一種仿蝙蝠撲翼飛行器的設(shè)計(jì)

宋方會(huì)　康與云　褚濤

【摘 要】設(shè)計(jì)制作了一款仿蝙蝠撲翼飛行器。根據(jù)撲翼的工作方式，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙搖桿-雙連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)撲翼飛行；采用交叉十字法接將兩個(gè)電磁舵機(jī)相連，保證微型撲翼機(jī)的靈活簡(jiǎn)約；選用6mm直徑空心杯電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選用超小型雙路雙向有刷電子調(diào)速器；采用3D快速打印成型技術(shù)打印機(jī)身，用聚乙烯材質(zhì)做蒙皮，將撲翼機(jī)的重量控制在了20g以內(nèi)，并通過(guò)了飛行實(shí)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】撲翼機(jī)；仿生；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)

1 仿蝙蝠撲翼機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 兩自由度撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

蝙蝠在自由飛行過(guò)程中僅依靠雙翅的撲動(dòng)以及蝠身腹部控制攻角，來(lái)產(chǎn)生升力及推力飛行的，對(duì)仿蝙蝠撲翼微型飛行器而言，它的單側(cè)撲翼機(jī)構(gòu)為單自由度機(jī)構(gòu)，為使撲翼機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，原動(dòng)件的數(shù)量必須等于該機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)量，即運(yùn)動(dòng)確定的條件是設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)與撲翼機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)量相等[1-3]。仿蝙蝠撲翼機(jī)的各構(gòu)件只作平面運(yùn)動(dòng)，所以每個(gè)自由構(gòu)件具有三個(gè)自由度。機(jī)械機(jī)構(gòu)雖然同時(shí)具有兩種運(yùn)動(dòng)，但明確只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)支持，因此要求機(jī)構(gòu)只具有一個(gè)自由度。而每個(gè)平面低幅（轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副）各提供兩個(gè)約束，每個(gè)平面高副只提供一個(gè)約束。自由度的計(jì)算公式如式（1）[4]：

其中，N—為構(gòu)件數(shù)，包括機(jī)架；Pi—第i類(lèi)運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量；Ci—第i類(lèi)運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)。撲翼機(jī)構(gòu)是一個(gè)5桿5副的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，圓柱副引入5個(gè)約束，球副引入3個(gè)約束，自由度由式（1）計(jì)算得：

1.2 減速齒輪組設(shè)計(jì)

仿蝙蝠撲翼機(jī)飛行工作時(shí)，撲動(dòng)頻率高，翼手拍打空氣需要很大作用力，負(fù)載較大，微型直流電機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)翼手拍打空氣產(chǎn)生升力，且容易造成損壞。因此采用齒輪減速器，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足拍打機(jī)翼的需要。

微型飛行器，完成飛行所需扭矩小，數(shù)量級(jí)低，因此兩級(jí)展開(kāi)式圓柱齒輪減速組中齒輪全部選用塑料齒輪或是用PLA3D打印材料。這種齒輪組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛。撲翼機(jī)的上下?lián)鋭?dòng)是對(duì)稱的往返運(yùn)動(dòng)，需要該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翼手對(duì)稱撲動(dòng)拍打，在減速齒輪組中，連接搖桿的兩個(gè)直齒輪對(duì)稱放置。該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了翼手同時(shí)撲動(dòng)，對(duì)撲翼飛行器平穩(wěn)飛行具有重要意義。

1.3 機(jī)翼設(shè)計(jì)

飛行器在飛行中機(jī)體軸相對(duì)于地面的角位置，通常用三個(gè)角度來(lái)表示：俯仰角：飛行器機(jī)體縱軸方向與水平面的夾角；偏航角：飛行器機(jī)體縱軸方向在水平面上的投影與該面上參數(shù)線之間的夾角；滾轉(zhuǎn)角：由對(duì)稱平面與通過(guò)飛行器機(jī)體縱軸的鉛垂平面間的夾角。飛行姿態(tài)通過(guò)無(wú)線遙控設(shè)備控制伺服機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)的舵面，改變飛行姿態(tài)。

參照蝙蝠的翅膀，設(shè)計(jì)了機(jī)翼形狀。參照蝙蝠前肢發(fā)達(dá)的上臂、前臂和指骨，用1mm纖維桿和0.5mm纖維桿搭建成翼手骨架。

1.4 尾翼設(shè)計(jì)

仿蝙蝠撲翼機(jī)的尾翼和機(jī)身相連接，其尾翼主要負(fù)責(zé)控制俯仰方向和偏航角，采用交叉十字法直接將兩個(gè)電磁舵機(jī)相連，尾翼的支撐是PLA材料3D打印機(jī)打印，蒙皮直接粘貼在打印的倒V支撐上。

2 仿蝙蝠撲翼機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 舵機(jī)的選擇

舵機(jī)也叫伺服電動(dòng)機(jī)，是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，航模飛機(jī)的舵面經(jīng)常用到。航模上實(shí)現(xiàn)俯仰、橫滾、偏航就是利用舵機(jī)的可控制轉(zhuǎn)角。傳統(tǒng)舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：微型電機(jī)、舵機(jī)搖桿、減速齒輪組、可調(diào)電位器、控制電路板等。

舵機(jī)控制撲翼機(jī)的飛行，因受到微型撲翼機(jī)尺寸、重量的限制以及飛行時(shí)間的要求，舵機(jī)應(yīng)盡可能的輕。傳統(tǒng)舵機(jī)的組成過(guò)于復(fù)雜，對(duì)于微型化的撲翼機(jī)不適合，因此需選擇輕量級(jí)的舵機(jī)。

電磁舵機(jī)是利用電流的磁效應(yīng)工作的，電磁舵機(jī)有外部線圈和內(nèi)部永久磁鐵組成。線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，永久磁鐵因?yàn)殡姶艌?chǎng)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)舵面。為了實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的可控性，需要加上控制電路，控制電路接受控制信號(hào)，控制電流通過(guò)線圈。

根據(jù)控制力度和范圍的大小，撲翼機(jī)尾部采用兩個(gè)電磁舵機(jī)直接連接，并以十字交叉方式連接成萬(wàn)向節(jié)，實(shí)現(xiàn)撲翼機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)。

2.2 直流電機(jī)的選取

要實(shí)現(xiàn)微型撲翼機(jī)在天空中飛行，應(yīng)選擇合適的動(dòng)力源。微型電機(jī)以外形小、效率高適合應(yīng)用在微型撲翼機(jī)上，也易搭配小型化電池。仿蝙蝠微型撲翼機(jī)選擇6mm直徑空心杯電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.3 電子調(diào)速器的選取

微型撲翼機(jī)選用了微型電機(jī)，微型電機(jī)是有刷電機(jī)，因此只能選取有刷電子調(diào)速器。超小型雙路雙向有刷電子調(diào)速器，控制芯片采用單片機(jī)PIC12F1501，選用低內(nèi)阻MOSFET，驅(qū)動(dòng)能力極強(qiáng)，持續(xù)工作電流3A。每路可輕松驅(qū)動(dòng)2個(gè)并聯(lián)N20減速電機(jī)。

參數(shù)如下：①工作電壓3-5.5V。②標(biāo)準(zhǔn)工作持續(xù)電流3A，最大脈沖電流20A。③重量2g。④PWM調(diào)制頻率可供選擇，60Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，4000Hz，8000Hz。

2.4 信號(hào)接收機(jī)

微型撲翼機(jī)在空中飛行和進(jìn)行偵察工作都需要地面控制及自主控制，因此微型撲翼飛行器需帶有微型信息傳輸和控制系統(tǒng)。撲翼飛行器在空中偵察工作也需要地面控制和自我調(diào)節(jié)控制，因此必須有通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)身與控制人員的聯(lián)系。仿蝙蝠撲翼飛行器采用了天地飛遙控器和對(duì)應(yīng)接收機(jī)，接收機(jī)有4個(gè)通道，分別與微型小電機(jī)、升降電磁舵機(jī)、偏航電磁舵機(jī)相連接。

接收機(jī)四通規(guī)格：①類(lèi)型：微型2.4G電磁舵接收機(jī)；②通道數(shù)：4通；③尺寸：15.0×12.4×1.8mm；④重量：0.35g；⑤工作電壓：3.3-4.2V；⑥天線長(zhǎng)度：30mm。

3 整體組裝

仿蝙蝠撲翼飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，用CATIA軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)和各零部件的三維建模，為了能靈活的設(shè)計(jì)機(jī)身，同時(shí)減輕機(jī)身重量，采用3D打印快速成型技術(shù)，用不同粗細(xì)的碳纖維桿制成骨架。用聚乙烯材質(zhì)做蒙皮，使微型撲翼機(jī)保證在20g以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文介紹了一種仿蝙蝠微型撲翼機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，重點(diǎn)介紹了撲翼機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用3D快速打印成型技術(shù)打印機(jī)身，用聚乙烯材質(zhì)做蒙皮，完成了撲翼機(jī)的制作，并通過(guò)了飛行實(shí)驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]