張晨星，宋丕偉，岳澤鍇，王 亮，劉羽婷

（大連科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116052）

仿生撲翼飛行器是一種通過扇動翅膀飛行的機(jī)器。其中仿生昆蟲飛行器和仿生蝙蝠飛行器發(fā)展較好，而仿生鳥類飛行器發(fā)展較為緩慢，該領(lǐng)域發(fā)展滯后的原因主要是鳥類翼型具有比其他2種飛行器的薄膜類翼型更為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，并且鳥類物種繁多，運(yùn)動方式及氣動特性具有一定的差異性，從而該類飛行器難以形成一種比較可靠的統(tǒng)一運(yùn)動方式，本文研究目標(biāo)是建立一種具備普適性的多鳥類統(tǒng)一運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型。

1 基于喜鵲的多鳥類統(tǒng)一運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡介

基于喜鵲的多鳥類統(tǒng)一運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡稱XQ-2B，是基于生物工程學(xué)、空氣動力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、電氣工程及自動化多種學(xué)科為一體的仿生撲翼飛行器，目前，該運(yùn)動機(jī)構(gòu)共包含41個(gè)零部件，其主要的組成部分有：曲柄搖桿運(yùn)動機(jī)構(gòu)、動力傳遞減速系統(tǒng)、尾翼萬向桿方向系統(tǒng)、內(nèi)外翼仿生飛羽、無線控制及電路系統(tǒng)，具有喜鵲超大撲翼角度，并可通過修改構(gòu)件參數(shù)、飛控系統(tǒng)調(diào)頻及程序設(shè)計(jì)等方法，實(shí)現(xiàn)仿生多種鳥類的撲翼功能。如圖1所示。

圖1 XQ-2B基于喜鵲的多鳥類統(tǒng)一運(yùn)動機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)

2 生物學(xué)分析

對于多鳥類統(tǒng)一運(yùn)動機(jī)構(gòu)的建立，需要選擇具有代表性的設(shè)計(jì)藍(lán)本，藍(lán)本需要具有普適性的飛行方式并具有較大撲翼角度，通過多日對我國脊索動物門鳥綱約1 400種鳥類系統(tǒng)的調(diào)查、選型和分析，最終將樣本鎖定在雀形目鴉科鵲屬的喜鵲上。喜鵲除了南美洲、大洋洲和南極洲幾乎分布于世界各大陸，并且往往生活在人類集聚地周邊，非常適合藍(lán)本數(shù)據(jù)的采集和研發(fā)工作的開展。

3 運(yùn)動機(jī)構(gòu)擬合

針對喜鵲仿生運(yùn)動機(jī)構(gòu)的建立，需要對鳥類骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，此外，團(tuán)隊(duì)加入了人體骨骼與鳥類骨骼進(jìn)行對比分析，經(jīng)過大量的資料查詢后發(fā)現(xiàn)，鳥類相比于人類骨骼，肱骨較短，尺骨和指骨下側(cè)附有次級和初級飛羽，如圖2所示?？梢詫⒄乒?、指骨和初級飛羽擬合為一個(gè)構(gòu)件，并結(jié)合生物學(xué)、仿生機(jī)械學(xué)對運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3所示。

圖2 鳥類骨骼結(jié)構(gòu)圖

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

4 機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)部分

4.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

常規(guī)仿生撲翼機(jī)構(gòu)屬于一種鳥類對應(yīng)一種或多種撲翼機(jī)構(gòu)，一直沒有一種較為統(tǒng)一的模型供學(xué)術(shù)參考，從而造成該領(lǐng)域內(nèi)結(jié)構(gòu)種類繁雜，可參考性不強(qiáng)。因此，通過對仿生撲翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，依靠曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，利用單級齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)減速及動力傳輸，通過地面控制電控，調(diào)節(jié)電池輸入電機(jī)的電壓，進(jìn)行撲翼速度的調(diào)節(jié)。電機(jī)輸出動力，通過單級齒輪減速器進(jìn)行減速，并將動力傳輸至曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)撲翼動作。如圖4所示。

圖4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

4.2 動力及減速器系統(tǒng)

由于在自然界中鳥類飛行的撲翼速度相較于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，為此在設(shè)計(jì)的過程中為電機(jī)添加了一級齒輪減速器和雙翼齒輪嚙合動力傳遞裝置，可以進(jìn)行傳動比為3的減速運(yùn)動，整體齒輪系統(tǒng)采用鏤空設(shè)計(jì)，大大減少了系統(tǒng)的重量，雙翼動力齒輪的嚙合設(shè)計(jì)使得在進(jìn)行扭矩傳遞的過程中同時(shí)保證了飛行器雙翼振頻一致。如圖5所示。

圖5 動力及減速器系統(tǒng)

4.3 尾翼萬向桿方向系統(tǒng)

尾翼萬向桿方向系統(tǒng)共嵌有2個(gè)舵機(jī)，3個(gè)萬向桿，由無線控制系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)左右、上下以及配合聯(lián)動，可以靈活地實(shí)現(xiàn)多方向活動，仿生鳥類各種情況下的尾翼動作。

圖6 尾翼萬向桿方向系統(tǒng)

4.4 內(nèi)外翼仿生飛羽

內(nèi)外翼仿生飛羽是根據(jù)鳥類初級以及次級飛羽進(jìn)行剖面擬合，具有在藍(lán)本基礎(chǔ)上優(yōu)化后的、前緣、后緣等各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)合飛行器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的一種凹凸翼型，整體材質(zhì)采用巴爾沙木，既有較輕的質(zhì)量，也有較高的強(qiáng)度，仿生飛羽整體采用鏤空結(jié)構(gòu)，尤其是外翼部分的設(shè)計(jì)，與飛行器翼型設(shè)計(jì)略有不同，這種設(shè)計(jì)可以增加外翼邊緣的柔韌性，從而使其性能更接近于真實(shí)鳥類。如圖7所示。

圖7 內(nèi)外翼仿生飛羽

4.5 中繼通信模型的建立

本小組基于無人機(jī)中繼通信的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境以及雙向中繼信道模型（TWRC），對仿生撲翼飛行器中繼通信模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，可將地面終端、中繼無人機(jī)及仿生撲翼飛行器構(gòu)成的無線中繼鏈路建立為非對稱雙向中繼信道模型。如圖8所示。由圖8可知，節(jié)點(diǎn)A為地面終端，節(jié)點(diǎn)R為中繼無人機(jī)，節(jié)點(diǎn)B為仿生撲翼飛行器。地面終端通過中繼無人機(jī)向仿生撲翼飛行器發(fā)送指令信息，仿生撲翼飛行器通過中繼無人機(jī)向地面終端反饋信息，地面終端和仿生撲翼飛行器之間沒有直接鏈路。

圖8 中繼通信模型

5 實(shí)驗(yàn)分析及可行性驗(yàn)證

5.1 虛擬樣機(jī)運(yùn)動分析實(shí)驗(yàn)

三維數(shù)字化模型建成之后，將模型導(dǎo)入inspire中，為了規(guī)范和限制各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動，對部分部件添加一些約束，設(shè)置剛體組并建立連接器，確定各鉸接部分連接關(guān)系，最終為運(yùn)動機(jī)構(gòu)添加轉(zhuǎn)動電機(jī)及跟蹤器，設(shè)置控制類型，確立扭矩及轉(zhuǎn)動速度（60 rpm）為運(yùn)動分析做好準(zhǔn)備。

驅(qū)動部分添加完畢后，便可進(jìn)一步對樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動分析，提取各零件、剛體組、鉸接和轉(zhuǎn)動電機(jī)的位移、角速度、速度、角加速度、加速度、力和扭矩等各項(xiàng)參數(shù)，并對轉(zhuǎn)動電機(jī)的要求扭矩、角度、速度（期望和實(shí)際）、角加速度、角急動度、功率、鉸接部分的力和扭矩進(jìn)行進(jìn)一步的分析，為后期材料的選型、設(shè)計(jì)的優(yōu)化和實(shí)物的制作打下基礎(chǔ)。

部分結(jié)構(gòu)運(yùn)動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集可視化分析結(jié)構(gòu)如圖9—圖11所示。

圖9 位移運(yùn)動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

圖11 加速度運(yùn)動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

5.2 質(zhì)量分析驗(yàn)證

通過3D打印技術(shù)對XQ-2B輕量化虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行完全體實(shí)物制作，模型各零件進(jìn)行組裝測試，并通過JJ124BC分析天平對模型運(yùn)動機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)和質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，模型總質(zhì)量128.984 9 g(不包含仿生飛羽部分)，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的微型撲翼飛行器300 g的最高飛行質(zhì)量，從而證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非?？尚械?。如圖12所示并且，在進(jìn)一步驗(yàn)證整體的結(jié)構(gòu)，完全固定整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)后，結(jié)構(gòu)可采用碳纖維材料，還可以進(jìn)一步減輕飛行器的質(zhì)量。

圖12 JJ124BC質(zhì)量分析實(shí)驗(yàn)

圖10 速度運(yùn)動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

6 結(jié)束語

國內(nèi)對仿生撲翼飛行器的研究現(xiàn)今雖然已經(jīng)取得的一些成果，但由于鳥類物種多樣，機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)種類繁雜、難以形成一套具有完整性、普適性和多樣化的設(shè)計(jì)方法。本運(yùn)動機(jī)構(gòu)的目標(biāo)以喜鵲為藍(lán)本，設(shè)計(jì)及驗(yàn)證一種能夠仿生多種鳥類撲翼動作的新型飛行器的核心運(yùn)動機(jī)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上形成由提取藍(lán)本參數(shù)、代入運(yùn)算進(jìn)行設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)仿真和撲翼飛行器制造的完整設(shè)計(jì)流程，從而為我國的仿生撲翼飛行設(shè)計(jì)提供參考。