1.本发明涉及可动翼飞行器和飞行机器人领域，特别是一种用于无人机的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机。


背景技术：

2.飞行器飞行方式有固定翼、旋翼和扑翼三种飞行类型，其中扑翼飞行是自然界飞行生物采用的飞行方式，主要利用双翅的上下扑动同时产生升力和推力，其主要特点是将举升、悬停和推进功能基于一体，同时具有很强的机动性和灵活性，更适合于执行绕过障碍物等的飞行。对于小尺寸和低速飞行状态的飞行器，属于低雷诺数下飞行，扑翼产生的非定常升力比固定翼的定常升力大得多；从推力方面来看，扑翼推进效率比螺旋桨推进效率高。
3.目前扑翼飞行器研究主要集中在模拟大自然中飞行生物的飞行姿态设计各种扑翼机构。扑翼驱动机构划可以分为多自由度扑翼驱动机构与单自由度扑翼驱动机构，前者能实现复杂的运动形式，但机构相对庞大复杂，后者驱动机构只需要实现拍打运动，通过固定机翼的后缘形成一个随机翼拍打而变化的迎角来实现扭转运动。
4.但这些扑翼机构的共同问题是总体气动效率偏低，甚至低于同尺度的固定翼微型飞行器。扑翼飞行器总体效率低下的主要原因是目前研究中大多是简单的仿造鸟类或昆虫翅膀的外形和扑动运动，却很难实现飞行生物扑翼上下扑动过程中利用翼翅自身姿态和结构的改变减小空气阻力并产生非定常气动力，由此产生的气动效率较低问题严重制约了扑翼式飞行器的普及应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种非常显著的减小扑翼型飞行器扑翼复位过程阻力、提升气动效率、气动力连续振动小、方便实现垂直起降、能快速切换飞行方向、飞行灵活性和机动性非常好的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机，以解决现有技术中存在的上述问题。
6.实现本发明目的的技术解决方案是：
7.提供一种双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机，包括扑翼、连接件、第一减速器、驱动电机、传动机构、摆动轴、第二减速器、步进电机、第三减速器、驱动电机以及机身框架，所述机身框架两侧对称的安装固定有两个水平方向的所述摆动轴，两个所述连接件分别连接在两个所述摆动轴上且相对转动，两个所述扑翼分别连接在两个所述连接件上且可相对转动，所述扑翼包括扑翼框架，以及安装在所述扑翼框架上的卷帘，所述扑翼框架内设置有平行四边形机构以及驱动电机，所述驱动电机经过所述第三减速器减速后通过所述平行四边形机构控制所述卷帘的展开与收缩，分别设置在两个所述连接件上的两个所述步进电机分别通过设置在两个所述连接件上的两个第二减速器减速后分别带动两个所述扑翼转动，所述传动机构连接在两个所述连接件上，设置在所述机身框架上的所述电动机通过设置在所述机身框架上的所述第三减速器减速后通过所述传动机构使两个连接件同
步上下摆动。
8.进一步的是，所述扑翼框架上包括实心卷帘安装梁、空心卷帘安装梁、导轨、所述平行四边形机构、电机安装框架和扑翼转轴，所述平行四边形机构设置有第一控制曲柄，控制连杆和第二控制曲柄，所述卷帘上有卷帘迎风面、卷帘背风面、卷帘通孔，所述第一控制曲柄插装在所述实心卷帘安装梁上，所述第二控制曲柄插装在所述空心卷帘安装梁上，所述导轨插装在所述实心卷帘安装梁和所述空心卷帘安装梁上，所述驱动电机安装在所述电机安装框架处；还包括销轴，所述第一控制曲柄和所述第二控制曲柄通过所述销轴连接所述控制连杆。
9.进一步的是，所述传动机构包括连杆、推杆、凸轮、传动轴，所述连接件上设置有方形轴，所述方形轴的方向与所述摆动轴孔的轴线垂直，所述连杆上设置有连杆方形孔和连杆圆孔，所述推杆上有第一推杆孔和第二推杆孔，所述凸轮上有凸轮转孔和凸轮曲面槽，两个所述连杆通过所述连杆方形孔分别套装在两个所述连接件的所述方形轴上，所述连杆可在所述方形轴上滑动但不能转动，所述连杆和所述推杆通过第一销轴连接所述连杆圆孔和所述第二推杆孔，所述推杆和所述凸轮通过第二销轴连接所述第一推杆孔和所述凸轮曲面槽，所述第二销轴的圆柱面与所述凸轮曲面槽的两个侧面都相切，所述传动轴连接所述凸轮转孔和所述第二减速器。
10.进一步的是，所述凸轮曲面槽关于凸轮转孔的轴线中心对称。
11.进一步的是，所述第一推杆孔的轴线和所述第二推杆孔的轴线垂直异面，所述凸轮曲面槽的两个侧面都为直纹面且直纹面素线与所述凸轮转孔的轴线平行，所述凸轮曲面槽的轮廓曲线为椭圆或其它对称且光滑的平面曲线。
12.进一步的是，所述扑翼转轴安装在所述第二减速器的输出轴上，所述步进电机的输出轴安装在所述第二减速器的输入孔内。
13.进一步的是，所述电动机的输出轴安装在所述第三减速器输入孔内。
14.进一步的是，所述驱动电机的输出轴安装在所述第一减速器输入孔内。
15.进一步的是，所述实心卷帘安装梁、所述空心卷帘安装梁以及所述导轨均为空心结构；所述实心卷帘安装梁、所述空心卷帘安装梁以及所述导轨为工程塑料材质或碳素纤维材质。
16.进一步的是，每个所述扑翼框架内安装所述销轴数量为2个。
17.一种双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机，其特征在于包括扑翼、连接件、第一减速器、驱动电机、传动机构、摆动轴、第二减速器、步进电机、第三减速器、驱动电机以及机身框架，机身框架两侧对称的安装固定有两个水平方向的摆动轴，两个连接件分别连接在两个摆动轴上且相对转动，两个扑翼分别连接在两个连接件上且可相对转动，扑翼包括扑翼框架，以及安装在扑翼框架上的卷帘，扑翼框架内设置有平行四边形机构以及驱动电机，驱动电机经过第三减速器减速后通过平行四边形机构控制卷帘的展开与收缩，分别设置在两个连接件上的两个步进电机分别通过设置在两个连接件上的两个第二减速器减速后分别带动两个扑翼转动，传动机构连接在两个连接件上，设置在机身框架上的电动机通过设置在机身框架上的第三减速器减速后通过传动机构使两个连接件同步上下摆动，扑翼框架上包括实心卷帘安装梁、空心卷帘安装梁、导轨、平行四边形机构、电机安装框架和扑翼转轴，平行四边形机构设置有第一控制曲柄，控制连杆和第二控制曲柄，卷帘上有
卷帘迎风面、卷帘背风面、卷帘通孔，第一控制曲柄插装在实心卷帘安装梁上，第二控制曲柄插装在空心卷帘安装梁上，导轨插装在实心卷帘安装梁和空心卷帘安装梁上，驱动电机安装在电机安装框架处；还包括销轴，第一控制曲柄和第二控制曲柄通过销轴连接控制连杆，传动机构包括连杆、推杆、凸轮、传动轴，连接件上设置有方形轴，方形轴的方向与摆动轴孔的轴线垂直，连杆上设置有连杆方形孔和连杆圆孔，推杆上有第一推杆孔和第二推杆孔，凸轮上有凸轮转孔和凸轮曲面槽，两个连杆通过连杆方形孔分别套装在两个连接件的方形轴上，连杆可在方形轴上滑动但不能转动，连杆和推杆通过第一销轴连接连杆圆孔和第二推杆孔，推杆和凸轮通过第二销轴连接第一推杆孔和凸轮曲面槽，第二销轴的圆柱面与凸轮曲面槽的两个侧面都相切，传动轴连接凸轮转孔和第二减速器，凸轮曲面槽关于凸轮转孔的轴线中心对称，第一推杆孔的轴线和第二推杆孔的轴线垂直异面，凸轮曲面槽的两个侧面都为直纹面且直纹面素线与凸轮转孔的轴线平行，凸轮曲面槽的轮廓曲线为椭圆或其它对称且光滑的平面曲线，扑翼转轴安装在第二减速器的输出轴上，步进电机的输出轴安装在第二减速器的输入孔内，电动机的输出轴安装在第三减速器输入孔内，驱动电机的输出轴安装在第一减速器输入孔内，实心卷帘安装梁、空心卷帘安装梁以及导轨均为空心结构；实心卷帘安装梁、空心卷帘安装梁以及导轨为工程塑料材质或碳素纤维材质。
18.本发明的工作原理是：当电动机启动后，经过第三减速器减速后带动传动轴和凸轮连续转动，对称的凸轮曲面槽带动插装在其中的两个第二销轴作对称的同步往复运动，两个第二销轴分别带动两个推杆作对称的往复平动，推杆通过与连杆的铰接，从而带动两侧的连接件和扑翼框架作上下往复摆动，当扑翼框架下扑时为工作状态，此时在驱动电机的控制下，第一控制曲柄开始运动，带动第二控制曲柄工作，从而使得实心卷帘安装梁与空心卷帘安装梁的运动保持同步，使卷帘随着控制曲柄的正反转进行展开与收缩，此时卷帘拉伸至最大面积，同时卷帘迎风面正对气流，卷帘通孔处的卷帘缠绕在空心卷帘安装梁上，而卷帘迎风面与气流运动方向垂直，气流直接作用在卷帘迎风面上获得最大的推动力，同时，通过步进电机经过第二减速器减速后带动扑翼框架转动，改变扑翼的倾角，气流作用在卷帘迎风面上的正压力可分解为升力和推力，扑翼倾角的改变可以调节升力和推力的大小；当扑翼框架远离传动轴运动时为复位状态，此时卷帘通孔运动到正对气流处，气流直接从卷帘通孔处流出，因此卷帘在复位过程中所受的空气阻力最小，因此卷帘在往返平动过程中能量利用效率高；复位行程结束时，气流作用力降低，在驱动电机的作用下，第一控制曲柄反转运动，控制卷帘转动到工作状态，当两个步进电机调节两个扑翼的翼面的倾角为零时，即可实现垂直起降功能，若两个扑翼产生的气动力与整机重量和阻力相等时，则可实现空中悬停；通过两个步进电机分别调整两个扑翼的扑翼倾角，则可调整每一个扑翼产生的升力和推力大小，可实现前进、后退和转弯功能。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
20.1.本发明所述的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机，将扑翼设置为上下摆动，并设计由驱动电机控制的卷帘，工作行程中卷帘以最大面积迎风运动，表面获得较大且分布均匀压力，工作行程推力大且稳定；在复位行程中卷帘通孔运动到正对气流处，气流直接从卷帘通孔处流出，风力作用面积小，因此扑翼复位阻力最小，从而达到大幅度提高扑翼气动效率的目的。
21.2.本发明所述的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机，摆动式扑翼中的
卷帘在工作状态与复位状态之间的切换是在驱动电机控制下，平行四边形机构带动完成，控制精度高且可靠性好。
22.3.本发明所述的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机，通过一个电动机同步控制两个扑翼的摆动，两侧扑翼同步、动作一致性好、且控制系统较简单，通过步进电机独立控制每一个扑翼倾角，从而实现垂直起降、空中悬停、前进、后退和转弯等功能，因此该类型扑翼无人机的机动性较好。
23.4.本发明所述的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机，结构简单，加工工艺性好，生产成本低，可广泛应用于低雷诺数飞行的各类小型飞行器和无人机中。
附图说明
24.图1是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的整体结构示意图。
25.图2是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机只安装一个扑翼在工作状态下详细结构示意图。
26.图3是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机只安装一个扑翼在复位状态下详细结构示意图。
27.图4是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机工作状态剖视图。
28.图5是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机复位状态剖视图。
29.图6是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的扑翼框架的结构示意图。
30.图7是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的卷帘的结构示意图。
31.图8是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的连接件的结构示意图。
32.图9是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的连杆的结构示意图。
33.图10是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的推杆的结构示意图。
34.图11是本发明的双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的凸轮的结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明作进一步描述，但不以任何方式限制本发明。
36.实施例1：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11，采用双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的高压电线巡检无人机。包括扑翼、连接件4、第一减速器5、驱动电机6、传动机构、摆动轴10、第二减速器12、步进电机13、第三减速器14、驱动电机15以及机身框架18，机身框架18两侧对称的安装固定有两个水平方向的摆动轴10，两个连接件4分别连接在两个摆动轴10上且相对转动，两个扑翼分别连接在两个连接件4上且可相对转动，扑翼包括扑翼框架1，以及安装在扑翼框架1上的卷帘2，扑翼框架1内设置有平
行四边形机构以及驱动电机17，驱动电机5经过第三减速器4减速后通过平行四边形机构控制卷帘2的展开与收缩，分别设置在两个连接件4上的两个步进电机13分别通过设置在两个连接件4上的两个第二减速器12减速后分别带动两个扑翼转动，传动机构连接在两个连接件4上，设置在机身框架18上的电动机15通过设置在机身框架18上的第三减速器14减速后通过传动机构使两个连接件4同步上下摆动；扑翼框架1上包括实心卷帘安装梁101、空心卷帘安装梁102、导轨103、平行四边形机构、电机安装框架106和扑翼转轴107，平行四边形机构设置有第一控制曲柄104，控制连杆105和第二控制曲柄108，卷帘2上有卷帘迎风面201、卷帘背风面202、卷帘通孔203，第一控制曲柄104插装在实心卷帘安装梁101上，第二控制曲柄108插装在空心卷帘安装梁102上，导轨103插装在实心卷帘安装梁101和空心卷帘安装梁102上，驱动电机4安装在电机安装框架106处；还包括销轴3，第一控制曲柄104和第二控制曲柄108通过销轴3连接控制连杆105，传动机构包括连杆7、推杆8、凸轮9、传动轴11，连接件4上设置有方形轴401，方形轴401的方向与摆动轴孔402的轴线垂直，连杆7上设置有连杆方形孔701和连杆圆孔702，推杆8上有第一推杆孔801和第二推杆孔802，凸轮9上有凸轮转孔901和凸轮曲面槽902，两个连杆7通过连杆方形孔701分别套装在两个连接件4的方形轴401上，连杆7可在方形轴401上滑动但不能转动，连杆7和推杆8通过第一销轴16连接连杆圆孔702和第二推杆孔802，推杆8和凸轮9通过第二销轴17连接第一推杆孔801和凸轮曲面槽902，第二销轴17的圆柱面与凸轮曲面槽902的两个侧面都相切，传动轴11连接凸轮转孔901和第三减速器14，凸轮曲面槽902关于凸轮转孔901的轴线中心对称，第一推杆孔801的轴线和第二推杆孔802的轴线垂直异面，凸轮曲面槽902的两个侧面都为直纹面且直纹面素线与凸轮转孔901的轴线平行，凸轮曲面槽902的轮廓曲线为椭圆或其它对称且光滑的平面曲线，扑翼转轴107安装在第二减速器12的输出轴上，步进电机13的输出轴安装在第二减速器12的输入孔内，电动机15的输出轴安装在第三减速器14输入孔内，驱动电机6的输出轴安装在第一减速器5输入孔内，实心卷帘安装梁101、空心卷帘安装梁102以及导轨103均为空心结构；实心卷帘安装梁101、空心卷帘安装梁102以及导轨103为工程塑料材质或碳素纤维材质。高压电线巡检无人机采用本发明双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机后，由于扑翼阻力小、气动效率高，能方便实现垂直起降、空中悬停，特别是能快速切换飞行方向，机动性和灵活性非常好，且装置气动力连续振动小，能高效率完成各项检测和拍照工作，相对于旋翼无人机，在搭载摄影设备等相同的工作载荷后，一次飞行时间增加20％，实现了较长航时工作。
37.实施例2：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11，采用双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机的高层灭火专用无人机。包括扑翼、连接件4、第一减速器5、驱动电机6、传动机构、摆动轴10、第二减速器12、步进电机13、第三减速器14、驱动电机15以及机身框架18，机身框架18两侧对称的安装固定有两个水平方向的摆动轴10，两个连接件4分别连接在两个摆动轴10上且相对转动，两个扑翼分别连接在两个连接件4上且可相对转动，扑翼包括扑翼框架1，以及安装在扑翼框架1上的卷帘2，扑翼框架1内设置有平行四边形机构以及驱动电机17，驱动电机5经过第三减速器4减速后通过平行四边形机构控制卷帘2的展开与收缩，分别设置在两个连接件4上的两个步进电机13分别通过设置在两个连接件4上的两个第二减速器12减速后分别带动两个扑翼转动，传动机构连接在两个连接件4上，设置在机身框架18上的电动机15通过设置在机身框架18上的第三减速器14减速后
通过传动机构使两个连接件4同步上下摆动；扑翼框架1上包括实心卷帘安装梁101、空心卷帘安装梁102、导轨103、平行四边形机构、电机安装框架106和扑翼转轴107，平行四边形机构设置有第一控制曲柄104，控制连杆105和第二控制曲柄108，卷帘2上有卷帘迎风面201、卷帘背风面202、卷帘通孔203，第一控制曲柄104插装在实心卷帘安装梁101上，第二控制曲柄108插装在空心卷帘安装梁102上，导轨103插装在实心卷帘安装梁101和空心卷帘安装梁102上，驱动电机4安装在电机安装框架106处；还包括销轴3，第一控制曲柄104和第二控制曲柄108通过销轴3连接控制连杆105，传动机构包括连杆7、推杆8、凸轮9、传动轴11，连接件4上设置有方形轴401，方形轴401的方向与摆动轴孔402的轴线垂直，连杆7上设置有连杆方形孔701和连杆圆孔702，推杆8上有第一推杆孔801和第二推杆孔802，凸轮9上有凸轮转孔901和凸轮曲面槽902，两个连杆7通过连杆方形孔701分别套装在两个连接件4的方形轴401上，连杆7可在方形轴401上滑动但不能转动，连杆7和推杆8通过第一销轴16连接连杆圆孔702和第二推杆孔802，推杆8和凸轮9通过第二销轴17连接第一推杆孔801和凸轮曲面槽902，第二销轴17的圆柱面与凸轮曲面槽902的两个侧面都相切，传动轴11连接凸轮转孔901和第三减速器14，凸轮曲面槽902关于凸轮转孔901的轴线中心对称，第一推杆孔801的轴线和第二推杆孔802的轴线垂直异面，凸轮曲面槽902的两个侧面都为直纹面且直纹面素线与凸轮转孔901的轴线平行，凸轮曲面槽902的轮廓曲线为椭圆或其它对称且光滑的平面曲线，扑翼转轴107安装在第二减速器12的输出轴上，步进电机13的输出轴安装在第二减速器12的输入孔内，电动机15的输出轴安装在第三减速器14输入孔内，驱动电机6的输出轴安装在第一减速器5输入孔内，实心卷帘安装梁101、空心卷帘安装梁102以及导轨103均为空心结构；实心卷帘安装梁101、空心卷帘安装梁102以及导轨103为工程塑料材质或碳素纤维材质。高层灭火专用无人机采用本发明双同步摆动平行四边形传动卷帘式扑翼无人机后，由于扑翼工作行程推力大、旋翼阻力小、气动效率高，因此有较强的机动性，能快速响应高层的紧急情况，快速飞行到高层失火点进行灭火。