馬東福 宋筆鋒 薛 棟 宣建林

西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安，710072

0 引言

撲翼飛行器是一種仿生飛行的新概念飛行器，具有體積小、機(jī)動性好、隱蔽性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)[1-2]，尤其在軍事方面有著廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。目前撲翼飛行器研制已經(jīng)取得諸多成果，其中具有代表性的有Smartbird[3]、中國“信鴿”[4]等。撲翼飛行器在執(zhí)行任務(wù)時，所處的環(huán)境復(fù)雜多變(如在偵查敵情時，需要隱蔽在某個角落進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)控，完成監(jiān)控后再次起飛執(zhí)行下一個任務(wù))，這就要求撲翼飛行器必須具備自主起降能力。事實(shí)上，大部分樣機(jī)還是手拋起飛的，實(shí)現(xiàn)自主起降的報道很少[5]。

許多研究嘗試解決該問題。與鳥類奔跑起飛類似，文獻(xiàn)[6-7]中將輪式起落架安裝在撲翼飛行器的機(jī)腹，將機(jī)身支撐起最優(yōu)的起飛角度，撲動翼撲動推動機(jī)身在地面滑跑，達(dá)到起飛速度時完成起飛。從靜止加速到起飛速度需要一定的滑跑距離，要求起飛場地較為平整，同時，在撲動滑行過程中，機(jī)翼周期性上下?lián)鋭訒斐蓹C(jī)身振動[8]，這也對前進(jìn)時機(jī)輪指向穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。文獻(xiàn)[9]中的撲翼飛行器安裝了一對仿生機(jī)械鳥爪，使其可以像鳥類一樣棲停在屋頂、電線桿或者樹枝等高處，起飛時，只需從棲停地滑落，進(jìn)入滑翔模式獲得起飛速度完成起飛，然而精準(zhǔn)降落仍成問題。文獻(xiàn)[10]采用旋翼混合布局的方式，通過四旋翼與撲翼的結(jié)合，使撲翼飛行器獲得垂直起飛降落的能力，但該方式極大地影響了撲翼飛行器的仿生性能。

受鳥類啟發(fā)，跳躍是一種短時間內(nèi)獲得高速的極為有效的方法[11]。諸多彈跳機(jī)器人表現(xiàn)出了超強(qiáng)的彈跳性能[12-13]。文獻(xiàn)[14-17]給出了不同結(jié)構(gòu)的彈跳機(jī)構(gòu)，驗(yàn)證了撲翼飛行器彈跳起飛技術(shù)的可行性，但仍存在仿生程度不高、彈跳性能低等問題。

不同于以往的研究，本文旨在從仿生學(xué)角度出發(fā)，通過對鳥類跳躍起飛運(yùn)動的研究，設(shè)計(jì)出高效、仿生程度高的仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)。本文對撲翼飛行器彈跳起飛動態(tài)過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；基于鳥腿骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)，然后對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題進(jìn)行了分析；建立了仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)模型并進(jìn)行了仿真分析。

1 彈跳-撲翼復(fù)合運(yùn)動分析

1.1 彈跳-撲翼動態(tài)過程分析

為從工程設(shè)計(jì)角度理解彈跳-撲翼動態(tài)過程，需要對鳥類跳躍起飛的動態(tài)過程進(jìn)行細(xì)致的分析。文獻(xiàn)[16]提供了烏鴉在一次跳躍起飛過程中一系列的高速攝像畫面，它與椋鳥跳躍起飛的動作高度相似[18]。視頻畫面中，根據(jù)腿的姿勢，選取3個姿勢：站立姿勢(-160 ms)、最大屈曲姿勢(0 ms)和翅膀最大展開姿勢(68 ms，腳即將離開地面)，進(jìn)行定性分析，并將其延伸到撲翼飛行器的彈跳起飛動態(tài)過程。

如圖1a和圖1b所示，烏鴉從站立姿勢到蹲下/屈曲姿勢的過程中，后肢骨骼角度變化，肌肉儲存了大量的彈性能量，重心位置垂直下降；從最大屈曲姿勢到伸展姿勢的過程中，后肢骨骼迅速打開直至伸展到最大角度，肌肉儲存的彈性能量快速釋放，轉(zhuǎn)換為動能和重力勢能，重心位置斜向上上升。將跳躍運(yùn)動運(yùn)用到撲翼飛行器上時，可將其歸結(jié)為彈跳機(jī)構(gòu)彈性勢能儲存及釋放的過程。

彈跳起飛撲翼飛行器系統(tǒng)可分為彈跳機(jī)構(gòu)和安裝于其上的撲翼飛行器平臺。彈跳機(jī)構(gòu)的主要功能是將整個系統(tǒng)彈射到一定的安全起飛高度(撲動翼翼尖最大幅度向下?lián)鋭訒r不觸地的最小高度)，并將整個系統(tǒng)加速到合適的起飛速度(撲翼飛行器的最小起飛速度)；撲翼飛行器平臺的功能是彈跳機(jī)構(gòu)發(fā)生作用后，承接后續(xù)的撲翼運(yùn)動，帶動整系統(tǒng)進(jìn)行飛行，執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)。如圖1c所示，撲翼飛行器彈跳起飛動態(tài)過程可分為以下4個階段：A—B為起跳準(zhǔn)備階段，彈跳機(jī)構(gòu)動作，撲翼飛行器重心降低并至合適的起飛角度，相關(guān)儲能元件儲存彈性勢能；B—C為彈跳起飛階段，彈跳機(jī)構(gòu)觸發(fā)，彈性勢能快速釋放，將撲翼飛行器以一定角度彈射到安全高度并加速至起飛速度，此時撲動翼開始撲動；C—D為飛行爬升階段，彈跳機(jī)構(gòu)收縮，撲翼飛行器爬升到預(yù)定高度，進(jìn)入穩(wěn)定飛行狀態(tài)；D之后為任務(wù)階段，撲翼飛行器按照預(yù)定任務(wù)軌跡自主飛行，執(zhí)行偵查等任務(wù)。

(a)烏鴉跳躍起飛過程中3個主要姿勢

1.2 彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

從撲翼飛行器彈跳起飛動態(tài)過程可以看到，當(dāng)彈跳機(jī)構(gòu)發(fā)生彈跳動作后，撲動翼隨即開始撲動，完成起飛，因此從彈跳到撲翼飛行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變尤為重要。本文以研制較為成熟的“信鴿”飛行器[4]為基礎(chǔ)進(jìn)行彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其最大起飛質(zhì)量270 g，最低平飛速度7.9 m/s。

目前，跳躍機(jī)器人理論模型相關(guān)研究已經(jīng)較為全面，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和樣機(jī)研制方面也取得了不錯的進(jìn)展，但結(jié)合撲翼飛行器的彈跳起飛要求來看，仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)既要達(dá)到鳥類跳躍起飛的優(yōu)越性能，又要模仿鳥類腿部結(jié)構(gòu)形式，這項(xiàng)工作極具挑戰(zhàn)。

撲翼飛行器主要的運(yùn)動方式為飛行，對質(zhì)量極為敏感，彈跳機(jī)構(gòu)雖只在起飛階段動作，但需將飛行器加速到起飛速度。目前關(guān)于仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究還很少，對定義彈跳腿各節(jié)段大小和跳躍姿勢的方法也涉及較少，因此如何在規(guī)定的質(zhì)量下完成額定的動作，成為仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

驅(qū)動方式對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模式及性能起到了決定作用。自然驅(qū)動系統(tǒng)多采用肌肉作為驅(qū)動器，其質(zhì)量成本很低，因此在完成某項(xiàng)動作時，動物常采用多個驅(qū)動器來驅(qū)動。相比于自然驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)常常由于考慮到氣壓、液壓或電機(jī)等驅(qū)動器的高質(zhì)量成本，從而多采用單個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動。單驅(qū)動跳躍腿只能產(chǎn)生一種運(yùn)動模式，而鳥類在屈膝和伸展階段卻表現(xiàn)出不同的腿運(yùn)動模式，增加驅(qū)動器或許會解決此問題，但這又會使質(zhì)量更大、控制系統(tǒng)更復(fù)雜，因此這也是仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大矛盾。

根據(jù)上述分析，對撲翼飛行器彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下要求：

(1)結(jié)構(gòu)簡單、輕便、仿生性好，能夠支撐飛行器的質(zhì)量；

(2)傾斜起飛，凈推力應(yīng)該通過系統(tǒng)的質(zhì)心；

(3)腿部具有較大的折疊范圍以儲存更多的能量，可快速、高效地完成從陸地到空中的過渡。

2 仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)模型的建立

通過對圖2a鳥類后肢骨骼結(jié)構(gòu)的分析，得到了圖2b所示的開鏈多關(guān)節(jié)仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)簡圖。圖中桿1、桿2、桿3、桿4和桿6分別為跗跖骨、脛骨、股骨、軀干和趾骨，A、B、C、D分別為跗跖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。

(a)鳥類后肢骨骼結(jié)構(gòu) (b)開鏈多關(guān)節(jié)仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)簡圖

開鏈多關(guān)節(jié)仿生機(jī)構(gòu)具有與仿生對象相似的結(jié)構(gòu)，可較好地模擬生物的跳躍運(yùn)動機(jī)理，實(shí)現(xiàn)豐富的運(yùn)動姿態(tài)，但它在驅(qū)動上存在功率輸出小、能量效率低和穩(wěn)定性差等問題，大多還處于理論研究階段[19]。由于開鏈多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)是一個多自由度系統(tǒng)，因此在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動時，需要多個驅(qū)動器來驅(qū)動，使得機(jī)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量同時增加、控制系統(tǒng)更復(fù)雜，這顯然與仿鳥撲翼飛行器彈跳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求矛盾，不利于實(shí)際應(yīng)用。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種閉鏈仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)。

2.1 閉鏈環(huán)路Ⅰ設(shè)計(jì)

在圖2b所示的開鏈多關(guān)節(jié)彈跳機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將桿1延長至G點(diǎn)，同時增加桿5，儲能彈簧置于CG關(guān)節(jié)之間，便得到由跗跖骨延長桿1、脛骨桿2、股骨桿3、軀干桿4和輔助桿5構(gòu)成的閉鏈五桿機(jī)構(gòu)。

此時得到的閉鏈五桿機(jī)構(gòu)的自由度為2，為了降低自由度，在股骨桿3和輔助桿5與軀干連接的地方增加傳動齒輪，與股骨桿3固連的齒輪3a和與輔助桿5固連的齒輪5a在軀干處嚙合形成傳動關(guān)系，此時閉鏈五桿機(jī)構(gòu)BCDEG演化成自由度為1的閉鏈齒輪-五桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 閉鏈齒輪-五桿機(jī)構(gòu)

2.2 閉鏈環(huán)路Ⅱ設(shè)計(jì)

跗跖關(guān)節(jié)A是與地面接觸并產(chǎn)生支撐力的主要關(guān)節(jié)，同時在落地時起緩沖作用，因此將跗跖關(guān)節(jié)A設(shè)計(jì)成被動關(guān)節(jié)。如圖4所示，在桿1和桿6之間添加桿HI和滑塊，在桿6和滑塊之間增加拉伸彈簧，使彈跳機(jī)構(gòu)變?yōu)閱巫杂啥闰?qū)動。

圖4 被動關(guān)節(jié)示意圖

3 彈跳機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析

3.1 彈跳機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)方程的建立

采用D-H法建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)方程，求解時將彈跳機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)分開，分為支鏈Ⅰ和支鏈Ⅱ分別求解，如圖5所示。彈跳機(jī)構(gòu)支鏈的D-H參數(shù)如表1所示。

(a)支鏈Ⅰ (b)支鏈Ⅱ

表1 支鏈的D-H參數(shù)

將表1的行代入位姿通式[20]中，可得彈跳機(jī)構(gòu)支鏈Ⅰ的運(yùn)動學(xué)模型：

式中，cθi=cosθi，sθi=sinθi。

同理得彈跳機(jī)構(gòu)支鏈Ⅱ的運(yùn)動學(xué)模型：

上述設(shè)計(jì)的彈跳機(jī)構(gòu)是自由度為1的閉鏈齒輪-五桿機(jī)構(gòu)，因此通過上述求解，給定AB桿的轉(zhuǎn)角即可通過數(shù)值方法求解運(yùn)動學(xué)方程，從而得到機(jī)構(gòu)各點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)關(guān)系。

3.2 彈跳機(jī)構(gòu)動力學(xué)方程的建立

考慮彈跳機(jī)構(gòu)各桿件的運(yùn)動，利用拉格朗日方程建立系統(tǒng)動力學(xué)方程。跗跖關(guān)節(jié)A處采用小型輕質(zhì)彈簧起到被動關(guān)節(jié)的作用，而彈跳機(jī)構(gòu)的彈跳力主要由CG間的儲能彈簧產(chǎn)生，因此將被動關(guān)節(jié)處的彈簧及附加的滑塊和桿HF省略以簡化分析過程。如圖6所示，假設(shè)桿1的質(zhì)心位于B點(diǎn)，桿4的質(zhì)心位于D點(diǎn)，桿2、桿3以及桿5的質(zhì)心位于各桿中心，在起跳的瞬間，腳掌與地面接觸且無相對滑動，夾角為零。

圖6 彈跳機(jī)構(gòu)起跳階段機(jī)構(gòu)原理圖

彈跳過程中，各桿件運(yùn)動包括質(zhì)心平動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，所以系統(tǒng)的動能為

(3)

式中，mi為桿件i的質(zhì)量；vi為桿件i的質(zhì)心平動速度；Ji為桿件i的轉(zhuǎn)動慣量；ωi為桿件i的角速度；xi為桿件i的質(zhì)心在X軸上的坐標(biāo)；yi為桿件i的質(zhì)心在Y軸上的坐標(biāo)；li為桿件i的長度。

系統(tǒng)的主動力包括各桿件的重力和儲能彈簧的彈性力，以腳掌所在的位置作為重力勢能和彈性勢能的零勢面，則系統(tǒng)的勢能函數(shù)可表示為

(4)

式中，k1為儲能彈簧的剛度系數(shù)；x為儲能彈簧的形變量。

設(shè)彈簧的原長為l0，則可得

(5)

式中，xC為C點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)；xG為G點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)；yC為C點(diǎn)在Y軸上的坐標(biāo)；yG為G點(diǎn)在Y軸上的坐標(biāo)。

由此可得出系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)：

(6)

根據(jù)圖6可得起跳階段各桿位姿方程：

(7)

(8)

由圖6角度關(guān)系又可知：

θ01′=θ01+γ

(9)

因此，結(jié)合式(7)、式(8)和式(9)可得θ01和θ12均為θ34的函數(shù)：

(10)

(11)

根據(jù)拉氏方程可得彈跳機(jī)構(gòu)的運(yùn)動微分方程：

(12)

式中，S(·)為廣義坐標(biāo)系θ34下的函數(shù)。

給定初值，結(jié)合運(yùn)動學(xué)分析相關(guān)結(jié)論，即可對上式進(jìn)行求解。

4 彈跳機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 彈跳機(jī)構(gòu)三維模型的建立

跳躍是一個爆發(fā)性運(yùn)動，需要在短時間內(nèi)釋放力并產(chǎn)生加速度，因此如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的儲能與釋放成為彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如圖7所示，CG間的彈簧k1為彈跳機(jī)構(gòu)的主要儲能元件，為實(shí)現(xiàn)彈簧的儲能，將與桿3固連的齒輪3a作為主動齒輪，當(dāng)電機(jī)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動齒輪3a沿逆時針方向轉(zhuǎn)動時，與其嚙合的齒輪5a同步沿順時針方向轉(zhuǎn)動，彈簧k1被拉伸，從而儲存能量。為實(shí)現(xiàn)能量的釋放，設(shè)計(jì)了棘輪棘爪裝置。圖中5b是與齒輪5a固連的棘輪，桿4b連接在軀干4上，棘爪4a連接在桿4b上，在扭簧k3的作用下與棘輪5b嚙合，此時齒輪的相對運(yùn)動被鎖定，即髖關(guān)節(jié)D被鎖定，腿部結(jié)構(gòu)的伸展受到限制。當(dāng)凸輪7撥動桿4b從而使棘爪4a與棘輪5b脫開時，齒輪處于自由狀態(tài)，髖關(guān)節(jié)D變?yōu)樽杂申P(guān)節(jié)，彈簧k1收縮，能量釋放。利用上述機(jī)構(gòu)，驅(qū)動齒輪完成能量的儲存，操縱棘輪棘爪完成運(yùn)動的鎖定和釋放，同時通過腳部被動關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)落地緩沖并儲能部分能量。

圖7 彈跳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)上述運(yùn)動原理，利用Unigraphics 8.0三維建模軟件對彈跳機(jī)構(gòu)的各部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過電子樣機(jī)裝配得到完成的仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)模型，如圖8所示。

圖8 仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)模型

根據(jù)鳥類后肢骨骼結(jié)構(gòu)尺寸比例及“信鴿”撲翼飛行器尺寸，對彈跳機(jī)構(gòu)各桿件的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)得：l1=68mm，l1′=110 mm，l2=102 mm，l3=67 mm，l4=24 mm，l5=78 mm，γ=9°，兩腳之間的距離為48 mm，利用建立的三維模型可測得彈跳機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為90 g。

在實(shí)際使用過程中，通過調(diào)節(jié)撲翼飛行器平臺與彈跳機(jī)構(gòu)的安裝角度，使得飛行器撲動翼與來流速度夾角接近零，從而減小起飛阻力，通過對電池位置的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)重心。將彈跳機(jī)構(gòu)與撲翼飛行器平臺進(jìn)行裝配，最終得到的彈跳起飛撲翼飛行器系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 彈跳起飛撲翼飛行器系統(tǒng)示意圖

彈跳起飛時，彈跳機(jī)構(gòu)觸發(fā)，使飛行器系統(tǒng)達(dá)到起飛條件(起飛速度vmin=7.9 m/s，起飛高度hmin=0.12 m)，撲動翼隨即以最大頻率撲動，產(chǎn)生飛行所需的升力和推力，控制系統(tǒng)通過尾翼調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)，從而承接后續(xù)的飛行運(yùn)動。在進(jìn)行彈跳機(jī)構(gòu)的能量計(jì)算時，僅考慮彈跳起飛階段。由“信鴿”撲翼飛行器不撲動定常狀態(tài)下的阻力響應(yīng)面模型[21]可得，迎角為零時，在該階段系統(tǒng)阻力做功相比于動能可以忽略，因此彈跳機(jī)構(gòu)最少需要提供的能量(彈跳機(jī)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換率η一般為50%～70%[22])為

(13)

式中,m為彈跳起飛撲翼飛行器系統(tǒng)起飛質(zhì)量。

彈簧的剛度系數(shù)

(14)

式中，G為彈簧線材的切變模量；d為彈簧線徑；Nc為有效圈數(shù)；Dm為彈簧中徑。

通過計(jì)算可得，彈簧線徑為2 mm，外徑為10 mm，有效圈數(shù)為40，剛度系數(shù)k=7 715 N/m，取兩根該彈簧并聯(lián)即可滿足彈跳機(jī)構(gòu)的能量需求。

4.2 基于ADAMS的仿真分析

采用ADAMS對模型彈跳起飛過程進(jìn)行仿真分析，將仿鳥撲翼飛行器平臺簡化為集中載荷，用質(zhì)量為0.18 kg的小球代替，小球的重心離彈跳機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)D點(diǎn)的水平距離為35 mm。圖10所示為彈跳機(jī)構(gòu)在ADAMS中離地時刻的運(yùn)動仿真狀態(tài)。

圖10 離地時刻彈跳機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真狀態(tài)

由彈跳-撲翼動態(tài)過程分析可得，在實(shí)際過程中，彈跳運(yùn)動發(fā)生后，當(dāng)撲翼飛行器被彈射到安全高度并加速到起飛速度時，撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)即開始撲動承接彈跳運(yùn)動，因此在對彈跳過程分析時，只取初始的一段時間。

如圖11所示，當(dāng)彈跳機(jī)構(gòu)觸發(fā)后，儲能彈簧收縮，連桿機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動，隨著彈簧力的減小，彈簧的彈性勢能逐漸轉(zhuǎn)換為仿鳥撲翼飛行器系統(tǒng)的重力勢能和動能。0.0212 s時，彈簧恢復(fù)原長，彈簧力減小為零，但由于彈跳機(jī)構(gòu)腳掌與地面還未脫離且接觸力大于零，因此系統(tǒng)仍在加速，而由于慣性力的作用，彈簧開始收縮，各關(guān)節(jié)角度繼續(xù)增大；0.0224 s時，彈跳機(jī)構(gòu)腳掌與地面脫離，接觸力變?yōu)榱?，系統(tǒng)質(zhì)心速度達(dá)到最大值8.4 m/s，系統(tǒng)質(zhì)心高度為0.13 m，此時仿鳥撲翼飛行器系統(tǒng)具備起飛條件；0.0241 s時，在慣性力的作用下，彈簧達(dá)到最大壓縮長度，各關(guān)節(jié)的角度達(dá)到最大值。此外，從仿真結(jié)果中可以看出，關(guān)節(jié)E和關(guān)節(jié)D、關(guān)節(jié)B和關(guān)節(jié)G的角度變化規(guī)律及數(shù)值大小一致，這與上文機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析結(jié)果一致，表明了仿真結(jié)果的正確性。

(a)機(jī)構(gòu)力變化曲線

由上述分析可以得出，本文依據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的彈跳機(jī)構(gòu)具備良好的彈跳性能，通過對儲能彈簧的加載，使撲翼飛行器具備一定的彈跳起降能力，推動了撲翼飛行器走向?qū)嶋H應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文以撲翼飛行器跳躍起飛為目標(biāo)，基于仿生學(xué)原理，開展了仿生彈跳機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)研究：

(1)分析了鳥類跳躍起飛典型的運(yùn)動狀態(tài)/姿勢，設(shè)計(jì)了撲翼飛行器彈跳起飛動態(tài)過程。

(2)設(shè)計(jì)了閉鏈齒輪-五桿仿鳥腿彈跳機(jī)構(gòu)，并給出了其運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)模型。

(3)建立了彈跳機(jī)構(gòu)三維模型，仿真結(jié)果顯示，借助設(shè)計(jì)的仿生彈跳機(jī)構(gòu)，撲翼飛行器系統(tǒng)質(zhì)心速度達(dá)到8.4 m/s，大于“信鴿”起飛所需的速度7.9 m/s，具備彈跳起飛的可能性。