1.本发明涉及可动翼飞行器和飞行机器人领域，特别是一种四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器。


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四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器，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.提供一种四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器，包括帘翼、连接件、第一减速器、步进电机、传动机构、第二减速器、电动机、机身框架、第三减速器、驱动电机以及摆动轴，所述机身框架四周对称的安装固定有四个水平方向的所述摆动轴，四个所述连接件分别连接在四个所述摆动轴上且相对转动，四个所述帘翼分别连接在四个所述连接件上且可相对转动，所述帘翼包括帘翼框架，以及套装在帘翼框架上的连续的软质帘，所述帘翼框架内设置有第三减速器以及驱动电机，所述驱动电机通过所述第三减速器减速后控制所述软质帘的展开和收缩，分别设置在四个所述连接件上的四个所述步进电机分别通过设置在四个所述连接件上的四个第一减速器减速后分别带动四个所述帘翼转动，所述传动机构连接在四个所述连接件上，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二减速器减速后带动所述传动机构运动使四个连接件同步上下摆动。
8.进一步的是，所述帘翼框架上有第一卷簧安装孔、第二卷簧安装孔、导轨、帘翼安装梁、电机安装孔、转轮轴、帘翼转轴、第一安装板、第二安装板和连接横梁，所述软质帘上有软质帘迎风面、软质帘背风面，所述连接件设置有摆动轴孔和帘翼转轴孔，所述摆动轴孔的轴线与所述帘翼转轴孔的轴线垂直，所述摆动轴插装在所述摆动轴孔内且可转动，所述帘翼转轴插装在所述帘翼转轴孔内且可转动；所述导轨安装在所述第一安装板与所述第二安装板上，所述转轮轴插装在所述第一安装板与所述第二安装板内，所述连接横梁插装在所述第一安装板与所述第二安装板内，所述帘翼安装梁插装在所述导轨内且可滑动，所述驱动电机安装在所述电机安装孔上，所述卷簧安装在所述第一卷簧安装孔和所述第二卷簧安装孔上。
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，四个所述连杆通过所述连杆方形孔分别套装在四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，所述帘翼转轴安装在所述第一减速器的输出轴上，所述步进电机的输出轴安装在所述第一减速器的输入孔内。
13.进一步的是，所述电动机的输出轴安装在所述第二减速器输入孔内。
14.进一步的是，所述驱动电机的输出轴安装在所述第三减速器输入孔内。
15.进一步的是，所述帘翼框架上设置有所述转轮轴、所述帘翼转轴和所述连接横梁，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。
16.进一步的是，每个所述帘翼框架内安装所述卷簧的数量为2个。
17.一种四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器，其特征在于包括帘翼、连接件、第一减速器、步进电机、传动机构、第二减速器、电动机、机身框架、第三减速器、驱动电机以及摆动轴，机身框架四周对称的安装固定有四个水平方向的摆动轴，四个连接件分别连接在四个摆动轴上且相对转动，四个帘翼分别连接在四个连接件上且可相对转动，帘翼包括帘翼框架，以及套装在帘翼框架上的连续的软质帘，帘翼框架内设置有第三减速器以及驱动电机，驱动电机通过第三减速器减速后控制软质帘的展开和收缩，分别设置在四个连接件上的四个步进电机分别通过设置在四个连接件上的四个第一减速器减速后分别带动四个帘翼转动，传动机构连接在四个连接件上，设置在机身框架上的电动机通过设置在机身框架上的第二减速器减速后带动传动机构运动使四个连接件同步上下摆动，帘翼框架上有第一卷簧安装孔、第二卷簧安装孔、导轨、帘翼安装梁、电机安装孔、转轮轴、帘翼转轴、第一安装板、第二安装板和连接横梁，软质帘上有软质帘迎风面、软质帘背风面，连接件设
置有摆动轴孔和帘翼转轴孔，摆动轴孔的轴线与帘翼转轴孔的轴线垂直，摆动轴插装在摆动轴孔内且可转动，帘翼转轴插装在帘翼转轴孔内且可转动；导轨安装在第一安装板与第二安装板上，转轮轴插装在第一安装板与第二安装板内，连接横梁插装在第一安装板与第二安装板内，帘翼安装梁插装在导轨内且可滑动，驱动电机安装在电机安装孔上，卷簧安装在第一卷簧安装孔和第二卷簧安装孔上，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，四个连杆通过连杆方形孔分别套装在四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，帘翼转轴安装在第一减速器的输出轴上，步进电机的输出轴安装在第一减速器的输入孔内，电动机的输出轴安装在第二减速器输入孔内，驱动电机的输出轴安装在第三减速器输入孔内，帘翼框架上设置有转轮轴、帘翼转轴和连接横梁，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。
18.本发明的工作原理是：当电动机启动后，经过第二减速器减速后带动传动轴和凸轮连续转动，对称的凸轮曲面槽帘动插装在其中的四个第二销轴作对称的同步往复运动，四个第二销轴分别帘动四个推杆作对称的往复平动，推杆通过与连杆的铰接，从而带动四周的连接件和帘翼框架作上下往复摆动，当一对帘翼同步下扑时另外一对帘翼同步上扑，当帘翼框架下扑时为工作状态，此时驱动电机不工作，软质帘在卷簧的作用下拉伸至最大面积，使得所述软质帘迎风面正对气流，所述软质帘迎风面与气流运动方向垂直，气流直接作用在所述软质帘迎风面上获得最大的推动力，同时，通过步进电机经过第一减速器减速后带动帘翼框架转动，改变帘翼的倾角，气流作用在软质帘迎风面上的正压力可分解为升力和推力，软质帘倾角的改变可以调节升力和推力的大小；当帘翼框架远离传动轴运动时为复位状态，此时所述驱动电机开始工作，驱动转轮轴工作，转轮轴卷动软质帘收缩，气流直接从帘翼框架处流出，因此所述软质帘在复位过程中所受的空气阻力最小，因此所述软质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，此时驱动电机反方向转动，在卷簧的作用下，驱动软质帘转动到工作状态。当四个步进电机调节四个帘翼的翼面的倾角为零时，即可实现垂直起降功能，若四个帘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；通过四个步进电机分别调整四个帘翼的帘翼倾角，则可调整每一个帘翼产生的升力和推力大小，四组升力和推力能使无人机产生空间任意方向的合力和力偶，因此能使无人机快速切换到任意方向飞行。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
20.1.本发明所述的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器，将帘翼设置为上下摆动，并设计由驱动电机控制的软质帘，工作行程中软质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，并且帘翼在工作状态时迎风面积可变，因此驱动能量可调；而复位状态时在驱动电机控制下，软质帘收缩，气流从帘翼框架处直接流
出，风力作用面积小，因此帘翼复位阻力最小，从而达到大幅度提高帘翼气动效率的目的。
21.2.本发明所述的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器，摆动式帘翼中的软质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，卷簧带动完成，控制精度高且可靠性好。
22.3.本发明所述的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器，通过一个电动机同步控制四个扑翼的摆动，当一对扑翼上扑时，另外一对扑翼下扑，动作一致性好、气动力输出连续、飞行器整体振动小且控制系统较简单，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、快速切换到任意方向飞行，因此该类型扑翼无人机的灵活性和机动性非常好。
23.4.本发明所述的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器，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是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的整体结构示意图。
25.图2是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器详细结构示意图。
26.图3是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器凸轮处的放大示意图。
27.图4是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器下扑帘翼剖视图。
28.图5是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器上扑帘翼剖视图。
29.图6是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的帘翼框架的结构示意图。
30.图7是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的软质帘的结构示意图。
31.图8是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的连接件的结构示意图。
32.图9是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的连杆的结构示意图。
33.图10是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的推杆的结构示意图。
34.图11是本发明的四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器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，采用四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的高压电线巡检无人机。包括帘翼、连接件4、第一减速器5、步进电机6、传动机构、第二减速器11、电动机12、机身框架15、第三减速器16、驱动电机17以及摆动轴18，机身框架15四周对称的安装固定有四个水平方向的摆动轴18，四个
连接件4分别连接在四个摆动轴18上且相对转动，四个帘翼分别连接在四个连接件4上且可相对转动，帘翼包括帘翼框架1，以及套装在帘翼框架1上的连续的软质帘2，帘翼框架1内设置有第三减速器16以及驱动电机17，驱动电机17通过第三减速器16减速后控制软质帘2的展开和收缩，分别设置在四个连接件4上的四个步进电机6分别通过设置在四个连接件4上的四个第一减速器5减速后分别带动四个帘翼转动，传动机构连接在四个连接件4上，设置在机身框架15上的电动机12通过设置在机身框架15上的第二减速器11减速后带动传动机构运动使四个连接件4同步上下摆动；帘翼框架1上有第一卷簧安装孔101、第二卷簧安装孔102、导轨103、帘翼安装梁104、电机安装孔105、转轮轴106、帘翼转轴107、第一安装板108、第二安装板109和连接横梁110，软质帘2上有软质帘迎风面201、软质帘背风面202，连接件4设置有摆动轴孔402和帘翼转轴孔403，摆动轴孔402的轴线与帘翼转轴孔403的轴线垂直，摆动轴18插装在摆动轴孔402内且可转动，帘翼转轴107插装在帘翼转轴孔403内且可转动；导轨103安装在第一安装板108与第二安装板109上，转轮轴106插装在第一安装板108与第二安装板109内，连接横梁110插装在第一安装板108与第二安装板109内，帘翼安装梁104插装在导轨103内且可滑动，驱动电机17安装在电机安装孔105上，卷簧3安装在第一卷簧安装孔101和第二卷簧安装孔102上，传动机构包括连杆7、推杆8、凸轮9、传动轴10，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902，四个连杆7通过连杆方形孔701分别套装在四个连接件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13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14连接第一推杆孔801和凸轮曲面槽902，第二销轴14的圆柱面与凸轮曲面槽902的两个侧面都相切，传动轴10连接凸轮转孔901和第二减速器11，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，帘翼转轴107安装在第一减速器5的输出轴上，步进电机6的输出轴安装在第一减速器5的输入孔内，电动机12的输出轴安装在第二减速器11输入孔内，驱动电机17的输出轴安装在第三减速器16输入孔内，帘翼框架1上设置有转轮轴106、帘翼转轴107和连接横梁110，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。高压电线巡检无人机采用本发明四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器后，由于帘翼阻力小、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，采用四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器的高层建筑灭火专用无人机。包括帘翼、连接件4、第一减速器5、步进电机6、传动机构、第二减速器11、电动机12、机身框架15、第三减速器16、驱动电机17以及摆动轴18，机身框架15四周对称的安装固定有四个水平方向的摆动轴18，四个连接件4分别连接在四个摆动轴18上且相对转动，四个帘翼分别连接在四个连接件4上且可相对转动，帘翼包括帘翼框架1，以及套装在帘翼框架1上的连续的软质帘2，帘翼框架1内设置有第三减速器16以及驱动电机17，驱动电机17通过第三减速器16减速后控制软质帘
2的展开和收缩，分别设置在四个连接件4上的四个步进电机6分别通过设置在四个连接件4上的四个第一减速器5减速后分别带动四个帘翼转动，传动机构连接在四个连接件4上，设置在机身框架15上的电动机12通过设置在机身框架15上的第二减速器11减速后带动传动机构运动使四个连接件4同步上下摆动；帘翼框架1上有第一卷簧安装孔101、第二卷簧安装孔102、导轨103、帘翼安装梁104、电机安装孔105、转轮轴106、帘翼转轴107、第一安装板108、第二安装板109和连接横梁110，软质帘2上有软质帘迎风面201、软质帘背风面202，连接件4设置有摆动轴孔402和帘翼转轴孔403，摆动轴孔402的轴线与帘翼转轴孔403的轴线垂直，摆动轴18插装在摆动轴孔402内且可转动，帘翼转轴107插装在帘翼转轴孔403内且可转动；导轨103安装在第一安装板108与第二安装板109上，转轮轴106插装在第一安装板108与第二安装板109内，连接横梁110插装在第一安装板108与第二安装板109内，帘翼安装梁104插装在导轨103内且可滑动，驱动电机17安装在电机安装孔105上，卷簧3安装在第一卷簧安装孔101和第二卷簧安装孔102上，传动机构包括连杆7、推杆8、凸轮9、传动轴10，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902，四个连杆7通过连杆方形孔701分别套装在四个连接件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13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14连接第一推杆孔801和凸轮曲面槽902，第二销轴14的圆柱面与凸轮曲面槽902的两个侧面都相切，传动轴10连接凸轮转孔901和第二减速器11，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，帘翼转轴107安装在第一减速器5的输出轴上，步进电机6的输出轴安装在第一减速器5的输入孔内，电动机12的输出轴安装在第二减速器11输入孔内，驱动电机17的输出轴安装在第三减速器16输入孔内，帘翼框架1上设置有转轮轴106、帘翼转轴107和连接横梁110，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。高层建筑灭火专用无人机采用本发明四拉帘式同步摆动式驱动能量可调扑翼飞行器后，由于帘翼工作行程推力大、阻力小、气动效率高，因此有较强的机动性，能快速响应高层建筑的紧急情况，快速飞行到高层建筑失火点进行灭火。