徐 兵 朱偉平

(巢湖學院， 安徽 巢湖 238000)

基于四桿機構(gòu)的撲翼驅(qū)動機構(gòu)設計和運動仿真

徐 兵 朱偉平

(巢湖學院， 安徽 巢湖 238000)

設計了一種基于四桿機構(gòu)的新型撲翼驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)仿生撲翼飛行運動。為了獲得最佳的傳動性能，通過數(shù)值分析計算得到最小傳動角，并得到撲動過程的最大上撲角和下?lián)浣?。運用參數(shù)化建模的方式得到撲翼機構(gòu)的模型，在ADAMS中進行運動學仿真分析。仿真結(jié)果表明：機翼在撲動過程中的撲動角度、角速度和角加速度與時間成正弦規(guī)律變化，最大上撲角和下?lián)浣桥c理論計算值基本一致，為撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設計制造提供依據(jù)。

撲翼驅(qū)動機構(gòu)； 最小傳動角； 運動學仿真

撲翼飛行器是指像鳥或者昆蟲通過機翼主動運動產(chǎn)生升力和前行力的飛行器，可在飛行過程中完成多種形式的運動。撲翼飛行與固定翼和旋翼飛行相比，具有如原地或小場地起飛，良好的飛行機動性和一定的空中懸停性能，長距離飛行能耗較少等特點。在民用和軍事領域都具有極大的應用前景，也是當前國內(nèi)外機器人領域研究的熱點之一[1-4]。西北工業(yè)大學是國內(nèi)最早研究撲翼飛行器的，主要驅(qū)動機構(gòu)為曲柄滑塊搖桿機構(gòu)和雙曲柄雙搖桿機構(gòu)[5]。東南大學研究提出用柔性翅代替剛性翅，指出柔性翅更適合仿生撲翼飛行，柔性能可顯著增加撲翼飛行的升力、增強飛行的穩(wěn)定性[6]。南京航天航空學院主要研究了撲翼飛行器的氣動特性[7-8]。國外學者通過一些智能材料驅(qū)動翅膀?qū)崿F(xiàn)撲翼運動，如加州伯克利大學研制的MFI[9]是運用壓電石英作為驅(qū)動材料。美國佐治亞理工大學研制的Entomopters[10]采用的是往復式化學肌肉(RCM，Reciprocating Chemical Muscle)。在前人研究的基礎上，根據(jù)鳥類飛行特點設計出了一種曲柄-滑塊-連桿組成的微型撲翼驅(qū)動機構(gòu)。為了得到最大的最小傳動角以提高傳動性能，對驅(qū)動機構(gòu)進行設計計算，在三維軟件Soliwork中進行參數(shù)化建模，并基于ADAMS進行仿真分析。

1 基于四桿機構(gòu)對撲翼飛行器的動力設計

動物的飛行主要是靠其翅膀的多樣性和復雜的運動模式來實現(xiàn)的。撲翼飛行器是根據(jù)鳥類飛行原理，用機構(gòu)組合來實現(xiàn)機翼的上下?lián)鋭赢a(chǎn)生升力和推力，從而實現(xiàn)撲翼飛行器的各種運動。研究設計了曲柄-滑塊-連桿組合式的機構(gòu)來實現(xiàn)機翼的上下往復運動。撲翼飛行器的飛行性能受表面積、總質(zhì)量和體積的影響，而動力裝置所占的體積和質(zhì)量將直接影響飛行器的各種性能，此次研究主要從驅(qū)動裝置展開。

1.1四桿機構(gòu)的設計及數(shù)學建模

圖1為傳動機構(gòu)簡圖，固定鉸鏈點O為坐標原點(0,0)，曲柄L1圍繞O點轉(zhuǎn)動。固定鉸鏈C的坐標為(X,Y)，θ1為曲柄轉(zhuǎn)過的瞬時角度，θ3為右側(cè)搖桿的瞬時撲動角度。

在連桿機構(gòu)中，常用傳動角的大小及變化情況來衡量機構(gòu)傳動性能的好壞，而撲翼飛行器飛行時翅膀上下?lián)鋭拥念l率較高，在設計時要使最小傳動角最大，最小傳動角與四桿機構(gòu)的其他性能參數(shù)有關。為了獲得較好的傳動性能，從最小傳動角的角度出發(fā)進行設計，而根據(jù)四桿機構(gòu)的角度關系、桿長關系可以得到最小傳動角的數(shù)學公式。

圖1 傳動機構(gòu)簡圖

圖2為角位移矢量分析圖。

圖2 角位移矢量分析圖

由圖2可得：

l1eiθ1+l2eiθ2=X+iY+l3eiθ3

(1)

角位移位移矢量在實軸與虛軸上分解可得：

l1cosθ1+l2cosθ2=X+l3cosθ3
l1sinθ1+l2sinθ2=Y+l3sinθ3

(2)

消去θ2后可得：

Ecosθ3+Fsinθ3+G=0

其中：E=X-l1cosθ1

(3)

F=Y-l1sinθ1

(4)

根據(jù)三角函數(shù)變換公式：

(5)

將式(5)代入式(3)得：

(6)

將式(6)帶入式(3)可求出：

(7)

右側(cè)搖桿l3的瞬時撲動角度：

(8)

最大撲動幅度角示意圖見圖3、圖4。

圖3 上撲角示意圖

上撲角φ上：

(9)

圖4 下?lián)浣鞘疽鈭D

下?lián)浣铅障拢?/p>

(10)

由上式可得最大撲動角

(11)

最小傳動角ρmin示意圖見圖5、圖6。

圖5 最小傳動角第一種位置

圖5中l(wèi)2與l3夾角為銳角，此時：

(12)

圖6 最小傳動角第二種位置

圖6中l(wèi)2與l3夾角為鈍角，此時：

(13)

選撲翼機參數(shù)：l1=10 mm,l2=46 mm,l3=28 mm,X=25 mm,Y=20 mm，齒輪模數(shù)m=2 mm?？傻茫?/p>

2 撲翼機結(jié)構(gòu)動力學仿真的實現(xiàn)

2.1撲翼機結(jié)構(gòu)動力學仿真模型的建立

三維幾何模型在SOLIDWOKS環(huán)境下建立零部件并且裝配完成，將SOLIDWOKS模型以parasolid格式導出，并導入ADAMS中，進行保存。這樣就借助SOLIDWOKS實體建模軟件完成了船用起重機結(jié)構(gòu)在ADAMS中虛擬樣機的建立。然后根據(jù)所需要的運動規(guī)則，在相應的部件添加適合的約束，在y方向上加上重力完成撲翼機動力學仿真模型，如圖7所示。

圖7 撲翼機結(jié)構(gòu)動力學仿真模型

2.2.1 撲翼機撲動時翅膀的撲動行程分析

撲翼機撲動時翅膀的行程曲線見圖8。由圖8可看出翅膀下?lián)湮灰平咏蠐湮灰频?.5倍，這與自然界中鳥類飛行時翅膀的撲動位移一致，因此，該撲翼機的結(jié)構(gòu)能夠較好地模擬鳥類撲動時的狀態(tài)，得到較準確的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果。

圖8 撲翼機撲動時翅膀的行程曲線

2.2.2 撲翼機撲動速度分析

撲翼機撲動速度曲線如圖9所示。撲翼機翅膀撲動速度近似于正弦曲線，因此，能夠保持機構(gòu)較平穩(wěn)的撲動。曲線中尖角處產(chǎn)生的原因主要是由于滑塊帶動翅膀支桿到達最高位置時，撲動方向發(fā)生突變而速度沒有改變造成的。

圖9 撲翼機撲動速度曲線

2.2.3 撲翼機撲動角度分析

撲翼機撲動角度曲線如圖10所示。撲動角度與時間成正弦規(guī)律變化，撲翼機的上下?lián)鋭咏嵌葹?0°左右，上撲角度為25°左右，下?lián)浣嵌葹?5°左右，這與上述理論計算數(shù)值相符合。表明撲翼機的撲動系統(tǒng)能夠較好地模擬鳥類翅膀撲動的姿態(tài)。

圖10 撲翼機撲動角度曲線

2.2.4 撲翼機撲動角速度分析

撲翼機角速度曲線如圖11所示。撲翼機撲動角速度按正弦規(guī)律變化，角速度為零時圖形曲線出現(xiàn)尖角，原因是滑塊推動翅膀支桿到達最高位置翅膀下?lián)涞阶畲笪恢脮r，剛剛開始向上撲時角速度方向發(fā)生突變所造成的。

圖11 撲翼機角速度曲線

3 結(jié) 語

通過模擬自然界中鳥類撲動的規(guī)律，獲得原始的數(shù)據(jù)參數(shù)，運用Soliworks進行三維建模并導入ADAMS仿真軟件中，進行動力學仿真分析。通過仿真結(jié)果分析可知，微型撲翼機的各項參數(shù)均滿足當初的設計要求，因此，該結(jié)果可為后期撲翼機的優(yōu)化設計提供理論支持。

[1] 陳文元,張衛(wèi)平.微型撲翼式仿生飛行器[M].上海:上海交通大學出版社，2010：5-6.

[2] MCMICHAEL J M, FRANCIS C M S. Micro Air Vehicles-Toward a New Dimension in Flight[R]. US DARPATTO Report, 1997.

[3] 肖永利,張琛.微型飛行器的研究現(xiàn)狀與關鍵技術[J].宇航學報,2001,22(5):26-32.

[4] 肖天航.低雷諾數(shù)非定常流場的數(shù)值方法及其在微型飛行器上的應用[D].南京:南京航空航天大學航空宇航學院,2009:12-13.

[5] 楊淑利,宋文萍,宋筆鋒,等.微型撲翼飛行器機翼氣動特性研究[J].西北工業(yè)大學學報,2006,24(6):768-773.

[6] 于冰.微型仿生撲翼飛行機器人飛行機理和控制方案研究[D].南京:東南大學,2006:17-19.

[7] 段文博,昂海松,肖天航.主動變形撲翼飛行器的設計和風洞測力試驗研究[J].航空學報,2013,34(3):474-486.

[8] 朱保利.多自由度撲翼微型飛行器設計研究[D].南京:南京航空航天大學,2008:19-21.

[9] FEAR R S, CHIANG K H, DICKINSON M H, et al. Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2000, April 24-28, 2000, San Francisco, Ca, Usa. DBLP, 2000:1509-1516.

[10] MICHELSON R C, REECE S. Update on Flapping Wing Micro Air Vehicle Research Ongoing Work to Develop a Flapping Wing, Crawling “Entomopter”[C]. In:13th Bristol International RPV Conference. Bristol, England, 1998：3.

Abstract:A new flapping-wing mechanism based on four-bar mechanism was designed to realize the flying motion of bionic flapping wing. In order to get the best transmission performance, the minimum transmission angle was calculated by numerical analysis, and the maximum flapping angles in the flutter process of up an down were obtained. The model of flapping wing mechanism was obtained by parametric modeling, and kinematics simulation was carried out in ADAMS. The simulation results showed that the flapping angles, angular velocity and angular acceleration of the wing changed like a sine curve, and the maximum flapping angles were basically the same as the theoretical calculation value, which would provide reference for the design and manufacture of flapping wing drive mechanism.

Keywords:flapping-wing actuator; minimum transmission angle; kinematics simulation

DesignandMotionSimulationofFlappingWingDrivingMechanismBasedonFour-BarMechanism

XU Bing ZHU Weiping

(Chaohu University, Chaohu Anhui 238000, China)

V211

A

1673-1980(2017)05-0063-04

2017-04-23

安徽省高等學校自然科學研究項目“基于離子聚合物金屬復合物的多自由度仿生撲翼運動的驅(qū)動技術研究”(KJ2015A281)；安徽省巢湖學院校級科學研究項目“仿生撲翼機器人的研究”(XLZ-201506)

徐兵(1990 — )，男，巢湖學院助教，研究方向為驅(qū)動器、撲翼機器人。