高 杰（北京茵普蘭科技發(fā)展有限公司，北京　102299）

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微型撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究

高 杰
（北京茵普蘭科技發(fā)展有限公司，北京102299）

摘要：本文通過對雙曲柄機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、二段式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，對微型撲翼飛行器的研究起到推動(dòng)作用，要做到輕巧、緊湊、效率高，所以傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展一直是當(dāng)今微型撲翼飛行器的熱點(diǎn)課題。

關(guān)鍵詞：微型撲翼飛行器；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；特點(diǎn)；進(jìn)程；展望

1 微型撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

仿生學(xué)研究表明，動(dòng)物飛行能力和技巧的多樣性多半來源于它們翅膀的多樣性和微妙復(fù)雜的翅膀運(yùn)動(dòng)模式。要想做到像鳥類的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，或者象昆蟲類高頻振翅撲動(dòng)，都是相當(dāng)困難的，撲翼飛行的特點(diǎn)就是利用動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成撲翼的上下?lián)鋭?dòng)，產(chǎn)生升力和推力，由于微型撲翼飛行器將懸停、轉(zhuǎn)向和推進(jìn)性能的來源都集中到撲翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，因此就要有高效、節(jié)能的傳動(dòng)系統(tǒng)與之相適應(yīng)。微型撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常包括：機(jī)架、動(dòng)力輸入、連桿件、轉(zhuǎn)軸、左右撲翼?xiàng)U五部分。機(jī)架為飛行器支撐機(jī)構(gòu)，動(dòng)力輸入指動(dòng)力源即電機(jī)，連桿件除機(jī)架及撲翼?xiàng)U之外的桿件。動(dòng)力源輸入動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)，變成撲翼?xiàng)U上下?lián)鋭?dòng)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。整體結(jié)構(gòu)要求緊湊、輕巧、節(jié)能并能高效地實(shí)現(xiàn)象鳥類翅膀的多樣復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)物翅膀復(fù)雜的多樣運(yùn)動(dòng)決定了它們具有較高的升力機(jī)制，并能靈活地控制飛行姿態(tài)，如果要靠單純的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這些功能，是相當(dāng)困難的。目前我們能做到的單純地模仿鳥類上下?lián)鋭?dòng)，主要分為兩類，一類是僅僅產(chǎn)生上、下?lián)鋭?dòng)的機(jī)構(gòu)，即平面撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，翅膀的扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能靠扇面的柔性去解決；另一類是能像動(dòng)物翅膀在撲動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、折疊動(dòng)作以減小阻力和應(yīng)用非定常機(jī)理的機(jī)構(gòu)，即空間撲翼機(jī)構(gòu)。由于高頻撲動(dòng)的空間撲翼機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)具有很大的難度，至今只有Dickinson就空間撲翼模型及其動(dòng)力特性作了詳細(xì)研究。本文將就平面撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 微型撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)程

縱觀撲翼飛行器的發(fā)展，微型撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有雙曲柄傳動(dòng)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)齒輪，每個(gè)齒輪上裝有偏心桿，即曲柄，再通過連桿機(jī)構(gòu)，一個(gè)曲柄帶動(dòng)一個(gè)撲翼；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)曲柄曲柄連接滑塊，滑塊在滑軌上下運(yùn)動(dòng)，雙撲翼安裝在滑塊的兩側(cè)，這樣滑塊的上下運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化成撲翼的上下?lián)鋭?dòng)。這兩種機(jī)構(gòu)都只能模仿鳥類單純的上下?lián)鋭?dòng)，不能滿足鳥翼的多功能復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，因此在翅膀選材上就要選擇合適的柔性材料，靠材料本身的扭轉(zhuǎn)提供撲翼前進(jìn)所需的動(dòng)力。

由美國佐治亞理工學(xué)院的工程師Michelson等研制的Entomopter微型撲翼飛行器，該機(jī)翼有前后兩對，它的運(yùn)動(dòng)方式上下扇動(dòng)，由一種往復(fù)式化學(xué)肌肉RCM （ReciprocatingChemicalMuscle）來驅(qū)動(dòng)，采用特殊結(jié)構(gòu)和材料制成。這種往復(fù)式化學(xué)肌肉能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而且不需要燃燒，因此它能量轉(zhuǎn)換效率較高，但對技術(shù)方面要求嚴(yán)格、費(fèi)用較高。在未來火星探測時(shí)，研究者期望它能夠發(fā)揮重要作用。

國內(nèi)對微型撲翼飛行器的研究近幾年已逐漸成為熱點(diǎn)，部分高等院校和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了這方面的研究工作，由于一些相關(guān)技術(shù)與國外存在較大差距，目前的研究還處于仿制和起步階段。計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真分析，“8”字軌跡運(yùn)動(dòng)，根據(jù)撲翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，該機(jī)構(gòu)以兩連桿相連接的鉸鏈點(diǎn)C為研究對象，能夠?qū)崿F(xiàn)比較理想的“8”字軌跡，通過改變連桿長度，“8”字軌跡變“水滴”軌跡，撲翼“8”字軌跡的運(yùn)動(dòng)能否產(chǎn)生空氣動(dòng)力，還有待于實(shí)物驗(yàn)證，單純從機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)上來，能夠?qū)崿F(xiàn)鳥翼的運(yùn)動(dòng)軌跡。

縱觀國內(nèi)外仿生撲翼飛行器的研制，翅膀拍動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式有：電磁驅(qū)動(dòng)，靜電驅(qū)動(dòng)。例如：上海交大的蔡弘等、日本東北大學(xué)ShimasakiK和他的研究小組均對微撲飛行器系統(tǒng)均提出采用電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)翅膀拍動(dòng)，把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；融為一體，通過電磁力驅(qū)動(dòng)聚酰亞胺翅膀的微型撲翼機(jī)。日本東京大學(xué)ShimoyamaI還研制了把運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做成一體、以電容為動(dòng)力源的靜電驅(qū)動(dòng)微型飛行器。

仿鳥折疊翼的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，中大型鳥類在飛行時(shí)通過調(diào)整鳥翼的折疊程度來實(shí)現(xiàn)的，例如在下?lián)鋾r(shí)翅膀逐漸伸展開至完全展開來提高升力，上撲時(shí)盡量折疊和并攏，為了減少上撲的阻力，從而提高翅膀的撲動(dòng)效率，節(jié)省能量。

Festo的科學(xué)家研制出的一款既能夠模擬鳥類飛行也能夠極逼真地?fù)鋭?dòng)翅膀的機(jī)器鳥，即smartbird。這是一項(xiàng)富有革命性的設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)起飛、飛行和降落。智能鳥通過無線電控制，也可自主飛行。它的重量只有450g，通過擺尾和搖頭改變飛行方向。此“聰明鳥”的設(shè)計(jì)思想來源于海鷗，體內(nèi)裝有兩個(gè)齒輪，通過齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)翅膀上下拍動(dòng)。這兩個(gè)齒輪相當(dāng)于偏心輪，與牽引桿相連，通過轉(zhuǎn)動(dòng)為拍打翅膀提供上下?lián)鋭?dòng)的動(dòng)力源。撲翼的組成結(jié)構(gòu)有：前后支架，翅膀主骨，翅膀副骨，翅膀外翼主骨，翅膀骨架固定軸，動(dòng)力齒輪，翅膀付軸，聯(lián)動(dòng)板，三合一連桿，支架，前緣，后緣，筋。撲翼的運(yùn)動(dòng)不僅有上下?lián)鋭?dòng)，弦向也有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，

3 微型撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的展望

總之，鳥類或者昆類都是經(jīng)過上億年進(jìn)化的產(chǎn)物，這類研究雖然也取得了很大進(jìn)展，但把撲翅運(yùn)動(dòng)看成是完全的意識控制，將仿生飛行系統(tǒng)看成是具有多自由度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和復(fù)雜完善的控制系統(tǒng)，目前的材料和技術(shù)是前進(jìn)的主要障礙。昆翅的撲動(dòng)是靠高頻振動(dòng)的柔性翼來產(chǎn)生推力和升力的，而且大多數(shù)昆蟲都有懸停的能力，它們在懸停時(shí)身體與平面成30～60度角，拍翅與地平面成平行狀態(tài)，基于這一點(diǎn)，未來的微型撲翼飛行器傳動(dòng)方式必須要采用直接驅(qū)動(dòng)方式，不需要運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，可能會(huì)由壓電驅(qū)動(dòng)、電致伸縮器、人造筋驅(qū)動(dòng)。這樣能夠提高能量的利用率，降低損耗，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，重量越大，能耗越大，機(jī)動(dòng)性越差，直接控制撲翼運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)能夠解決微撲翼的高頻振動(dòng)，同時(shí)與控制系統(tǒng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)撲翼有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，并能提高它的機(jī)動(dòng)性。

結(jié)語

本文的研究僅對微撲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，將來的研究還有待于結(jié)合最先進(jìn)的制造技術(shù)水平，采用最新型的材料，輔以精密的測量儀器，進(jìn)行高精度的測試和研究。

參考文獻(xiàn)

[1]徐一春，宗光華，畢樹生，等.空間曲柄搖桿撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，24（01）：204-208.

[2]賈明，畢樹生，宗光華，等.仿生撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（09）.

中圖分類號：V211

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A