基于四桿機構(gòu)對仿生蜻蜓撲翼飛行器的設(shè)計優(yōu)化與仿真

　　摘要：本文基于四連桿機構(gòu)提出了一種齒輪連桿運動機構(gòu)設(shè)計方案，用于模仿蜻蜓翅翼的運動，并研究了撲翼機構(gòu)各參數(shù)變化對機構(gòu)運動軌跡的影響，歸納總結(jié)出一些規(guī)律，從而為選擇出合適的機構(gòu)參數(shù)提供了依據(jù)。采用基于優(yōu)化的機構(gòu)設(shè)計方法對仿生微撲翼機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確定出各桿件參數(shù)和運動參數(shù)。然后利用CATIA來對撲翼機構(gòu)進行運動仿真分析，模擬機構(gòu)的運動過程，仿真結(jié)果與設(shè)計要求基本吻合，驗證了機構(gòu)的可行性。
　　關(guān)鍵詞：仿生 蜻蜓 撲翼飛行器 數(shù)學模型 仿真分析
　　中圖分類號：TH122文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（c）-0059-04
　　自古以來人們就夢想著在天空自由翱翔，對鳥的生理結(jié)構(gòu)和飛行原理等方面所做的研究和獲得的靈感，使人類乘著飛機上了天。昆蟲與鳥相比，具有更大的機動靈活性。對昆蟲生理結(jié)構(gòu)和飛行機理的研究，將仿制出具有更大飛行靈活性和自由度的新型飛行器。最近幾年，在昆蟲空氣動力學和電子機械技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，各國紛紛開始研究拍翅飛行的仿昆飛行機器人，使得仿生昆蟲飛行機器人成為機器人研究最為活躍的前沿領(lǐng)域。仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類或昆蟲飛行，基于仿生學原理設(shè)計制造出來的新型飛行器。該類飛行器與固定翼和旋翼飛行器相比，它具有獨特的優(yōu)點，如：原地或小場地起飛；較強的機動性能，尺寸小，便于攜帶，飛行靈活，隱蔽性好等。因此，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域尤其是國防領(lǐng)域有著十分重要而廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)蜻蜓飛行時的運動特性設(shè)計出一種由齒輪連桿機構(gòu)組成的微型撲翼驅(qū)動機構(gòu)，對機構(gòu)進行了數(shù)學建模設(shè)計優(yōu)化，并基于Catia進行了仿真分析。
　　1 基于四桿機構(gòu)對仿生蜻蜓撲翼飛行器的動力設(shè)計
　　仿生學研究表明，動物飛行能力和技巧的多樣性多半源于它們的翅膀的多樣性和微妙復雜的翅膀運動模式。撲翼飛行器是借助機翼的上下?lián)鋭觼懋a(chǎn)生升力和推力，這需要設(shè)計出高效可靠的撲翼驅(qū)動機構(gòu)本設(shè)計采用了對稱齒輪桿機構(gòu)來實現(xiàn)機翼的上下往復運動。仿生昆蟲飛行器通常具有小尺寸、便于攜帶、行動靈活和隱蔽性好等特點，仿昆飛行器的飛行性能和物理特性是雷諾數(shù)極小，表面積與體積之比很大，總質(zhì)量嚴格受限。而動力裝置所占體積會直接影響到飛行器的大小，所以本設(shè)計從動力裝置出發(fā)。
　　1.3 基于Catia運動仿真并測量分析
　　2 動力模塊的實現(xiàn)
　　考慮實際功率以及驅(qū)動效率，選定齒輪連桿機構(gòu)進行驅(qū)動，并將連桿L1對稱設(shè)計，如圖6、7所示。
　　3 仿生蜻蜓撲翼飛行器的整體結(jié)構(gòu)及模擬運動
　　運用catia對設(shè)計的撲翼飛行器的零件進行裝配，得到完整的設(shè)計如圖9所示。
　　4 結(jié)論
　　微型撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化與仿真研究是微型撲翼飛行器設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對蜻蜓撲翼運動進行了研究，設(shè)計出一種齒輪連桿驅(qū)動機構(gòu)做了以下工作：（1）提出了一種齒輪連桿機構(gòu)模仿蜻蜓運動的微型撲翼驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計方案。（2）采用基于優(yōu)化的機構(gòu)設(shè)計方法對四連桿驅(qū)動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，建立了數(shù)學模型，得到了驅(qū)動機構(gòu)各桿件及傳動角等參數(shù)和運動參數(shù)。（3）利用CATIA完成的仿生蜻蜓撲翼機構(gòu)的設(shè)計并對其進行了仿真分析。得到的結(jié)論與數(shù)學模型分析結(jié)論一致，驗證了該機構(gòu)的可行性。
　　仿生撲翼飛行器處于不斷的探索過程中。用機械裝置去實現(xiàn)撲翼飛行的復雜運動模式是一項挑戰(zhàn)，我們要不斷的嘗試與探討。隨著新材料、新工藝、計算機技術(shù)、先進制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來仿生蜻蜓撲翼飛行器可以在空中翱翔。
　　參考文獻
　　[1]周驥平，朱興龍，周建華，等.仿生撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2004（6）：3.
　　[2]彭躍林.微小撲翼飛行器機翼及結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計與實驗研究[D].西北工業(yè)大學，碩士論文，2003.
　　[3]McMicheal J M. FrancisM S. Micro Air Vehicles2Toward a New Dimension in Flight[R].US DARPA / TTO Report，1997.
　　[4]顏景平，張志勝.仿昆飛行機器人的研究[J].機械設(shè)計，2003（6）.
　　[5]孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2009.
　　[6]唐錦茹，郭志賢.曲柄搖桿機構(gòu)按最小傳動角的優(yōu)化綜合[J].華北電力學院學報，1995（22）.
　　[7]蘭世隆，孫茂.模型昆蟲翼作非常運動時的氣動力特征[J].力學學報，2001（33）.
　　[8]劉嵐，方宗德，侯宇，等.仿生微撲翼飛行器的翅翼設(shè)計與優(yōu)化[J].機械科學與技術(shù)，2005（3）：330-33