微型撲翼飛行器傳動機構(gòu)的研究

高 杰（北京茵普蘭科技發(fā)展有限公司，北京　102299）

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微型撲翼飛行器傳動機構(gòu)的研究

高 杰
（北京茵普蘭科技發(fā)展有限公司，北京102299）

摘要：本文通過對雙曲柄機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、二段式傳動機構(gòu)的優(yōu)缺點的比較，對微型撲翼飛行器的研究起到推動作用，要做到輕巧、緊湊、效率高，所以傳動系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展一直是當今微型撲翼飛行器的熱點課題。

關鍵詞：微型撲翼飛行器；傳動機構(gòu)；特點；進程；展望

1 微型撲翼飛行器傳動機構(gòu)的特點

仿生學研究表明，動物飛行能力和技巧的多樣性多半來源于它們翅膀的多樣性和微妙復雜的翅膀運動模式。要想做到像鳥類的復雜運動模式，或者象昆蟲類高頻振翅撲動，都是相當困難的，撲翼飛行的特點就是利用動力的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成撲翼的上下?lián)鋭?，產(chǎn)生升力和推力，由于微型撲翼飛行器將懸停、轉(zhuǎn)向和推進性能的來源都集中到撲翼傳動機構(gòu)上，因此就要有高效、節(jié)能的傳動系統(tǒng)與之相適應。微型撲翼飛行器傳動機構(gòu)通常包括：機架、動力輸入、連桿件、轉(zhuǎn)軸、左右撲翼桿五部分。機架為飛行器支撐機構(gòu)，動力輸入指動力源即電機，連桿件除機架及撲翼桿之外的桿件。動力源輸入動力，旋轉(zhuǎn)運動，通過曲柄連桿機構(gòu)，變成撲翼桿上下?lián)鋭拥耐鶑椭本€運動。整體結(jié)構(gòu)要求緊湊、輕巧、節(jié)能并能高效地實現(xiàn)象鳥類翅膀的多樣復合運動。

動物翅膀復雜的多樣運動決定了它們具有較高的升力機制，并能靈活地控制飛行姿態(tài)，如果要靠單純的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)這些功能，是相當困難的。目前我們能做到的單純地模仿鳥類上下?lián)鋭?，主要分為兩類，一類是僅僅產(chǎn)生上、下?lián)鋭拥臋C構(gòu)，即平面撲翼驅(qū)動機構(gòu)，翅膀的扭轉(zhuǎn)的力學性能靠扇面的柔性去解決；另一類是能像動物翅膀在撲動時，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、折疊動作以減小阻力和應用非定常機理的機構(gòu)，即空間撲翼機構(gòu)。由于高頻撲動的空間撲翼機構(gòu)的實現(xiàn)具有很大的難度，至今只有Dickinson就空間撲翼模型及其動力特性作了詳細研究。本文將就平面撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設計進行探討。

2 微型撲翼飛行器傳動機構(gòu)的進程

縱觀撲翼飛行器的發(fā)展，微型撲翼飛行器傳動機構(gòu)主要有雙曲柄傳動、曲柄滑塊機構(gòu)。雙曲柄機構(gòu)由一個電機帶動兩個齒輪，每個齒輪上裝有偏心桿，即曲柄，再通過連桿機構(gòu)，一個曲柄帶動一個撲翼；曲柄滑塊機構(gòu)由電機帶動曲柄曲柄連接滑塊，滑塊在滑軌上下運動，雙撲翼安裝在滑塊的兩側(cè)，這樣滑塊的上下運動就轉(zhuǎn)化成撲翼的上下?lián)鋭?。這兩種機構(gòu)都只能模仿鳥類單純的上下?lián)鋭?，不能滿足鳥翼的多功能復雜運動模式，因此在翅膀選材上就要選擇合適的柔性材料，靠材料本身的扭轉(zhuǎn)提供撲翼前進所需的動力。

由美國佐治亞理工學院的工程師Michelson等研制的Entomopter微型撲翼飛行器，該機翼有前后兩對，它的運動方式上下扇動，由一種往復式化學肌肉RCM （ReciprocatingChemicalMuscle）來驅(qū)動，采用特殊結(jié)構(gòu)和材料制成。這種往復式化學肌肉能夠?qū)⒒瘜W能轉(zhuǎn)化為動能，而且不需要燃燒，因此它能量轉(zhuǎn)換效率較高，但對技術方面要求嚴格、費用較高。在未來火星探測時，研究者期望它能夠發(fā)揮重要作用。

國內(nèi)對微型撲翼飛行器的研究近幾年已逐漸成為熱點，部分高等院校和科研機構(gòu)已經(jīng)開展了這方面的研究工作，由于一些相關技術與國外存在較大差距，目前的研究還處于仿制和起步階段。計算機模擬運動軌跡進行仿真分析，“8”字軌跡運動，根據(jù)撲翼機構(gòu)的運動特點，該機構(gòu)以兩連桿相連接的鉸鏈點C為研究對象，能夠?qū)崿F(xiàn)比較理想的“8”字軌跡，通過改變連桿長度，“8”字軌跡變“水滴”軌跡，撲翼“8”字軌跡的運動能否產(chǎn)生空氣動力，還有待于實物驗證，單純從機構(gòu)的運動上來，能夠?qū)崿F(xiàn)鳥翼的運動軌跡。

縱觀國內(nèi)外仿生撲翼飛行器的研制，翅膀拍動實現(xiàn)方式有：電磁驅(qū)動，靜電驅(qū)動。例如：上海交大的蔡弘等、日本東北大學ShimasakiK和他的研究小組均對微撲飛行器系統(tǒng)均提出采用電磁驅(qū)動實現(xiàn)翅膀拍動，把驅(qū)動系統(tǒng)和運動系統(tǒng)；融為一體，通過電磁力驅(qū)動聚酰亞胺翅膀的微型撲翼機。日本東京大學ShimoyamaI還研制了把運動系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)做成一體、以電容為動力源的靜電驅(qū)動微型飛行器。

仿鳥折疊翼的機構(gòu)設計，中大型鳥類在飛行時通過調(diào)整鳥翼的折疊程度來實現(xiàn)的，例如在下?lián)鋾r翅膀逐漸伸展開至完全展開來提高升力，上撲時盡量折疊和并攏，為了減少上撲的阻力，從而提高翅膀的撲動效率，節(jié)省能量。

Festo的科學家研制出的一款既能夠模擬鳥類飛行也能夠極逼真地撲動翅膀的機器鳥，即smartbird。這是一項富有革命性的設計，能夠自動起飛、飛行和降落。智能鳥通過無線電控制，也可自主飛行。它的重量只有450g，通過擺尾和搖頭改變飛行方向。此“聰明鳥”的設計思想來源于海鷗，體內(nèi)裝有兩個齒輪，通過齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動翅膀上下拍動。這兩個齒輪相當于偏心輪，與牽引桿相連，通過轉(zhuǎn)動為拍打翅膀提供上下?lián)鋭拥膭恿υ?。撲翼的組成結(jié)構(gòu)有：前后支架，翅膀主骨，翅膀副骨，翅膀外翼主骨，翅膀骨架固定軸，動力齒輪，翅膀付軸，聯(lián)動板，三合一連桿，支架，前緣，后緣，筋。撲翼的運動不僅有上下?lián)鋭?，弦向也有扭轉(zhuǎn)運動，

3 微型撲翼飛行器傳動機構(gòu)的展望

總之，鳥類或者昆類都是經(jīng)過上億年進化的產(chǎn)物，這類研究雖然也取得了很大進展，但把撲翅運動看成是完全的意識控制，將仿生飛行系統(tǒng)看成是具有多自由度的運動系統(tǒng)和復雜完善的控制系統(tǒng)，目前的材料和技術是前進的主要障礙。昆翅的撲動是靠高頻振動的柔性翼來產(chǎn)生推力和升力的，而且大多數(shù)昆蟲都有懸停的能力，它們在懸停時身體與平面成30～60度角，拍翅與地平面成平行狀態(tài)，基于這一點，未來的微型撲翼飛行器傳動方式必須要采用直接驅(qū)動方式，不需要運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，可能會由壓電驅(qū)動、電致伸縮器、人造筋驅(qū)動。這樣能夠提高能量的利用率，降低損耗，傳動機構(gòu)越復雜，重量越大，能耗越大，機動性越差，直接控制撲翼運動的機構(gòu)能夠解決微撲翼的高頻振動，同時與控制系統(tǒng)相結(jié)合，從而實現(xiàn)撲翼有規(guī)律的運動，并能提高它的機動性。

結(jié)語

本文的研究僅對微撲結(jié)構(gòu)進行了分析，將來的研究還有待于結(jié)合最先進的制造技術水平，采用最新型的材料，輔以精密的測量儀器，進行高精度的測試和研究。

參考文獻

[1]徐一春，宗光華，畢樹生，等.空間曲柄搖桿撲翼機構(gòu)設計分析[J].航空動力學報，2009，24（01）：204-208.

[2]賈明，畢樹生，宗光華，等.仿生撲翼機構(gòu)的設計與運動學分析[J].北京航空航天大學學報，2006（09）.

中圖分類號：V211

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