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原文传递一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构

专利名称：	一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构
摘要：	本发明公开了一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构，模仿蝗虫的起跳过程，设计了一种基于斯蒂芬森II型六杆机构的跳跃机构，该跳跃机构能实现相对四杆跳跃机构更优越的胫节末端直线运动轨迹。根据蝗虫的扑动观测，设计了一种曲柄滑块和双摇杆放大机构组合的串联四杆扑翼机构，具有较好的运动跟随性和传动特性。采用了两个自由转动方向相反的单向轴承，实现了单电机对跳跃和扑翼两种运动模式的驱动和切换，通过不完全齿轮实现对扭转弹簧进行缓慢压缩蓄能和瞬时释放实现跳跃；起跳之后，电机从切换转动方向实现预期的扑动规律。本发明实现了对蝗虫跳跃和扑翼飞行这两种运动模式的组合和快速切换，具有较好的仿生性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西北工业大学
发明人：	葛文杰;莫小娟;任逸飞;陈飞
专利状态：	有效
申请日期：	2021-11-24T00:00:00+0800
发布日期：	2022-03-22T00:00:00+0800
申请号：	CN202111400221.4
公开号：	CN114212159A
代理机构：	西北工业大学专利中心
代理人：	金凤
分类号：	B62D57/02;B64C33/02;B60F5/02;B;B62;B64;B60;B62D;B64C;B60F;B62D57;B64C33;B60F5;B62D57/02;B64C33/02;B60F5/02
申请人地址：	710072 陕西省西安市友谊西路127号
主权项：	1.一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构，其特征在于，包括机架、传动机构、串联四杆扑翼机构和跳跃机构；所述机架包括主机架(123)、扑翼机构副机架(201)和两条支撑前腿(124)；采用扑翼机构副机架固定螺钉(202)和扑翼机构副机架固定螺母(203)在主机架(123)两侧将扑翼机构副机架(201)和主机架(123)固定在一起；所述两条支撑前腿(124)安装在主机架(123)上预留的定位孔内，并通过胶接方式与主机架(123)固连，用于对整个机构实现稳定支撑；所述传动机构包括微型直流电机(101)、主轴齿轮兼一级减速高速齿轮(102)、第一双联齿轮(103)、第一传动轴(104)、扑翼驱动单向齿轮模块(106)、热熔螺母固定主动带轮模块(108)、传动带(110)、第二传动轴(111)、第三传动轴(112)、跳跃驱动单向齿轮模块(113)、热熔螺母固定齿轮模块(114)、第二双联齿轮(115)、第三双联齿轮(116)、第四传动轴(117)、五级减速低速齿轮兼双联不完全主动齿轮(119)和第五传动轴(120)；所述扑翼驱动单向齿轮模块(106)包括扑翼齿轮(106a)和扑翼驱动单向轴承(106b)；所述跳跃驱动单向齿轮模块(113)包括跳跃齿轮(113a)和跳跃驱动单向轴承(113b)；所述微型直流电机(101)安装在机架(123)上预留的定位孔内，并通过过盈和胶接方式与机架(123)固连；所述主轴齿轮兼一级减速高速齿轮(102)通过过盈配合和微型直流电机(101)输出轴固连，同时和第一双联齿轮(103)的端面齿轮啮合；所述第一双联齿轮(103)的小齿轮同时与扑翼齿轮(106a)和跳跃齿轮(113a)啮合；所述扑翼驱动单向轴承(106b)的外圈和扑翼齿轮(106a)过盈配合，扑翼驱动单向轴承(106b)的内圈和第二传动轴(111)过渡配合；所述跳跃驱动单向轴承(113b)的外圈和跳跃齿轮(113a)过盈配合，跳跃驱动单向轴承(113b)的内圈和第三传动轴(112)过渡配合；所述扑翼驱动单向轴承(106b)的自由转动方向为顺时针，所述跳跃驱动单向轴承(113b)的自由转动方向为逆时针；所述热熔螺母固定主动带轮模块(108)安装在第二传动轴(111)上，将动力通过传动带(110)传递给串联四杆扑翼机构，实现对串联四杆扑翼机构的驱动；第二传动轴(111)和第三传动轴(112)的两端安装在主机架(123)上预留的定位孔内，并和定位孔内的轴承过盈配合；所述热熔螺母固定齿轮模块(114)安装在第三传动轴(112)上，并和第二双联齿轮(115)的大齿轮啮合；所述第二双联齿轮(115)的小齿轮与第三双联齿轮(116)的大齿轮啮合；所述第二双联齿轮(115)与第一双联齿轮(103)同轴，空套在第一传动轴(104)上；所述第三双联齿轮(116)空套在第四传动轴(117)上；所述第三双联齿轮(116)的小齿轮和所述五级减速低速齿轮兼双联不完全主动齿轮(119)的一个不完全主动齿轮啮合；所述五级减速低速齿轮兼双联不完全主动齿轮(119)空套在第五传动轴(120)上；第一传动轴(104)、第四传动轴(117)和第五传动轴(120)均安装在主机架(123)上预留的定位孔内；当微型直流电机(101)顺时针转动时，第一双联齿轮(103)逆时针转动，跳跃驱动单向齿轮模块(113)顺时针转动，第三传动轴(112)顺时针转动，安装在第三传动轴(112)上的热熔螺母固定齿轮模块(114)顺时针转动，再依次通过第二双联齿轮(115)、第三双联齿轮(116)和五级减速低速齿轮兼双联不完全主动齿轮(119)实现五级减速，最终的输出作为跳跃机构的输入；此时扑翼齿轮(106a)顺时针转动，扑翼驱动单向轴承(106b)顺时针转动，故第二传动轴(111)保持静止，无法实现对串联四杆扑翼机构的驱动；当微型直流电机(101)逆时针转动时，第一双联齿轮(103)顺时针转动，扑翼驱动单向齿轮模块(106)逆时针转动，第二传动轴(111)逆时针转动，安装在第二传动轴(111)上的热熔螺母固定主动带轮模块(108)逆时针转动，再将动力通过传动带(110)传递给串联四杆扑翼机构；此时跳跃齿轮(113a)逆时针转动，跳跃驱动单向轴承(113b)逆时针转动，故第三传动轴(112)保持静止，无法实现对跳跃机构的驱动；所述串联四杆扑翼机构包括从动带轮兼扑翼机构曲柄部件(204)、第六传动轴(206)、扑翼机构曲柄部件(207)、碳纤维方管(208)、第一平头光轴(209)、第三轴承(210)、扑翼连杆(211)、共用滑块(212)、铜套(214)、光轴滑块导轨(215)、第二销轴(216)、左侧第一摇杆(217)、右侧第一摇杆、左侧连杆(218)、右侧连杆、左侧第二摇杆(219)、右侧第二摇杆、左侧翅膀固定杆(220)、右侧翅膀固定杆、第二平头光轴(221)、第三平头光轴(224)、第四平头光轴(225)、第五平头光轴(227)、龙骨(228)、翅膀后缘固定槽(229)、左侧薄膜翅(230)、右侧薄膜翅、第六平头光轴、第七平头光轴、第八平头光轴和第九平头光轴；所述从动带轮兼扑翼机构曲柄部件(204)与热熔螺母固定主动带轮模块(108)通过传动带(110)连接；所述从动带轮兼扑翼机构曲柄部件(204)和扑翼机构曲柄部件(207)通过碳纤维方管(208)型面配合组成扑翼机构曲柄，扑翼机构曲柄、扑翼连杆(211)和共用滑块(212)构成一个曲柄滑块机构；所述动带轮兼扑翼机构曲柄部件(204)和第一平头光轴(209)间隙配合，所述第一平头光轴(209)通过轴承安装在扑翼机构副机架(201)上预留的定位孔中；所述扑翼机构曲柄部件(207)通过第六传动轴(206)与安装在扑翼机构副机架(201)上预留的定位孔内的轴承连接；所述第三轴承(210)内圈和从动带轮兼扑翼机构曲柄部件(204)铰接；所述扑翼连杆(211)一端和第三轴承(210)过盈配合，另一端通过销轴和共用滑块(212)铰接；所述共用滑块(212)和两个铜套(214)过盈配合，所述铜套(214)和光轴滑块导轨(215)形成滑动副；所述两个光轴滑块导轨(215)与扑翼机构副机架(201)上预留的定位孔过盈配合；所述共用滑块(212)上部的定位孔内，安装第二销轴(216)；所述第二销轴(216)和左侧第一摇杆(217)及右侧第一摇杆的滑槽均形成滑移副；当所述共用滑块(212)上下移动时，左侧第一摇杆(217)和右侧第一摇杆转动，从而为串联四杆扑翼机构输入动力；所述左侧第一摇杆(217)和扑翼机构副机架(201)上的定位孔通过第二平头光轴(221)铰接，同时和左侧连杆(218)通过第四平头光轴(225)铰接；所述左侧连杆(218)和左侧第二摇杆(219)通过第五平头光轴(227)形成铰接，所述左侧第二摇杆(219)通过第三平头光轴(224)与扑翼机构副机架(201)上的定位孔铰接；所述左侧翅膀固定杆(220)通过胶接的方式安装在左侧第二摇杆(219)上的定位孔内，同时和左侧薄膜翅(230)的一条边粘接，左侧薄膜翅(230)的另一条边和固连在扑翼机构副机架(201)上的龙骨(228)粘接，并固定在翅膀后缘固定槽(229)中；所述右侧第一摇杆和扑翼机构副机架(201)上的定位孔通过第六平头光轴铰接，同时和右侧连杆通过第七平头光轴铰接；所述右侧连杆和右侧第二摇杆通过第八平头光轴形成铰接，所述右侧第二摇杆通过第九平头光轴与扑翼机构副机架(201)上的定位孔铰接；所述右侧翅膀固定杆通过胶接的方式安装在右侧第二摇杆上的定位孔内，同时和右侧薄膜翅的一条边粘接，右侧薄膜翅的另一条边和固连在扑翼机构副机架(201)上的龙骨(228)粘接，并固定在翅膀后缘固定槽(229)中；所述跳跃机构包括第一连杆(301)、扭力弹簧(302)、第二连杆(303)、第三连杆(304)、第四连杆(305)、第五连杆(306)、支撑足(307)、第六平头光轴(311)、第七平头光轴(312)、第八平头光轴(314)和第九平头光轴(315)；所述第五连杆(306)包括第五连杆打印关节(306a)、第五连杆销轴(306b)和第五连杆碳纤维杆(306c)；所述支撑足(307)包括支撑足打印关节(307a)和支撑足碳纤维杆(307b)；所述连杆一(301)包括不完全从动齿轮(301a)、第一连杆第二部件(301b)、第一连杆第三部件(301c)、第一光轴(301d)、第二光轴(301e)、轴承滚子(301f)和方管(301g)；所述不完全从动齿轮(301a)、第一连杆第二部件(301b)、第一连杆第三部件(301c)均安装在方管(301g)上，形成过渡配合；所述第二光轴(301e)间隙安装在方管(301g)中的定位孔中，同时第二光轴(301e)安装在主机架(123)上留有的定位孔内过盈配合的轴承滚子(301f)内壁，形成过盈配合；所述第一光轴(301d)过盈安装在不完全从动齿轮(301a)、第一连杆第二部件(301b)和第一连杆第三部件(301c)上的定位孔内；所述扭簧(302)有四个，均安装在第一连杆第二部件(301b)和第一连杆第三部件(301c)的外圈上，扭簧(302)的一只引脚和第一光轴(301d)相切，另一个引脚和主机架(123)的圆形立柱相切；所述第二连杆(303)的一端通过第九平头光轴(315)与不完全从动齿轮(301a)铰接，第二连杆(303)的另一端通过第七平头光轴(312)与第五连杆打印关节(306a)铰接；所述第三连杆(304)的一端和不完全从动齿轮(301a)铰接，另一端和第五连杆打印关节(306a)铰接；所述第四连杆(305)的一端通过第六平头光轴(311)和主机架(123)上预留的定位孔铰接，另一端通过和第五连杆打印关节(306a)铰接；所述第五连杆打印关节(306a)和第五连杆碳纤维杆(306c)通过3个第五连杆销轴(306b)固定；所述第五连杆碳纤维杆(306c)通过第八平头光轴(314)和支撑足(307)铰接；所述支撑足(307)由三个支撑足碳纤维杆(307b)和支撑足打印关节(307a)构成，支撑足碳纤维杆(307b)安装在支撑足打印关节(307a)上预留的定位孔内，并通过胶接等方式固连；所述五级减速低速齿轮兼双联不完全主动齿轮(119)的另一个不完全主动齿轮和不完全从动齿轮(301a)啮合，从而对跳跃机构的第一连杆(301)进行驱动，并利用不完全齿轮实现对跳跃机构中的扭力弹簧(302)进行缓慢蓄能和瞬间释放，从而使仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构跳跃；当微型直流电机(101)顺时针转动时，动力从微型直流电机(101)通过传动机构传输至跳跃机构，通过五级减速低速齿轮兼双联不完全主动齿轮(119)和不完全从动齿轮(301a)不完全齿轮实现对跳跃机构中的扭转弹簧进行压缩蓄能和瞬时释放实现跳跃；仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构起跳之后，微型直流电机(101)从顺时针转动切换至逆时针转动时，动力从微型直流电机(101)通过传动机构传输至串联四杆扑翼机构，实现预期的扑动规律。 2.根据权利要求1所述的一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构，其特征在于，所述热熔螺母固定主动带轮模块(108)包括主动带轮(108a)、第一热熔螺母(108b)和第一顶丝(108c)；所述主动带轮(108a)通过第一热熔螺母(108b)和第一顶丝(108c)过盈安装在传动轴二(111)上。 3.根据权利要求1所述的一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构，其特征在于，所述热熔螺母固定齿轮模块(114)包括三级减速高速齿轮(114a)、第二热熔螺母(114b)和第二顶丝(114c)；三级减速高速齿轮(114a)通过第二热熔螺母(114b)和第二顶丝(114c)过盈安装在传动轴三(112)上。 4.根据权利要求1所述的一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构，其特征在于，所述跳跃机构是在斯蒂芬森II型六杆跳跃机构基础上进行改进。 5.根据权利要求1所述的一种单电机驱动的仿蝗虫跳跃扑翼双运动模式机构，其特征在于，所述串联四杆扑翼机构的扑动频率为20Hz，扑动幅值为60°，下拍上拍时间比为1.5的扑动角度周期变化规律。
所属类别：	发明专利