撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

馬程 熊曉松 吳昊 王世文

摘? 要 撲翼飛行器可以通過(guò)對(duì)鳥類或昆蟲飛行動(dòng)作的模仿實(shí)現(xiàn)飛行。設(shè)計(jì)從生物學(xué)的視角出發(fā)，對(duì)鳥類在飛行過(guò)程中翅膀的動(dòng)作進(jìn)行分解總結(jié)。闡述仿生撲翼飛行器所需要實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)要求，設(shè)計(jì)出一種合理可靠的二段折翼式仿生撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。使用Pro/E對(duì)設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真功能對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求，具有可行性。設(shè)計(jì)為仿生撲翼飛行器的設(shè)計(jì)研制以及實(shí)體樣機(jī)制造提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 仿生撲翼飛行器;驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);建模;仿真;Pro/E

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）14-0027-03

Structure Design and Motion Simulation Analysis of Bionic Flapping-wing Aircraft//MA Cheng， XIONG Xiaosong， WU Hao， WANG Shiwen

Abstract Bionic flapping-wing aircraft is a flying tool that can be

imitating the flight movements of flying organisms such as birds or

insects. From the perspective of biology， the structural characteristics

of bird wings were analyzed in detail， and the movement of wings

during flight was decomposed and summarized. Based on several basic requirements for it， a reasonable and reliable driving mecha-nism of two-stage folding-wing bionic flapping-wing aircraft was designed. By using the 3D design software Pro/E， the 3D solid model

of the designed drive mechanism was built and feasible. It has been provided some theoretical basis for the design and manufacture of mechanism.

Key words desks bionic flapping-wing aircraft; driving mechanism; modeling; simulation; Pro/E

1 前言

仿生撲翼飛行器的研究一直是飛行器領(lǐng)域的熱點(diǎn)，各種樣式的仿生撲翼飛行器能夠模仿自然界中各種鳥類或昆蟲在空中飛行的動(dòng)作，完成人們?cè)O(shè)置好的各種任務(wù)。仿生撲翼飛行器在飛行過(guò)程中易升降，這一優(yōu)點(diǎn)與旋翼飛行器類似，并且在空中飛行的速度十分快，載物能力強(qiáng)，可以與固定翼飛行器平分秋色。不僅僅是這樣，仿生撲翼飛行器因?yàn)槠洫?dú)特的仿生學(xué)原理，還具有極佳的隱蔽性和極其出眾的機(jī)動(dòng)性，并且擁有十分獨(dú)特的空氣動(dòng)力學(xué)特性，尤其是在低雷諾數(shù)下?lián)碛袠O其出色的飛行能力。種種優(yōu)勢(shì)使得撲翼機(jī)無(wú)論是在民用還是軍事領(lǐng)域，都擁有廣泛的應(yīng)用前景。

2 鳥類撲翼飛行機(jī)理研究

鳥類的翅膀各不相同，各有各的特點(diǎn)，但是在大體上是一致的。鳥類翅膀的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，翅膀整體由三部分組成，即骨骼、肌肉以及羽毛。本文中所設(shè)計(jì)的仿生撲翼飛行器的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其實(shí)也就是用機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)代替鳥的骨骼與肌肉，做出相似的撲翼動(dòng)作。自然界中大部分鳥類的飛行動(dòng)作都是周期性運(yùn)動(dòng)，一個(gè)周期則可以細(xì)分為四個(gè)階段[1-6]。

1）向下?lián)鋭?dòng)階段：翅膀的一段翼與二段翼保持在同一平面，由身體上方向下方扇動(dòng)，如圖2（1～7）所示。

2）翅膀折疊階段：向下?lián)鋭?dòng)階段結(jié)束，一段翼基本不

動(dòng)，二段翼向下折疊，與一段翼形成一定的角度，通過(guò)減少翼展的長(zhǎng)度，達(dá)到收縮在水平面上的投影面積，為向上撲動(dòng)階段做好準(zhǔn)備，如圖2（8～11）所示。

3）向上撲動(dòng)階段：在翅膀折疊完成后，以較小的受力面積開(kāi)始由下向上撲動(dòng)，減少所受到的阻力，但是該階段只是一段翼向上抬起，二段翼仍處于折疊狀態(tài)而基本不動(dòng)，如圖2（12～13）所示。

4）翅膀平展階段：當(dāng)一段翼抬升到最高處時(shí)，二段翼快速向上平展，與一段翼再次處于同一平面內(nèi)，為下一周期的向下?lián)鋭?dòng)做好準(zhǔn)備，如圖2（14）所示。

由圖2可以看出，在鳥類的撲翼周期中最重要的時(shí)間階段便是向下?lián)鋭?dòng)階段，通常鳥下?lián)涠螘r(shí)間占整個(gè)周期的60%～80%，鳥類飛行所需的升力主要也是由該階段產(chǎn)生。而向上撲動(dòng)階段與向下?lián)鋭?dòng)階段相比，時(shí)間則是明顯縮短很多，因?yàn)橄蛏蠐鋭?dòng)階段只是為了能夠進(jìn)入下一周期而進(jìn)行的一個(gè)被動(dòng)復(fù)位的過(guò)程。因此，鳥類為了減少向上撲動(dòng)階段所受到的阻力，就縮短了向上撲動(dòng)階段的時(shí)間。

3 撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足的條件

1）在設(shè)計(jì)方向選擇上，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)該采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。雖然與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)類似的還有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)或者凸輪彈簧機(jī)構(gòu)，這三者都能夠通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化得到所需要的撲翼運(yùn)動(dòng)，但是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的摩擦損耗是這三個(gè)機(jī)構(gòu)中最小的，并且傳動(dòng)效率也是最高的。

2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是仿生撲翼飛行器組成機(jī)構(gòu)中最重的一部分，所以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)該關(guān)于中心軸線對(duì)稱，這樣才能保證重心處于中心線上，仿生撲翼飛行器在飛行過(guò)程中才能保持穩(wěn)定。

3）所設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中用到的桿件應(yīng)盡可能少，這樣可以極大地減輕仿生撲翼飛行器自身的重量。

4）該機(jī)構(gòu)需要能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)想的與鳥類相似的二段折翼式撲翼運(yùn)動(dòng)。下?lián)鋾r(shí)，飛鳥的主羽完全展開(kāi)，翼展和受力面積達(dá)到最大，從而升力也達(dá)到最大，提供了整個(gè)撲動(dòng)周期的大部分升力。上撲時(shí)，飛鳥翅膀前端關(guān)節(jié)彎曲、收攏，減小上撲的阻力。

5）研究得知，鳥類的撲翼運(yùn)動(dòng)向上撲動(dòng)時(shí)間比向下?lián)鋭?dòng)時(shí)間要短，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也需要擁有急回特性，實(shí)現(xiàn)向下?lián)鋭?dòng)時(shí)間比向上撲動(dòng)時(shí)間要短的目的。

連桿機(jī)構(gòu)原理圖? 初步設(shè)計(jì)出一種曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。其中，桿1為曲柄，桿2為連桿，桿3與桿4則是搖桿。桿1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)桿2做角度變換的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng);桿2在y軸上的位移帶動(dòng)桿3、桿4組合成的一段翼做上下?lián)鋭?dòng);并且桿2、桿3、桿4、桿5形成一個(gè)平行四邊形，桿2角度的變換帶動(dòng)桿3、桿4做周期性的平行交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，以此帶動(dòng)桿5與桿2做平行運(yùn)動(dòng)。同理，最后再由桿5帶動(dòng)二段翼?xiàng)U7進(jìn)行折疊撲動(dòng)。需要解釋的是，桿6、桿fe、桿de看似多余，沒(méi)有它們，也能完成折疊撲翼運(yùn)動(dòng)，但該處設(shè)計(jì)其實(shí)是利用四邊形的不穩(wěn)定性，防止桿5與桿7之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)卡制的現(xiàn)象。可以看出，該機(jī)構(gòu)初步實(shí)現(xiàn)了前文要求——曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、對(duì)稱、周期性折疊撲動(dòng)[7]。

4 三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真

三維建模? 依據(jù)已有重要零部件尺寸配合合理化布局設(shè)計(jì)，利用Pro/E設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模，得到初步模型，如圖4所示。對(duì)該模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，觀察發(fā)現(xiàn)存在一些問(wèn)題。

在1處的連桿，即圖3中的桿ef無(wú)意義，不起任何作用，與本設(shè)計(jì)輕巧簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)要求相違背。在1處構(gòu)成圖3中四邊形defg的四根連桿過(guò)于靈活，使二段翼即使在主齒輪不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下也可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的穩(wěn)定。

在2處，一段翼與二段翼在向上撲動(dòng)階段折疊現(xiàn)象不明顯，而在向下?lián)鋭?dòng)階段，一段翼與二段翼展平過(guò)度，甚至出現(xiàn)反向折疊現(xiàn)象。

在3處，即圖3中的bc桿距離稍短，導(dǎo)致一段翼兩連桿之間距離過(guò)近，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有發(fā)生干涉的危險(xiǎn)。

模型改良? 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn)，最終得到機(jī)構(gòu)最終的三維模型。如圖5所示，在設(shè)計(jì)上主要進(jìn)行了如下幾點(diǎn)改良：

1）去除圖4中1處的連桿，使機(jī)構(gòu)變得更為簡(jiǎn)潔;

2）二段翼長(zhǎng)度不變，但縮短了其分支支撐桿的長(zhǎng)度，使運(yùn)動(dòng)過(guò)程中折疊翼動(dòng)作幅度更明顯;

3）將圖3中bd與de桿合并成為一根桿，這樣在使四邊形degf仍然發(fā)揮防卡死作用的同時(shí)，機(jī)構(gòu)二段翼運(yùn)動(dòng)動(dòng)作更穩(wěn)定;

4）令圖3中的ac桿的bc段繞b點(diǎn)旋轉(zhuǎn)15°，在ac長(zhǎng)度不變的前提下增加bc長(zhǎng)度，同時(shí)增加dg長(zhǎng)度，不僅防止了一段翼兩平行桿bd、cg之間發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，ab、bc之間的角度也一定程度上增加了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中折疊翼動(dòng)作的幅度。

運(yùn)動(dòng)仿真? 對(duì)已經(jīng)建立好的機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，觀察其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。首先在白色主齒輪上加載一個(gè)電機(jī)，通過(guò)虛擬電機(jī)，為便于觀察與計(jì)算，使該機(jī)構(gòu)的撲動(dòng)頻率為1 Hz。

在觀察過(guò)后發(fā)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)運(yùn)行流暢，無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉發(fā)生，并且機(jī)構(gòu)能夠較好地成功模仿鳥類飛行動(dòng)作的四個(gè)階段，如圖6（a～d）所示。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，成功測(cè)量出圖3中關(guān)鍵點(diǎn)g點(diǎn)的速度、時(shí)間以及在y軸方向上的位移函數(shù)圖像，如圖7所示。從圖中可以看出，機(jī)構(gòu)模型向下?lián)鋭?dòng)用時(shí)為0.58秒，而向上撲動(dòng)時(shí)間為0.42秒，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)滿足當(dāng)初設(shè)計(jì)要求的具有急回特性，并且與鳥類在飛行過(guò)程中翅膀向下?lián)鋭?dòng)所用時(shí)間比向上撲動(dòng)所用時(shí)間要長(zhǎng)的飛行特征相符合。

5 結(jié)論

撲翼機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)源自仿生學(xué)原理，是一種模仿各類飛行生物的飛行動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行的新式飛行裝置。通過(guò)對(duì)鳥類翅膀結(jié)構(gòu)、飛行動(dòng)作、身體以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化分析，成功設(shè)計(jì)二段折翼式撲翼機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模改良。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，證實(shí)該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠成功模仿鳥類撲翼飛行動(dòng)作，與鳥類飛行特征相符合，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有可行性。■

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