基于齒輪齒條傳動的撲翼無人機

郝康博

摘 要：撲翼無人機通過模擬鳥類及昆蟲翅膀拍動運動獲得前進的空氣動力，而撲翼拍動運動的驅動機構有多種結構形式。目前，國內外撲翼無人機多采用曲柄連桿結構設計驅動機構，結構形式簡單，但左右拍動運動存在一定的相位差，同時伴隨有上下拍動運動不對稱的設計缺陷，影響飛行器的氣動效率和機構穩定性。提出一種基于齒輪齒條傳動的撲翼無人機驅動機構設計方案，使撲翼拍動運動獲得了較好的對稱性和穩定性，并通過原理樣機實現垂直起降和懸停飛行。撲翼無人機的設計思路和實驗方案，可為設計性能更優的撲翼無人機傳動系統提供指導。

關鍵詞：撲翼;無人機;齒輪齒條傳動

中圖分類號：V43 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0086-02

1 研究背景及意義

撲翼無人機仿照自然界鳥類和昆蟲的飛行原理，通過撲翼的往復振翅獲得前進的推力和升力，與固定翼類和旋翼類無人機相比，在狹小空域內的低速飛行條件下具有更高的氣動效率和機動性能。

國外許多研究機構在撲翼無人機研究方面獲得一些進展，典型的代表有，荷蘭代爾夫特大學的“Delfly”系列攜尾式撲翼機[1]，美國國防先進研究計劃局研制的仿蜂鳥無人機[2]以及德國Festo公司研制的SmartBird撲翼無人機[3]等，都很好地模仿了鳥類和昆蟲的運動。而我國在撲翼無人機領域的研究起步較晚，多為仿鳥類的撲翼機，尺寸較大，機動性較差，大多采用曲柄連桿機構驅動，尚無可實現懸停飛行的撲翼無人機。仿昆蟲類撲翼無人機的撲動頻率高，翼面積小，制造難度高，主要體現在對驅動機構的強度要求和運動性能上。

探索撲翼無人機新型的驅動機構結構形式，提出一種基于齒輪齒條傳動的撲翼無人機總體設計方案，為研制先進的可懸停仿昆蟲撲翼無人機提供設計參考及技術儲備。

2 撲翼無人機方案設計

2.1 總體方案

設計一種模仿昆蟲翅翼拍動、可實現懸停飛行的撲翼無人機，總體方案包括傳動系統、升力系統、動力系統及控制系統等部分，總體方案的主要參數如表1所示。

2.2 傳動系統原理設計

撲翼無人機的翅翼拍動幅度設計為120°，采用齒輪齒條傳動實現往復拍動運動，設計原理如圖1所示。考慮用于驅動齒條直線運動的齒輪（模數0.5，齒數40的齒輪分度圓直徑為40mm）偏心距可取范圍為1.5mm-8mm，選用模數為0.5的漸開齒設計齒條和齒輪拍動桿，齒條的行程范圍設計為5.5mm，可滿足120°拍動幅度設計要求。

針對相同拍動幅值、相同拍動頻率的單曲柄連桿機構和齒輪齒條傳動機構進行運動學仿真，獲得其左右翼拍動桿角速度隨時間變化曲線如圖2所示。單曲柄連桿機構的左右翼運動存在較大的相位差，而齒輪齒條傳動機構左右翼的拍動運動完全對稱，有利于提高撲翼氣動性能和機構的穩定性。

2.3 驅動機構三維建模

考慮各結構部件的位置和裝配關系，在保證結構強度要求的基礎上，盡可能減輕驅動機構整結構重量。采用上下分層的結構形式，將齒輪齒條與減速齒輪組進行分離，縮短驅動機構軸向長度，減小結構重量，同時達到載荷分離的目的，有效提高結構強度，驅動機構三維構型如圖3所示。

2.4 仿生撲翼制作

影響撲翼氣動效率的主要因素有幾何形狀、展弦比、面積及攻角（由柔性變形決定）等，參照韓國建國大學Hoang Vu Phan等人的設計方案，采用“翅脈+薄膜”結構形式設計仿生撲翼，將碳纖維棒用作撲翼翅脈，塑料薄膜用作翅翼的膜。實驗表明，該設計方案可同時滿足剛度與柔性變形的要求，最大可獲得30g升力。

2.5 原理樣機組裝

撲翼無人機驅動機構的零部件均采用3D打印技術加工，采用高強度的光敏樹脂材料，可獲得質量輕、耐沖擊的結構部件。齒輪采用標準的工程塑料齒輪，各部件間采用鋁質鉚釘進行連接，選用額定電壓3.7V的空心杯電機提供驅動力，選用微型鋰電池提供電力，可滿足續航能力要求，裝配獲得的撲翼無人機原理樣機如圖4所示。

3 飛行測試

將樣機穿過鋼絲繩，引導其在豎直方向起飛。通過外部直流電源適配器給電機供電，飛行測試結果如圖5所示。實驗過程中翅翼拍動運動平穩，驅動機構的結構部件未發生損毀，原理樣機可產生足夠的升力克服自身重量并以較大加速度豎直上升。可見，基于齒輪齒條傳動的撲翼無人機設計方案具有對稱平穩的運動特性，且可產生足夠的氣動力，該結構形式未來可用于研制性能更穩定高效的撲翼無人機。

4 結語

基于齒輪齒條傳動提出了一種撲翼無人機總體設方案，并通過原理樣機組裝飛行測試表明方案可行性。計算分析和實驗結果表明，基于齒輪齒條傳動的驅動機構相較單曲柄連桿具有更高的運動對稱性和結構穩定性，采用該結構形式的撲翼無人機具有較穩定的氣動性能。

5 撲翼無人機未來展望

目前，鳥類和昆蟲的飛行行為及其力學機理已研究得比較透徹，撲翼無人機的研制難點在于升力機制、驅動機制、控制機制在微型化集成設計的實現上，主要受限于微電子制造技術、仿生材料及微加工工藝等的發展。未來應加強交叉性學科的建設，將相關技術與仿生機理進行有機融合，快速推進實用型撲翼無人機的研制進程。

參考文獻

[1] Decroon G C H E，Perin M，Remes B D W，et al.The delfly： Design， aerodynamics， and artificial intelligence of a flapping wing robot[C]// Springer Publishing Company， Incorporated，2015.

[2] M. Keennon， K. Klingebiel， H. Won， A. Andriukov， Development of the nano hummingbird：a tailless flapping wing micro air vehicle， 50th AIAA Aerosp. Sci. MTG， Nashville， January，2012.

[3] Wong B. New Robot Designs Are For The Birds[J].Electronic Design，2011.