d、摇杆c、摇 杆d、圆柱支杆c、圆柱支杆d、左侧前扑翼10组成：所述的左侧后扑动系统主要由与齿轮d 连接的摇杆支座a、摇杆支座b、摇杆a、摇杆b、圆柱支杆a、圆柱支杆b、左侧后扑翼9组成： 所述的右侧前扑动系统主要由与齿轮g连接的摇杆支座e、摇杆支座f、摇杆e、摇杆f、圆柱 支杆e、圆柱支杆f、右侧前扑翼组成；所述的右侧后扑动系统主要由齿轮i、后两头拐角轴、 摇杆支座g、摇杆支座h、摇杆g、摇杆h、圆柱支杆g、圆柱支杆h、右侧后扑翼组成。 [0011]所述的机架的齿轮箱分别与主梁、圆柱环a、圆柱环b、圆柱环c、圆柱环d固定连 接。 [0012]所述的电机b的电机轴b与齿轮b固定连接，齿轮b与齿轮c啮合传动，蜗杆分别 与齿轮箱的前立面和后立面以转动副连接，蜗杆穿过齿轮箱的后立面与齿轮℃固定连接， 蜗杆分别与前涡轮和后涡轮啮合传动，前涡轮与前两头拐角轴固定连接，后涡轮与后两头 拐角轴固定连接，前两头拐角轴穿过齿轮箱的左立面和右立面以转动副连接，后两头拐角 轴穿过齿轮箱的左立面和右立面以转动副连接，前两头拐角轴分别穿过圆柱环b和圆柱环 c并与其内环面以转动副连接，后两头拐角轴分别穿过圆柱环和圆柱环d并与其内环面以 转动副连接。 [0013]所述的齿轮f通过圆柱环b的外环面与齿轮箱以转动副连接，齿轮d通过圆柱环 的外环面与齿轮箱以转动副连接，齿轮g通过圆柱环c的外环面与齿轮箱以转动副连接， 齿轮i通过圆柱环d的外环面与齿轮箱以转动副连接，电机a的电机轴a与齿轮a固定连 接，齿轮a与齿轮d啮合传动，齿轮d与齿轮e啮合传动，齿轮e与齿轮f啮合传动，齿轮 e与传动轴左端固定连接，传动轴穿过齿轮箱的左立面和右立面以转动副连接，传动轴右端 与齿轮h啮合传动，齿轮h分别与齿轮g和齿轮i啮合传动。 [0014]所述的齿轮f分别与摇杆支座c和摇杆支座d固定连接，摇杆支座c通过销轴c 与摇杆c以转动副连接，摇杆支座d通过销轴d与摇杆d以转动副连接，圆柱支杆c分别与 摇杆c和摇杆d固定连接，圆柱支杆d分别与摇杆c和摇杆d固定连接，左侧前扑翼分别与 摇杆c和摇杆d固定连接，前两头拐角轴的左端拐角轴与圆柱支杆c和圆柱支杆d构成扑 动机构。 [oo15]所述的齿轮d分别与摇杆支座a和摇杆支座b固定连接，摇杆支座a通过销轴a 与摇杆a以转动副连接，摇杆支座b通过销轴b与摇杆b以转动副连接，圆柱支杆a分别与 摇杆a和摇杆b固定连接，圆柱支杆b分别与摇杆a和摇杆b固定连接，左侧后扑翼分别与 摇杆a和摇杆b固定连接，后两头拐角轴的左端拐角轴与圆柱支杆a和圆柱支杆b构成扑 动机构。 [0o16]所述的齿轮g分别与摇杆支座e和摇杆支座f固定连接，摇杆支座e通过销轴e 与摇杆e以转动副连接，摇杆支座f通过销轴f与摇杆f以转动副连接，圆柱支杆e分别与 摇杆e和摇杆f固定连接，圆柱支杆f分别与摇杆e和摇杆f固定连接，右侧前扑翼分别与 摇杆e和摇杆f固定连接，前两头拐角轴的右端拐角轴与圆柱支杆e和圆柱支杆f构成扑 动机构
CN104369864A 说明书 3/6页 [o017]所述的齿轮i分别与摇杆支座g和摇杆支座h固定连接，摇杆支座g通过销轴g 与摇杆g以转动副连接，摇杆支座h通过销轴h与摇杆h以转动副连接，圆柱支杆g分别与 摇杆g和摇杆h固定连接，圆柱支杆h分别与摇杆g和摇杆h固定连接，右侧后扑翼分别与 摇杆g和摇杆h固定连接，后两头拐角轴的右端拐角轴与圆柱支杆g和圆柱支杆h构成扑 动机构。 [0018]所述的尾翼系统包括设置在主梁尾端的垂直安定面、方向舵、水平安定面及升降 舵。 [0019]所述的前两头拐角轴及后两头拐角轴的两端为对称结构，两端拐角部分与中部的 水平轴呈30度夹角，拐角部分长度需满足在整个转动过程中始终保持与圆柱支杆充分接 触，控制左侧扑翼与右侧扑翼在扑动时完全对称。 [0020]与现有技术相比，本发明每个扑翼可以旋转运动：涡轮蜗杆传动具有自锁性：通 过涡轮蜗杆传动实现了左侧扑翼和右侧扑翼的扑动完全对称；通过两头拐角轴和圆柱支杆 构成的扑动机构结构简单，扑动灵活。 附图说明 [0021] 图1为本发明的结构示意图； [0022] 图2为涡轮蜗杆传动局部结构示意图： [0023] 图3为左侧前后扑翼传动局部结构示意图： [0024] 图4为右侧前后扑翼传动局部结构示意图： [0025]图中，1-方向舵机、2-升降舵机、3-控制模块、4-电机a、5-电机b、6-齿轮a、 7-电机轴a、8-齿轮箱、9-左侧后扑翼、10-左侧前扑翼、11-右侧前扑翼、12-右侧后扑翼、 13-主梁、14-垂直安定面、15-方向舵、16-水平安定面、17-升降舵、18-电机轴b、19-齿 轮b、20-齿轮c、21-蜗杆、22-后两头拐角轴、23-后涡轮、24-前两头拐角轴、25-前涡轮、 26-齿轮d、27-销轴a、28-摇杆支座a、29-摇杆a、30-圆柱环a、31-圆柱支杆a、32-圆柱 支杆b、33-销轴b、34-摇杆支座b、35-摇杆b、36-传动轴、37-齿轮e、38-销轴c、39-摇杆 支座c、40-摇杆c、41-圆柱环b、42-圆柱支杆c、43-圆柱支杆d、44-销轴d、45-摇杆支座 d、46-摇杆d、47-齿轮f、48-齿轮g、49-摇杆e、50-摇杆支座e、51-销轴e、52-圆柱环c、 53-圆柱支杆e、54-圆柱支杆f、55-摇杆支座f、56-摇杆f、57-销轴f、58-齿轮h、59-摇 杆g、60-摇杆支座g、61-销轴g、62-圆柱支杆g、63-圆柱支杆h、64-圆柱环d、65-摇杆支 座h、66-摇杆h、67-销轴h、68-齿轮i。 具体实施方式 [0026] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 [0027] 实施例 [0028] 实施例 [0029]微型仿昆虫双旋转扑翼飞行器，其结构如图1至图4所示，主要由机架、涡轮蜗杆 传动系统、扑翼旋转传动系统、左侧前后扑动系统、右侧前后扑动系统、尾翼系统组成：机架 主要由齿轮箱8、主梁13、圆柱环a30、圆柱环b41、圆柱环c52、圆柱环d64组成；涡轮蜗杆 传动系统主要由齿轮箱8、电机b5、电机轴b18、齿轮b19、齿轮c20、蜗杆21、前涡轮25、后