微撲翼驅動機構設計與運動學分析

徐兵陳強王偉

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

微撲翼驅動機構設計與運動學分析

徐兵陳強王偉

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

文章提出了一種新型撲翼驅動機構，模仿昆蟲的撲翼運動。用Solidworks進行參數化建模，并導入ADAMS進行運動學仿真分析。機翼在撲動過程中的撲動角度、角速度和角加速度隨時間成正弦變化，具有較好的對稱性，為后續(xù)撲翼機的制作提供有力參考。

撲翼驅動機構；Solidworks；ADAMS；運動學仿真

1 前言

撲翼飛行器是一種模仿自然界飛行類生物（如鳥、昆蟲等）依靠撲動機翼產生飛行動力的飛行機器人。撲翼飛行器以其良好的機動性、低噪音、低成本等功能，在國內外受到廣泛的關注，無論是軍事還是民用領域都將有著廣闊的應用前景[1-2]。近年來，隨著實驗手段的不斷完善、流場顯示技術的發(fā)展以及數值仿真方法的應用，研究者對撲翼驅動機構的設計越來越多元化。美國喬治亞理工大學研制的微型飛行器Entomopter[3]，它有兩對機翼，使用往復式化學肌肉驅動。美國加州大學伯克利分校研制的微機械飛蟲MFI[4]，采用壓電石英驅動撲翼上下運動。德國的FESTO公司研制出一款尺寸較大的撲翼飛行器Smartbird[5]，采用的是折疊翼撲動方式，驅動機構是一個平行連桿機構，同時翼尖有扭轉運動，實現空中飛行運動。目前，國內研究者設計的撲翼驅動機構多采用單曲柄雙搖桿機構，它結構簡單、質量輕、可實現微型化，但是其本身為非對稱結構，在撲動過程兩側機翼存在撲翼角度相位差，會出現栽落現象，影響飛行穩(wěn)定性和安全性[6]。

中國民航大學航空工程學院的楊永剛[7]等人采用雙曲柄雙搖桿結構進行驅動，并對其最小傳動角最大進行優(yōu)化分析。周曉磊[8]，陳世杰[9]，阮龍歡[10]等人設計復合驅動機構，實現翼翅的∞字型運動。這些機構都是空間四桿機構和雙曲柄雙搖桿機構的演變，具有良好的機構對稱性，但結構復雜不利于微型化。

本文在前人研究成果的基礎上，設計一種新型撲翼驅動機構，對其進行運動學分析，用三維設計軟件Solidworks對其進行建模，并對機翼運動過程中的撲動角，撲動角速度和角加速度進行了分析，結構簡單，易于控制，撲動角度具有較高的對稱性，傳動效果明顯，為撲翼飛行器的開發(fā)提供一定的參考。

2 微撲翼驅動機構的設計和三維建模

2.1 微撲翼驅動機構設計目標

微撲翼驅動機構的設計目標是在已有驅動機構的基礎上，模仿昆蟲翅膀的運動形式，對昆蟲翅膀的撲動特征抽象簡化，設計出符合要求的撲翼驅動機構。

通過對昆蟲飛行運動進行觀察發(fā)現，昆蟲翅膀在撲動過程中是對稱的，可將昆蟲復雜的撲翼運動簡化為上下撲動，撲動角為φ，由非定常空氣動力學理論及驗證撲翼機的實驗[7]可知，升力隨著φ范圍的增大而增大。為保證仿生撲翼機飛行的穩(wěn)定性，理想的撲翼機構要左右對稱，左右載翅桿對稱且同步撲動，而且撲翼機構運行要高效可靠，在滿足撲動要求的條件下，盡可能減少桿件數目，減輕質量，結構緊湊。

2.2 撲翼驅動機構的三維建模

本文設計了一種微型撲翼驅動機構，主要是由凸輪—齒條框架機構組成，將盤形凸輪與矩形齒條框架相組合，電機帶動凸輪轉動，凸輪的旋轉運動轉化成齒條框架的上下往復運動，帶動嚙合的齒輪完成有限角度的擺動，而機翼和齒輪為一體，表現為機翼的撲翼運動。如圖1所示。

圖1 微型撲翼驅動機構

凸輪機構結構緊湊、簡單，通過合理的輪廓曲線設計即可有效避免剛性和柔性沖擊，在各種工程機械和自動化儀器中都有廣泛的使用。該撲翼驅動機構選擇凸輪機構可以有效保證機翼撲動的對稱性，提升撲翼機飛行的效果。利用Solidworks對撲翼驅動機構進行參數化建模，然后進行虛擬裝配，通過運動仿真初步驗證所設計驅動機構的運動形式。

3 各機構尺寸關系分析

首先，分析機翼撲動角度φ與凸輪基圓半徑r0和最大直徑d1的關系。

設凸輪繞定軸轉動的角速度為ω1，齒輪的角速度為ω2，齒輪旋轉的周數設為X，凸輪的最大頂程為S，齒條的行程設為L。

圖2 撲翼驅動機構中幾何關系圖

由圖2中的幾何關系可建立如下運動方程：

其中：

齒輪的直徑 d2＝ πmz1； （3）

由公式（6）可以看出，為增大撲動角φ，可以通過增大凸輪的最大直徑或減小凸輪基圓半徑；選用合適的模數和齒數也是非常重要的。

由式（1）（6）可以解得：

可以看出，機翼的角速度與凸輪角速度的關系，通過改變電機的轉速以及凸輪的尺寸大小可以改變機翼的角速度，從而改變機翼的撲動頻率。

由于平底直動從動件盤形凸輪機構中，凸輪輪廓線與平底接觸處的公法線垂直于平底，故壓力角等于零，所以傳動角最大，傳動效果最佳。

根據此機構各部分間的幾何尺寸關系可得約束條件：

4 撲翼機構的構筑

4.1 撲翼機構參數

取齒條框架的高h=39 mm，寬度d=58 mm，齒條長度為35 mm，凸輪的基圓半徑r0=10 mm，d1=39 mm，機翼齒輪的模數 m=1.5，z1取 18，齒條的行程s取19 mm，由公式（6）可以計算得出機翼的撲動角度為80.7°。

仿真模型的建立有助于對機構設計的驗證和改進。如圖3所示。

根據相似理論，忽略掉構件的細節(jié)部分，只保證構件的幾何形體的質量、質心位置、慣性矩和慣性積同實際構件相同。在模型豎直方向上施加重力，然后給予凸輪以勻角速度運動，測量相關數據。

4.3 仿真結果與分析

4.3.1 機翼撲動角度分析

圖3 ADAMS仿真模型

圖4 機翼撲動角度曲線圖

圖4是機翼在一段周期內的撲動角度的曲線圖。由曲線可以看出機翼的撲動角度φ的范圍在80度左右，此數值與由公式計算得出的結果基本吻合。并且可以看出機翼上下撲動的角度隨時間成正弦曲線變化，保證了飛行時的穩(wěn)定性。

4.3.2 機翼撲動角速度分析

圖5 機翼撲動角速度曲線圖

圖5是機翼在一段周期內的撲動角速度的曲線圖。從圖中可以看出，機翼上下撲動的角速度比較穩(wěn)定，可以給微型撲翼機提供穩(wěn)定的升力，提高了飛行的穩(wěn)定性。

4.3.3 機翼撲動角加速度分析圖

表3和表4顯示了焚燒爐飛灰和底渣中所含的主要重金屬組分和其滲出特性數據，其中MSW熱解碳、直接焚燒底灰、耦合焚燒底渣均為實驗室測試數據，使用同一批次的生活垃圾的制樣；“耦合焚燒底渣（運行）”采樣于規(guī)模15 t/d、24 h運行的焚燒爐。

圖6 機翼撲動角加速度曲線圖

圖6是機翼在一段周期內的撲動角加速度的曲線圖。從圖中可以看出角加速度總體比較穩(wěn)定，在撲動過程中有輕微的振蕩，屬于正常現象，可以繼續(xù)對機構進行改進，提高加速度的穩(wěn)定性。

5 結束語

文章基于生物仿生學的原理設計了一種新型的微型撲翼驅動機構。驅動機構中的齒輪齒條機構，解決了單曲柄搖桿機構在撲動過程中的兩側機翼撲動角度的不對稱性問題。采用Soliworks進行三維建模，導入ADAMS仿真軟件中，進行運動學仿真分析。該設計的撲動角度和仿真撲動角度都在80°左右，對其角速度和角加速度加以分析發(fā)現，運動曲線基本呈正弦曲線變化，具有良好的對稱性。該新型微型撲翼驅動機構滿足當初的設計要求，能夠為后期撲翼機的制作提供依據。

參考文獻：

[1]MCMICHEAL J M，FRANCIS M S.Micro air vehicles-toward a new dimension in flight[R].US DARPA/TTOReport，1997.

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

[3]COLOZZA A.Planetary exploration using biomimetics:an entomopter for flight on Mars[C].NIAC Fellows Conference.NASA Ames Research Center，2001，（6）:24-25.

[4]FEARING 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，2001:1509-1516.

[5]Festo Corporate-Smart Bird[EB/OL].[2010-12-15].http://www.festo.com/cms/en_corp/11369.html.

[6]熊超.微型撲翼飛行器尾翼的分析與設計方法研究[D].西安:西北工業(yè)大學，2007.

[7]楊永剛，蘇漢平.撲翼飛行器驅動機構的優(yōu)化設計與仿真[J].機械傳動，2017，（1）:122-126.

[8]周曉磊.仿生撲翼飛行器的氣動力與驅動機構研究[D].上海:上海工程技術大學，2016.

[9]陳世杰.撲翼式飛行器的驅動機構研究[D].西安:西安工業(yè)大學，2015.

[10]阮龍歡.仿生撲翼飛行機器人結構設計及運動學研究[D].武漢:武漢科技大學，2016.

THE DESIGN AND KINEMATICS ANALYSIS OF THE MICRO FLAPPING ACTUATOR

XU BingCHEN QiangWANG Wei
（Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

This paper proposes a new flapping actuator to simulate the flapping-wing movement of insects.The Solidworks is adopted to build the parametric model and ADAMS to simulate the kinematics of flapping.It is found that the flapping angle,angular velocity and angular acceleration of the wing are sinusoidal variable with time and with good symmetry,which provides a powerful reference for the building of subsequent flapping machines.

Flapping actuator； Solidworks； ADAMS； Kinematics simulation

V276

A

：1672-2868（2017）03-0099-05

責任編輯：陳小舉

2016-03-09

安徽省高等學校自然科學研究項目（項目編號：KJ2015A281）；巢湖學院校級科學研究項目（項目編號：XLZ-201506）

徐兵（1990-），男，安徽舒城人。巢湖學院機械與電子工程學院，助教。研究方向：驅動器、撲翼機器人。