一种无人机顺旋翼机构

1.本发明涉及一种顺旋翼机械结构的设计，属于航空飞行器的结构设计领域，特别是复合式布局垂直起降无人机的顺旋翼结构设计。


背景技术：

2.无人机成本较为低廉，能够避免驾驶人员的伤亡，可以执行许多有人机所不能执行的任务，应用前景较为广阔。其中垂直起降无人机与常规固定翼飞机相比，它具有垂直起降飞行能力，对起降场地要求较小；与传统直升机相比，其具有固定翼飞机较大的飞行速度与航程。


技术实现要素：

3.根据本发明的一个方面，提供了一种基于曲柄滑块机构的无人机机翼顺旋翼结构，其特征在于包括：
4.顺旋翼机构，其具有四杆机构和曲柄滑块机构，
5.旋翼，其为一个具有翼型的扁平升力体，通过设置在旋翼的下部的电机驱动旋翼旋转提供升力，旋翼与电机连接，
6.电机座上座，其是一个立方体，该立方体一面为正方形且另一面为半圆圆柱；
7.电机座下座，其为一个以半圆圆柱环为主体的立方体，
8.碳管，电机和旋翼通过电机座上座和下座共同卡死固定在碳管上，电机上座和下座之间相互固定，
9.电机套,其具有类似齿轮的形状，并通过螺钉被固定在电机上，用于辅助顺旋翼，
10.包括摇杆、拨杆和拐杆的四杆机构，用于实现顺旋翼功能，其中：摇杆为直线形，通过螺钉和舵机连接，提供系统驱动力；拨杆为三段折线形，通过拨动电机套完成对旋翼的角度调整；拐杆为大写字母l形，连接顺旋翼机构和锁死机构，实现机构间的配合；摇杆、拨杆、拐杆通过铜套和螺钉连接，形成转动副，
11.舵机，用于为摇杆提供驱动力，使摇杆顺时针旋转，
12.舵机架，其融合了舵机固定架和直线运动限位的功能，包括拐杆、连杆和顶针的曲柄滑块机构，用于实现锁死功能，其中：驱动力由摇杆提供，通过四杆机构传递至拐杆；连杆具有类似小写字母l的形状；顶针总体为圆柱形结构，其在舵机架的限制下只能进行直线运动，顶针的头部具有与电机套相互配合的形状，从而实现锁死功能；拐杆、连杆和顶针之间通过铜套和螺钉固定，形成转动副。
附图说明
13.图1-图3展示了无人机顺旋翼机构的整体外形结构。
14.图4展示了无人机顺旋翼机构的总体结构的俯视图。
15.图5为摇杆(8)等主要功能部件的示意图。
16.图6-图9依次显示了顺旋翼机构在工作时不同阶段的各部件状态。。
17.图10显示了无人机旋翼外露的整机视图。
18.图11显示了无人机旋翼收纳后，旋翼与机身保持平行的整机视图。
具体实施方式
19.现有的垂直起降无人机在转换为固定翼飞行后，旋翼随机停止旋转，不光会对飞行造成较大的阻力，也存在一定的安全隐患。针对这一问题，本发明提出了一种基于曲柄滑块机构的无人机机翼顺旋翼结构，切换后将旋翼可以保持在与机身平行的位置，可以有效地解决这些问题。。
20.本发明的机械结构主要完成机械控制旋翼的角度，机械锁死旋翼位置的功能。该结构具有如下特点：1)纯机械控制，具有较高的稳定性和可靠性；2)使用简单，便于操纵；3)控制旋翼角度精确，适合多种对旋翼角度有要求的情况；4)使用环境和装配要求较低。
21.为了解决现有顺旋翼系统可靠性和安全性差，控制系统要求较高，顺旋翼位置不精确，无法做到多个旋翼的顺旋翼同步等问题；需要设计一款可靠性，安全性，可控制性好，能够实现多桨同时完成顺旋翼的机械结构，该机构要求结构简单，能够快速的安装并能有效的完成顺旋翼需求。
22.本发明是通过对曲柄滑块机构和四杆机构的合理设计、组合、调整和装配调试来实现的。
23.以下结合附图说明本发明的实施例。
24.根据本发明的一个实施例的基于曲柄滑块机构的无人机机翼顺旋翼结构采用了：
25.1)顺旋翼机构总体布局，
26.该顺旋翼机构采用四杆机构和曲柄滑块机构，如图1至图3所示，其中，旋翼(7)为一个具有翼型的扁平升力体，通过设置在旋翼(7)的下部的电机(5)驱动旋翼(7)旋转提供升力，旋翼(7)与电机(5)通过螺钉连接。电机座上座(3)为一面为正方形，另一面为半圆圆柱的立方体；电机座下座(2)为一个以半圆圆柱环为主体的立方体。电机(5)和旋翼(7)通过电机座上座(3)和下座(2)共同卡死固定在碳管(1)上，电机上座(3)和下座(2)之间用螺钉固定，电机(5)上安装电机套(4)用以辅助顺旋翼。其中电机套(4)呈类似齿轮的形状，通过螺钉与电机(5)固定。
27.舵机架(12)形状较为特殊，其融合了舵机固定架和直线运动限位，降低了装配难度，提高了稳定性和可靠性。
28.2)顺旋翼机构设计
29.图4展示了无人机顺旋翼机构的总体结构的俯视图，其中，摇杆(8)、拨杆(9)和拐杆(11)构成顺旋翼机构，拐杆(11)、连杆(10)和顶针(13)构成锁死机构，两套机械结构通过舵机架(6)，固定在碳管(1)，结合电机套(4)实现顺旋翼功能。各部件之间通过螺钉结合铜套形成转动副和固定连接。
30.图5为主要功能部件的原理简化示意图，其中摇杆(8)由舵机(6)(图4)提供驱动力，顺时针旋转，带动整个系统工作，顶针(13)为直线运动。
31.四杆机构包括摇杆(8)、拨杆(9)和拐杆(11)，用于实现顺旋翼功能。摇杆(8)为直线形，通过螺钉和舵机(6)连接，提供系统驱动力。拨杆(9)为三段折线形，通过拨动电机套
(4)完成对旋翼的角度调整。拐杆(11)为大写字母l形，连接顺旋翼机构和锁死机构，实现机构间的配合。摇杆(8)、拨杆(9)、拐杆(11)之间通过铜套和螺钉连接，形成转动副。
32.3)锁死机构设计
33.曲柄滑块机构包括拐杆(11)、连杆(10)和顶针(13)，用于实现锁死功能。其中驱动力由摇杆(8)提供，通过四杆机构传递至拐杆(11)。连杆(10)为类似小写字母l的形状。顶针(13)由舵机架(12)限制只能进行直线方向运动，总体为圆柱形结构，顶针头特殊设计成与电机套(4)恰好配合的形状，实现锁死功能。拐杆(11)、连杆(10)和顶针(13)之间通过铜套和螺钉固定，形成转动副。
34.图6-图9依次显示了顺旋翼机构在工作时不同阶段的各部件状态。图6为顺旋翼机构开始工作，拨杆(9)刚刚碰到电机套(4)；图7为顺旋翼机构顺正旋翼，拨杆(9)带动电机套(4)转动直到旋翼旋转到与碳管一致的位置；图8为顺旋翼机构到锁死旋翼的位置，顶针(13)顶死到电机套深处锁死了旋翼的转动；图9为顺旋翼机构打开的状态，拨杆(9)和顶针(13)运动到与电机套完全不干涉的位置，使电机可以顺利正常的运行。
35.图10显示了无人机旋翼外露的整机状态，依次展示了垂尾(21)、机翼(22)、尾翼(23)、本发明旋翼(24)、起落架(25)、机身(26)和旋翼包覆杆(27)的整体布局。在本图中，本发明旋翼(24)方向与旋翼包覆杆(27)的方向不平行，处于外露状态。
36.图11显示了无人机旋翼(24)收纳后，旋翼(24)与旋翼包覆杆(27)保持平行，准备完成收纳的无人机状态。
37.有益效果
38.本发明的优点包括：
39.1)该机械结构采用四杆机构和曲柄滑块机构，控制原理和结构都较为简单。
40.2)顺旋翼机构采用纯机械式结构设计，提高了顺旋翼的效率，更加的可靠和稳定；
41.3)锁死机构结合电机套结构，有效阻止了顺旋翼过程中可能出现的不稳定情况。
42.顺旋翼过程:
43.顺旋翼过程，电机套由电机套固定孔(33)，固定在电机上。顺旋翼开始后，舵机(6)带动摇杆(8)转动，使拨杆(9)拨动电机套(4)上的顺旋翼拨杆齿(31)，带动电机(5)和旋翼(7)转动(如图6)。转动到图7位置，拨杆(9)与电机套(4)分离。若此时旋翼未顺正，则舵机(6)继续运动；若此时已经顺正，则舵机(6)继续运动到图8位置后停止运动，顶针(13)深入电机套(4)电机锁死槽(32)中，在电机套(4)中顶住锁死限位齿(34)，完成锁死。当电机(5)需要使用时，舵机(6)运动到如图9位置，顶针(13)退出电机套(34)槽，不与电机套(4)干涉，电机(5)正常运行。
44.实例一，复合式布局垂直起降和平飞转换
45.复合式布局的垂直起降无人机由垂直起降状态转换为平飞状态，旋翼停止工作。由于安装了顺旋翼机构，在转换过程中，通过顺旋翼机构将旋翼调整到与机身平行位置，使得无人机在转换后获得最小的气动阻力。顺旋翼完成后，锁死机构将旋翼位置固定，防止气流等对的影响。

技术特征：
1.一种基于曲柄滑块机构的无人机机翼顺旋翼结构，其特征在于包括：顺旋翼机构，其具有四杆机构和曲柄滑块机构，旋翼(7)，其为一个具有翼型的扁平升力体，通过设置在旋翼(7)的下部的电机(5)驱动旋翼(7)旋转提供升力，旋翼(7)与电机(5)连接，电机座上座(3)，其是一个立方体，该立方体一面为正方形且另一面为半圆圆柱；电机座下座(2)，其为一个以半圆圆柱环为主体的立方体，碳管(1)，电机(5)和旋翼(7)通过电机座上座(3)和下座(2)共同卡死固定在碳管(1)上，电机上座(3)和下座(2)之间相互固定，电机套(4),其具有类似齿轮的形状，并通过螺钉被固定在电机(5)上，用于辅助顺旋翼，包括摇杆(8)、拨杆(9)和拐杆(11)的四杆机构，用于实现顺旋翼功能，其中：摇杆(8)为直线形，通过螺钉和舵机(6)连接，提供系统驱动力；拨杆(9)为三段折线形，通过拨动电机套(4)完成对旋翼的角度调整；拐杆(11)为大写字母l形，连接顺旋翼机构和锁死机构，实现机构间的配合；摇杆(8)、拨杆(9)、拐杆(11)通过铜套和螺钉连接，形成转动副，舵机(6)，用于为摇杆(8)提供驱动力，使摇杆(8)顺时针旋转，舵机架(12)，其融合了舵机固定架和直线运动限位的功能，包括拐杆(11)、连杆(10)和顶针(13)的曲柄滑块机构，用于实现锁死功能，其中：驱动力由摇杆(8)提供，通过四杆机构传递至拐杆(11)；连杆(10)具有类似小写字母l的形状；顶针(13)总体为圆柱形结构，其在舵机架(12)的限制下只能进行直线运动，顶针的头部具有与电机套(4)相互配合的形状，从而实现锁死功能；拐杆(11)、连杆(10)和顶针(13)之间通过铜套和螺钉固定，形成转动副。2.根据权利要求1所述的无人机机翼顺旋翼结构，其特征在于：在顺旋翼过程，电机套由电机套固定孔(33)，固定在电机上，顺旋翼开始后，舵机(6)带动摇杆(8)转动，使拨杆(9)拨动电机套(4)上的顺旋翼拨杆齿(31)，带动电机(5)和旋翼(7)转动到旋翼与碳管一致的位置，拨杆(9)与电机套(4)分离，若此时旋翼未转动到碳管平行的角度，则舵机(6)继续运动；若旋翼已经转动到碳管平行的角度，则舵机(6)继续运动到锁死旋翼的位置后停止运动，在该锁死旋翼的位置顶针(13)深入电机套(4)的电机锁死槽(32)中，在电机套(4)中顶住锁死限位齿(34)，从而完成锁死，当需要使用电机(5)时，舵机(6)运动到使顺旋翼机构打开的位置，在该使顺旋翼机构打开的位置顶针(13)退出电机套(34)槽，不与电机套(4)发生作用，使电机(5)能正常运行。3.根据权利要求1所述的无人机机翼顺旋翼结构，其特征在于：当装备有所述无人机机翼顺旋翼结构的垂直起降无人机由垂直起降状态转换为平飞状态时，旋翼停止工作，在由垂直起降状态至平飞状态的转换过程中，借助所述无人机机翼顺旋翼结构将旋翼调整到与机身平行位置，使得无人机在转换后获得最小的气动阻力。4.根据权利要求1所述的无人机机翼顺旋翼结构，其特征在于：旋翼(7)与电机(5)通过螺钉连接，电机上座(3)和下座(2)之间用螺钉相互固定。

技术总结
本发明公开了一种无人机机翼顺旋翼结构，基于曲柄滑块机构和四杆机构设计，具备锁死功能，属于无人机技术领域，是优化垂直起降无人机由垂直起降状态转换为平飞状态的关键结构；所述顺旋翼结构包括安装在旋翼电机上的电机套、实现顺旋翼功能的四杆机构、实现锁死功能的曲柄滑块机构、结构驱动舵机以及电机和旋翼，所述总体结构安装于无人机碳管上，所述舵机及机构由安装在碳管上的舵机架固定，所述电机和旋翼由安装在碳管上的电机座固定。该无人机机翼顺旋翼结构，通过顺旋翼机构带动电机套将旋翼旋转至与机身平行的位置，通过锁死机构固定旋翼，降低了垂直起降无人机转换为水平飞行时的空气阻力，提高了垂直起降无人机的可靠性与稳定性。性与稳定性。性与稳定性。


技术研发人员：王耀坤 夏宇辰 杨超 付宁
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/4/5