微型撲翼飛行器撲翼機構優化設計

李玉娟　鄭皓

【摘 要】撲翼機構的目的就是把執行機構的運動（包括旋轉運動和微位移運動）轉換為機翼的撲打運動，從而產生微型撲翼飛行器所需要的空氣動力。本文介紹基于運動鏈再生變換原理的微型撲翼飛行撲翼機構的設計和優化設計。

【關鍵字】微型撲翼;機構設計

中圖分類號： V221文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）26-0026-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.011

1 設計原理

為了提高傳動性能、減少摩擦、便于制造，應盡量避免機構中出現高副。在撲翼機構的設計中，如果桿件的連接均采用轉動副，連接撲翼的桿件的運動難以達到無滯后，同步對稱撲動的要求，如Delfly Ι撲翼機構，右撲翼桿件的撲動相對于左撲翼桿件的撲動存在滯后。解決撲翼機構不對稱撲動的問題，可以將曲柄機構替換為滑塊機構，將連接左右撲動桿件的轉動副替換為移動副。存在滑塊機構及移動副，并能夠使桿件對稱撲動的六桿七副一般化鉸鏈。

再由存在滑塊機構移動副的再生運動鏈逆推，得到衍生機構的運動簡圖。

在以上所得的滿足撲翼機構進本設計條件的幾種機構中，可根據設計者的需要，進行分析比較，采用最適合的機構再進行綜合和優化設計。為了保證機構結構的簡單可靠，我們這里采用滑塊機構移動副的再生運動鏈，進行進一步的優化設計。

由于機構擬采用微型直流電機驅動，其特性為轉速大，力矩小，因此撲翼機構的設計還要具有降低轉速、增大力矩的功能。基于此類特性，滑塊機構移動副的再生運動鏈機構中增加齒輪減速機構。為了能夠在撲翼機構中預留出齒輪減速機構的位置，滑塊機構的行程會相應地縮小，為了保證撲翼桿件撲動的角度，在2、6撲翼桿件上增加四桿機構，同時四桿機構的設計也有利于提高輸出力矩。然后，將2、6撲翼桿件上的移動副前移，并在3、5桿件的復合鉸鏈位置處形成復合運動副。

2 機構的優化設計

優化設計后的單邊撲翼運動簡圖如圖1所示。

其桿件的長度和相應的位置關系在圖中用相應的代號表示。運動簡圖中，可以把設計的機構看作由滑塊機構和四桿機構通過移動副連接組成。在對此機構進行運動學研究時，可以將其分為兩個階段。第一階段的運動學方程為：

為了使撲翼機構得到120°的撲翼角度，以及使上下撲動呈對稱的形態，基于（1）至（5），可以優化得到最終的各桿件長度以及相應的位置參數，其參數如表1所示。

翅膀連接在撲翼桿件L6上，撲翼桿件繞固定鉸鏈以120°的角度帶動翅膀旋轉形成撲翼動作。根（下轉第65頁）（上接第26頁）據撲翼機構的集合參數，在SolidWorks軟件中進行幾何建模，建模結果如圖2（a）所示。

齒輪減速機構的布置如圖所示，其減速比為19.75：1。將3D模型采用快速成型技術3D打印，3D打印材料為光敏樹脂，其實體模型如圖2（b）所示。

3 小結

根據撲翼機構的設計要求及條件對再生運動連進行篩選、優化，最后還原出撲翼機構的運動簡圖，基于一種運動機構設計一款單對翼撲翼飛行器撲翼機構，并對其運動學進行計算。