基于撲翼式飛行器機構(gòu)的研究

燕居懷，紀培國

（威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東 威海264300）

0 引言

目前飛行器飛行方式有固定翼、旋翼和撲翼三種飛行類型，其中撲翼飛行是自然界飛行生物采用的飛行方式，也是三種飛行方式中最完美的飛行方式。通過觀察大自然飛行生物的飛行姿態(tài)，可以看出撲翼飛行主要利用雙翅的上下?lián)鋭赢a(chǎn)生升力和推力[1]，這種飛行方式具有飛行靈活、飛行效率高，無需起飛和降落跑道等特點。

仿生撲翼飛行器主要通過觀察大自然中飛行生物的飛行姿態(tài)而設(shè)計的一種飛行器，由于其飛行非常靜音、可微型化，且外觀非常像鳥類，因此在軍事領(lǐng)域得到廣泛的研究及應(yīng)用[2]，在民用方面可用來檢測環(huán)境等，所以研究撲翼飛行器機構(gòu)特點是近年來的熱點。本文通過對鳥類骨骼以及四種傳統(tǒng)撲翼式飛行器機構(gòu)的研究，設(shè)計出一可以模仿鳥類飛行時復(fù)雜撲翼運動的飛行器。

1 傳統(tǒng)撲翼機構(gòu)分析

目前常用的撲翼機構(gòu)有四種，第一種單曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)，第二種雙曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)，第三種曲柄滑塊機構(gòu)，第四種凸輪彈簧機構(gòu)。

1.1 曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)

單曲柄雙搖桿機構(gòu)是結(jié)構(gòu)最簡單的一種撲翼傳動機構(gòu)，如圖1所示，因此它的運功桿件最少，所以傳動零件尺寸最小，整體質(zhì)量最輕，目前很多單自由度的微型仿生撲翼機都采用這樣的機翼驅(qū)動機構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出單曲柄雙搖桿機構(gòu)兩側(cè)均有一套曲柄搖桿機構(gòu)，但是這兩個曲柄搖桿機構(gòu)共用一個曲柄，因此這個曲柄驅(qū)動兩側(cè)曲柄搖桿機構(gòu)作撲動動作時會導(dǎo)致左右兩側(cè)運動不對稱，易導(dǎo)致飛行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，增加飛行控制難度。

圖1 單曲柄雙搖桿機構(gòu)

1.2 雙曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)

如圖2所示，雙曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱，兩側(cè)搖桿可形成對稱運動，與單曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)相比增強了撲翼運動的穩(wěn)定性，但是該機構(gòu)并不能使連桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

圖2 雙曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)

1.3 曲柄滑塊機構(gòu)

如圖3所示，曲柄滑塊機構(gòu)中驅(qū)動曲柄使滑塊沿導(dǎo)桿上下運動，滑塊帶動兩側(cè)連桿實現(xiàn)上下?lián)鋭印?yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，缺點：滑塊摩擦大、效率不高。

圖3 曲柄滑塊機構(gòu)

1.4 凸輪彈簧機構(gòu)

如圖4所示，在凸輪轉(zhuǎn)動下以及彈簧彈力作用下，推動底板上下運動，兩側(cè)搖桿均隨著頂板作上下?lián)鋭舆\動。該機構(gòu)的優(yōu)點是只需設(shè)計凸輪輪廓曲線，就可實現(xiàn)撲動運動，缺點是機構(gòu)比較復(fù)雜，難以微小化，并且能量損失多，效率不高。

圖4 凸輪彈簧機構(gòu)

2 雙曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

撲翼機構(gòu)的設(shè)計始終是制約撲翼飛行器發(fā)展的核心問題。目前應(yīng)用最廣的撲翼機構(gòu)是單曲柄雙搖桿機構(gòu)和雙曲柄雙搖桿機構(gòu)，但是由于單曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)撲翼運動的不對稱性，從而影響撲翼運動的穩(wěn)定性，以及雙曲柄雙搖桿傳動機構(gòu)雖然撲翼運動對稱，但是只能簡單的做上下?lián)鋭觿幼鳎B類飛行翅膀還伴隨著扭轉(zhuǎn)動作，基于以上原因，盡管撲翼式飛行是最完美的飛行方式，但是至今還未普及應(yīng)用。

本文針對撲翼運動不對稱和撲翼不能扭轉(zhuǎn)兩個問題，在雙曲柄雙搖桿機構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，使得撲翼在撲動時能夠扭轉(zhuǎn)，該設(shè)計能夠扭轉(zhuǎn)機翼翼面，從而可以實現(xiàn)主動俯仰或扭轉(zhuǎn)運動。

本論文采用雙曲柄雙搖桿為撲動機構(gòu)，如圖5所示為撲動傳動機構(gòu)的三維模型，撲翼采用多級連桿機構(gòu)如圖6所示，便于機翼折疊和展開；撲翼通過兩個微型舵機實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，撲翼扭轉(zhuǎn)前機構(gòu)如圖7所示，通過微型舵機控制帶動翼桿轉(zhuǎn)動使翼翅扭轉(zhuǎn)一定的角度，扭轉(zhuǎn)后如圖8所示，以此扭轉(zhuǎn)運動得以實現(xiàn)。并且翅翼形狀采用上凸下凹形式如圖9所示，這樣可以有效減小撲翼上撲時的阻力，以及增大下?lián)鋾r的升力。

圖5 撲動傳動機構(gòu)

圖6 撲翼連桿機構(gòu)

圖7 撲翼扭轉(zhuǎn)前機構(gòu)

圖8 撲翼扭轉(zhuǎn)后機構(gòu)

圖9 翅翼外觀

具體實施方式：直流無刷電機輸出的動力通過小齒輪帶動大齒輪，大齒輪帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸同時帶動中齒輪轉(zhuǎn)動，兩個中齒輪同步轉(zhuǎn)動，同時兩個中齒輪帶動連桿上的偏心輪做圓周運動，從而使得撲翼連桿作上下?lián)鋭觿幼鳌＿@樣設(shè)計的優(yōu)點在于，左右機翼上下?lián)鋭宇l率和撲動幅度大小時刻保持一致，受到空氣作用力一樣為穩(wěn)定飛行減少了控制難度。該機構(gòu)實際上是一種平面機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)，調(diào)整方便，重量可控。左右機翼的扭轉(zhuǎn)是通過兩側(cè)的微型舵機帶動翅翼發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)的[3]。

3 結(jié)論

本文是在傳統(tǒng)機構(gòu)雙曲柄雙搖桿機構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計的一款機翼可扭轉(zhuǎn)的撲翼飛行器，機翼的扭轉(zhuǎn)是通過微型舵機控制的。由于本文只是在傳統(tǒng)機構(gòu)上增加了一個扭轉(zhuǎn)機構(gòu)，并未在具體數(shù)據(jù)上進行設(shè)計，因此可在以后的研究中可進行仿真優(yōu)化設(shè)計。并且撲翼采用多級連桿機構(gòu)，可使撲翼飛行器在復(fù)雜空間中便于扭轉(zhuǎn)、折疊和展開。而翅翼形狀采用上凸下凹形式，這樣可以有效減小撲翼上撲時的阻力，以及增大下?lián)鋾r的升力，可提高撲翼飛行器飛行效率。