1.本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种扑翼装置及飞行器。
背景技术：
2.扑翼机构与旋翼机构、固定翼机构等机构相比有显著灵活性、机动性和隐蔽性。随着机构规模的缩小，旋翼与固定翼产生升力的效率大大降低，而扑翼机构可以产生相对稳定的气动效应。因此，扑翼在微型飞行器、水下航行器等低雷诺数运动中得到了广泛的应用。
3.然而，现有的能够进行扑动和转动双自由度调节的扑翼机构，大多采用串联机构设计，即拍动和翻转两个运动分别由不同的电机来驱动实现，双翅的运动至少需要三个电机来实现。电机数量的增加使得整体重量增加，能耗增加，机构的效率降低。同时，多电机协调工作，芯片的运算速度变慢，容易出现脉冲不稳定，导致控制不准确的情况。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于提供一种扑翼装置及飞行器，用于降低扑翼飞行器的重量，仅需要一个电机即可实现同时进行拍动和翻转运动。
5.第一方面，本发明提供了一种扑翼装置，包括：
6.驱动机构、传动机构、支撑结构以及铰接在所述支撑机构上的扑翼机构，所述传动机构包括往复运动组件和齿轮机构，所述往复运动组件包括直线导轨、可转动组件以及推力结构；
7.所述驱动机构与所述直线导轨铰接，所述可转动组件通过所述齿轮机构与所述扑翼机构传动连接，所述可转动组件可移动的设在所述直线导轨上，所述推力结构固定在所述直线导轨上，所述驱动机构用于驱动所述可转动组件沿着所述直线导轨的导向方向运动，当所述推力结构与所述可转动组件配合，所述推力结构用于向所述可转动组件提供转动驱动力。
8.与现有技术相比，本发明实施例提供的扑翼装置包括驱动机构、传动机构、齿轮机构、支撑结构以及铰接在支撑机构上的扑翼机构。其中，传动机构包括往复运动组件和齿轮机构，往复运动组件包括直线导轨、可转动组件以及推力结构，当驱动机构与直线导轨铰接时，驱动机构可以驱动直线导轨绕铰接点旋转。此时，由于可转动组件可移动的设在所述直线导轨上，推力结构固定在所述直线导轨上，当直线导轨绕铰接点旋转时，可以带动可转动组件一起旋转，可转动组件还通过齿轮机构与扑翼机构传动连接，进而可以带动扑翼机构进行拍动运动。同时，驱动机构还可以驱动可转动组件沿着直线导轨的导向方向运动，当推力结构与可转动组件配合，推力结构可以向可转动组件提供转动驱动力，使得可转动组件可以进行转动，从而带动齿轮机构进行转动，进而带动扑翼机构进行翻转运动。因此，本发明实施例提供的扑翼装置可以实现扑翼机构在拍动运动过程中同时进行翻转运动的主动控制，使得仿生更加接近真实扑翼生物。
9.另外，本发明实施例的扑翼装置可以利用单个驱动机构即可实现扑翼机构在拍动运动过程中同时进行翻转运动，减少了电机的数量，降低了整体的重量，同时使整个机构运动过程更加稳定可靠。
10.由上可见，本发明实施例提供的扑翼装置降低扑翼飞行器的重量，而且仅需要一个电机即可实现同时进行拍动和翻转运动。
11.第二方面，本发明实施例提供了一种飞行器，包括第一方面所述的扑翼装置。
12.与现有技术相比，本发明提供的飞行器的有益效果与上述第一方面所述的扑翼装置的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
13.图1为本发明实施例的扑翼装置的结构示意图；
14.图2为本发明实施例的扑翼装置的后视图；
15.图3为本发明实施例的传动机构和扑翼机构的结构示意图；
16.图4为本发明实施例的可转动组件的结构示意图；
17.图5为本发明实施例的可移动安装件的结构示意图；
18.图6为本发明实施例的凸起结构被夹紧状态的示意图；
19.图7为本发明实施例的第二限位件的爆炸结构示意图。
20.附图标记：
21.100-驱动机构，110-驱动电机，120-曲柄滑块机构，121-转动件，122-导向连接件，123-滑动杆，124-滑块，200-传动机构，210-往复运动组件，211-直线导轨，212-可转动组件，2121-可转动套筒，2122-受力件，2123-凸起结构，213-推力结构，213a-第一推力结构，213b-第二推力结构，214-可移动安装件，2141-转动轴，2142-可移动安装件的滑块，2143-第一限位件，2143a-第一限位柱，2143b-第二限位柱，215-第二限位件，2151-弹簧座，2152-弹性件，2153-弹簧帽，220-齿轮机构，2201-主动锥齿轮，2202-从动锥齿轮，300-支撑结构，400-扑翼机构，500-扑翼连接件，600-机架。
具体实施方式
22.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描
述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.目前微型无人机在军事以及民用方面都正在普及，发挥着越来越重要的作用。在自然界中扑翼运动广泛存在，例如昆虫(如蜻蜓)、鸟类(如蜂鸟)和水生生物(如海龟)。仿生扑翼微型飞行器是一种以昆虫和鸟类为仿生对象的飞行器，扑翼机构与旋翼机构、固定翼机构等机构相比有显著灵活性、机动性和隐蔽性。随着机构规模的缩小，旋翼与固定翼产生升力的效率大大降低，而扑翼机构可以产生相对稳定的气动效应。扑翼飞行在很大程度上依赖于垂直升力，机器人能够实现飞行运动关键在于能够产生足够大的升力和对气动力的控制。因此，扑翼在微型飞行器、水下航行器等低雷诺数运动中得到了广泛的应用，这也使得扑翼飞行器作为微型无人机的重要研究内容。
28.对于扑翼飞行器来说，扑翼机构的设计关系到整个飞行器的气动性能和飞行效率。扑翼运动由翅膀的拍动以及翅膀的翻转两个运动共同组成。现有的国内外的大多数扑翼飞行器只能实现单一的拍动运动，实现形式为通过pid控制单一电机的转速来驱动机构，从而实现拍动运动。对于翻转运动，大部分只能通过气动力作用于柔性翼使其变形来进行被动调节，无法实现主动控制，因而无法完全模仿自然界中扑翼生物的运动规律，导致飞行器运动力和控制力不足。
29.目前，有个别扑翼飞行器能够进行扑翼运动，大多采用串联机构设计，即拍动和翻转两个运动分别由不同的电机来驱动实现。然而，串联式驱动存在两个问题，一是机构冗杂，实现单翅两个自由度的运动至少需要两个电机来实现控制，双翅的运动至少需要三个电机来实现。控制负责翻转运动的电机需要固定在翅膀上随翅膀进行扑动，使得负责拍动运动的电机负担重，能耗增加，机构的效率降低。二是对于控制系统来说，电机增加，芯片的运算速度变慢，容易出现脉冲不稳定，导致控制不准确的情况。
30.针对上述问题，本发明实施例提供一种扑翼装置及飞行器，用于降低扑翼飞行器的重量，仅需要一个电机即可实现同时进行拍动和翻转运动。应理解，该扑翼装置应用于微型飞行器，该扑翼装置为仿生扑翼装置。
31.图1示出了本发明示例性实施例的扑翼装置的结构示意图。图2示出了本发明示例性实施例的扑翼装置的后视图。如图1和图2所示，本发明示例性实施例提供的扑翼装置包括驱动机构100、传动机构200、支撑结构300以及铰接在所述支撑机构300上的扑翼机构400，驱动机构100与传动机构200铰接，传动机构200与扑翼机构400传动连接。应理解，驱动机构100可以做上下往复运动，扑翼机构的扑翼为柔性扑翼。
32.具体实施时，如图1所示，当上述驱动机构100的驱动端开始做上下往复运动时，可以带动传动机构200绕着铰接点进行上下旋转，从而带动扑翼机构400进行拍动。
33.示例性的，图3示出了本发明示例性实施例的传动机构和扑翼机构的结构示意图。如图1～3所示，上述传动机构200包括往复运动组件210和齿轮机构220，往复运动组件210
包括直线导轨211、可转动组件212以及推力结构213。驱动机构100与直线导轨211铰接，可转动组件212通过齿轮机构220与扑翼机构400传动连接，可转动组件212可移动的设在直线导轨211上，推力结构213固定在直线导轨211上，驱动机构100用于驱动可转动组件212沿着直线导轨211的导向方向运动，当推力结构213与可转动组件212配合，推力结构213用于向可转动组件212提供转动驱动力。其中，往复运动组件210与齿轮机构220传动连接。
34.示例性的，如图3所示，上述齿轮机构220可以包括主动锥齿轮2201和从动锥齿轮2202，主动锥齿轮2201与从动锥齿轮2202啮合，二者中心线垂直且在同一平面，齿轮传动比为1：1，主动锥齿轮2201还与可转动组件212传动连接，从动锥齿轮2022与扑翼机构传动连接。从动锥齿轮2202具有圆孔，扑翼机构利用从动锥齿轮2202上的圆孔与从动锥齿轮2202进行紧固装配，运动规律与从动锥齿轮完全相同。
35.示例性的，本发明实施例的扑翼装置还包括扑翼连接件500，扑翼机构400通过扑翼连接件500与齿轮机构220传动连接，扑翼机构400还通过扑翼连接件500与支撑结构300铰接，齿轮机构220固定在扑翼连接件500上。应理解，该支撑结构300固定在机架600上，该扑翼连接件500可以设置为u型，具有三个端面，其中一个端面用于固定主动锥齿轮2201，一个用于固定从动锥齿轮2202，另一个用于与支撑结构300铰接。从而实现了主动锥齿轮2201与从动锥齿轮2202的垂直啮合。
36.举例来说，如图3所示，上述直线导轨可以为具有滑槽的滑轨，可转动组件212可以通过滑槽与直线导轨211滑动连接，使得可转动组件212可以沿着直线导轨211的导向方向滑动。为了方便实施，上述推力结构213可以为设置在直线导轨侧面靠近其两端的转动限位柱，转动限位柱可以设置为两个，两个转动限位柱可以设在直线导轨211的同一侧，也可以设在直线导轨211的两侧，此处不做限定。转动限位柱用于限制可转动组件212沿着直线导轨211的导向方向滑动的距离。当推力结构213为两个时，可以将两个推力结构定义为第一推力结构213a和第二推力结构213b，可以将第一推力结构213a和第二推力结构213b设在直线导轨的同一侧。
37.具体实施时，如图1～3所示，当上述驱动机构100的驱动端开始做上下往复运动时，可以带动往复运动组件210绕着铰接点进行上下旋转。此时，由于往复运动组件210与齿轮机构220传动连接，进而可以带动齿轮机构220绕着铰接点进行上下旋转。同时，由于扑翼机构400还通过扑翼连接件500与支撑结构300铰接，支撑结构300固定在机架上，可以使得扑翼机构400绕着扑翼连接件500与支撑结构300的铰接点进行旋转，使得扑翼机构400进行拍动。可见，本发明实施例可以直接利用驱动机构100使得往复运动组件210进行往复运动。另外，往复运动组件210包括直线导轨211、可转动组件212以及推力结构213，可转动组件212可移动的设在直线导轨211上，推力结构213固定在直线导轨211上。
38.在此基础上，由于驱动机构100与直线导轨211铰接，驱动机构100可以带动直线导轨211绕着铰接点进行上下旋转，同时，还可以驱动可转动组件212沿着直线导轨211的导向方向运动，当推力结构213与可转动组件212接触时，推力结构213可以向可转动组件212提供转动驱动力，使得可转动组件212可以进行转动，从而带动上端的主动锥齿轮2201旋转，上端的主动锥齿轮2201与从动锥齿轮2202垂直啮合，当主动锥齿轮2201转动时，带动从动锥齿轮2202转动，从而带动柔性扑翼实现翻转运动。因此，本发明实施例提供的扑翼装置可以实现扑翼机构在拍动运动过程中同时进行翻转运动的主动控制，使得仿生更加接近真实
扑翼生物。
39.在一种可实现的方式中，图4示出了本发明实施例的可转动组件212的结构示意图。如图4所示，本发明实施例的可转动组件212包括可移动的设在直线导轨211上的可转动套筒2121，可转动套筒2121具有用于与推力结构213配合的受力件2122。当受力件2122与推力结构213配合，推力结构213用于向受力件2122施加转动驱动力。应理解，可转动套筒2121具有的受力件2122可以为沿着可转动套筒2121的周向设置的拨片，拨片的数量可以为多个，可转动组件212通过可转动套筒2121与齿轮机构220传动连接。主动锥齿轮2201的齿轮轴通过可转动套筒2121的通孔与可转动套筒2121紧固连接，二者运动规律完全相同。
40.具体实施时，当上述可转动组件212沿着直线导轨211进行往复运动，靠近直线导轨211的一端时，受力件2122会与上述推力结构213接触，推力结构213会向受力件2122施加反向作用力，使得受力件2122向着推力结构213的反方向旋转，从而带动可转动套筒2121向着反方向旋转。此时，由于可转动套筒2121还通过齿轮机构220与扑翼机构400传动连接，可转动套筒2121利用齿轮机构220带动扑翼机构400进行翻转运动。当上述可转动组件212沿着直线导轨211进行往复运动，靠近直线导轨211的另一端时，又会使得可转动组件212整体向着另一端的推力结构213的反方向旋转，从而利用齿轮机构220带动扑翼机构400进行翻转运动。
41.在一种可实现的方式中，如图3所示，本发明实施例的往复运动组件210还包括可移动的设在直线导轨上的可移动安装件214，图5示出了本发明实施例的可移动安装件的结构示意图。如图1～5所示，可移动安装件214具有旋转轴2141，可转动套筒2121可转动的套设在旋转轴2141上，可移动安装件214与直线导轨211滑动连接。其中，可移动安装件214的底部具有与直线导轨211配合的滑块2142，使得可移动安装件214与直线导轨211滑动连接。
42.具体实施时，上述可转动套筒2121可转动的套设在旋转轴2141上，当受力件2122受到推力结构213施加的反向作用力时，可转动套筒2121可以利用旋转轴2141进行转动，可转动套筒2121还与齿轮机构220传动连接，从而可以向齿轮机构220提供转动力，使得齿轮机构带动扑翼机构进行翻转运动。
43.示例性的，如图4所示，本发明实施例的可转动套筒2121还具有凸起结构2123。图6示出了本发明实施例的凸起结构被夹紧状态的示意图。如图6所示，往复运动组件210还包括：第一限位件2143和第二限位件215，第二限位件为弹性限位件，第一限位件2143和第二限位件215用于夹紧凸起结构2123。
44.为了方便安装，如图6所示，上述第一限位件可以为设在可移动安装件214上的两个限位柱，可以将两个限位柱定义为第一限位柱2143a和第二限位柱2143b。当受力件的数量为两个时，可以将两个受力件定义为第一受力件2122a和第二受力件2122b，第一受力件2122a和第二受力件2122b可以对称设在可转动套筒的周向，第一限位柱2143a和第二限位柱2143b可以分别设在第一受力件2122a和第二受力件2122b之间。其中，凸起结构2123可以设置为一个，凸起结构2123可以设在第一受力件2122a和第二受力件2122b之间。同时，第一限位柱2143a设在该凸起结构2123与第一受力件2122a之间，此时，弹性限位件可以设在凸起结构2123和第二受力件2122b之间，并且弹性限位件和第一限位柱2143a同时夹紧凸起结构。
45.具体实施时，如图1～6所示，当驱动机构100带动直线导轨211绕着铰接点旋转时，
可以使得可转动组件212沿着直线导轨211的导向进行往复运动。当可转动组件212运动至受力件2122接触到第一推力结构213a时，第一推力结构213a会向受力件2122施加作用力，使得受力件2122进行转动，从而带动可转动组件212进行转动，进而利用齿轮机构220带动扑翼机构400进行翻转运动。当可转动组件212运动至受力件2122接触到第二推力结构213b时，第二推力结构213b会向受力件2122施加作用力，使得受力件2122进行反向转动，从而带动可转动组件212进行反向转动，进而利用齿轮机构220带动扑翼机构400进行反向翻转运动。实现了扑翼机构400在拍动运动过程中同时进行翻转运动的主动控制，使得仿生更加接近真实扑翼生物。
46.在此基础上，当上述可转动套筒2121运动至受力件2122接触到第一推力结构213a时，第一推力结构213a会向受力件2122施加作用力，使得受力件2122进行转动。此时，由于第二限位柱2143b设在第一受力件2122a和第二受力件2122b之间，可以对可转动套筒2121的转动角度进行限制，从而可以控制柔性扑翼的翻转角度。
47.示例性的，图7示出了本发明实施例的第二限位件的爆炸结构示意图。如图7所示，上述弹性限位件可以包括弹簧座2151、弹性件2152以及弹簧帽2153，弹簧座2151具有与直线导轨211的轨道配合的滑块，滑块与直线导轨211滑动连接，弹性件2152设在弹簧座2151内，弹簧帽2153设在弹性件2152背离弹簧座2151的端部，可以实现往复运动。第一限位件2143和弹簧帽2153用于夹紧凸起结构2123。
48.具体实施时，上述弹簧座2151和可移动安装件214在驱动机构100的作用下沿着直线导轨211的轨道滑动，当受力件2122未接触到推力结构213时，第一限位件2143和弹簧帽2153用于夹紧凸起结构2123，弹簧帽2153与凸起结构2123时刻紧贴，起到弹性紧固的作用。当受力件2122与推力结构213接触时，推力结构213向受力件2122施加作用力，此时，使得可转动套筒2121含有的凸起结构2123向弹性限位组件施加作用力，从而使得弹簧帽2153挤压弹性件，弹簧帽2153回缩，进而使得可转动套筒2121进行转动。
49.在一种可选方式中，如图1所示，本发明实施例的驱动机构包括驱动电机110和曲柄滑块机构120，驱动电机110的驱动端与曲柄滑块机构120的曲柄连接，曲柄滑块机构120的滑块与直线导轨211铰接。曲柄滑块机构包括转动件121、导向连接件122、滑动杆123以及与滑动杆123配合的滑块124，转动件121与驱动电机110的驱动端转动连接，转动件121还与导向连接件122固定连接，导向连接件122与滑块124固定连接，滑块124与直线导轨211铰接。为了方便安装，可以将滑动杆123与扑翼飞行器的机架600固接。其中，转动件121可以为转盘，导向连接件122可以为连杆。
50.示例性的，可以将上述滑块124设置为具有通孔的滑块，滑动杆123穿过该滑块的通孔，使得滑块124可以沿着滑动杆123进行往复运动，滑块124与导向连接件122铰接。导向连接件122的一端可绕与滑块124的铰接点进行自由旋转，导向连接件122的另一端与转盘铰接，与转盘铰接的连接点的运动为偏心运动，导向连接件122可绕与转盘的连接点自由旋转。转盘中心有一圆孔，可以将驱动电机100的输出轴与圆孔紧固配合，实现同步旋转。应理解，驱动电机100可以为直流电机、交流电机或其它电机，此处不做赘述。
51.具体实施时，利用驱动电机100驱动转盘进行转动，带动导向连接件122进行转动的同时导向连接件122沿着滑动杆123进行上下往复运动，从而带动滑块124沿着滑动杆123进行往复运动。当滑块124沿着滑动杆123进行往复运动，与滑块124铰接的直线导轨211会
绕着与滑块124的铰接点进行转动。当直线导轨211绕着与滑块124的铰接点转动时，可移动安装件214和弹性限位件会在直线导轨211上做往复运动。
52.在一种可实现的方式中，本发明实施例的传动机构和扑翼机构均为两个，曲柄滑块机构的滑块与每个传动机构含有的直线导轨铰接，每个传动机构含有的可转动组件通过齿轮机构与扑翼机构传动连接，两个扑翼机构均与支撑机构铰接。也就是说，两个传动机构含有的直线导轨均和曲柄滑块机构的滑块铰接，因此，只需要一个驱动电机驱动曲柄滑块机构进行运动，即可使得两个传动机构共同运动，进而使得两个扑翼机构在实现拍动运动的同时，还可以实现翻转运动。
53.在一种可选方式中，本发明实施例的扑翼装置还可以包括控制器以及与控制器电连接的传感器，控制器还与驱动机构电连接，传感器用于检测扑翼机构的信号，控制器700用于控制驱动机构运动。其中，传感器可以为mpu-6050传感器，也可以为其它类型的传感器，此处不做限定。
54.具体实施时，当传感器检测到扑翼运动信号时，传感器将扑翼运动信号输送至控制器，由于控制器与驱动电机电连接，此时，控制器可以控制驱动电机进行转动，驱动电机即可带动曲柄滑块机构沿着滑动杆进行上下往复运动，从而带动往复运动机构进行上下往复运动。此时，由于扑翼机构通过扑翼连接件与齿轮机构传动连接，扑翼机构还通过扑翼连接件与支撑结构铰接，支撑结构固定在机架上，滑动杆也固定在机架上，因此，往复运动机构可以带动扑翼机构绕着扑翼连接件与支撑结构的铰接进行旋转，从而实现了扑翼机构的拍动运动。
55.在此基础上，当驱动电机即可带动曲柄滑块机构沿着滑动杆进行上下往复运动，从而可以带动直线导轨进行上下往复运动，进而带动可转动组件沿着直线导轨进行左右往复运动，可转动组件进行左右往复运动的过程中，当接触推力结构后可以进行转动，从而可以带动齿轮机构转动，从而带动扑翼机构进行翻转运动。
56.本发明是实施例的扑翼装置和飞行器可以实现扑翼机构在拍动运动过程中同时进行翻转运动的主动控制，使得仿生更加接近真实扑翼生物。而且，通过该种设计结构，可以减少扑翼结构的组装零部件，只采用单个驱动机构，即可以保证传动的稳定性，减去了不必要的结构，用最少的零件完成扑翼运动，且配重均匀，装配更加简单，稳定性更好。
57.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明的意图包括这些改动和变型在内。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。