微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

徐兵陳強(qiáng)王偉

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

徐兵陳強(qiáng)王偉

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

文章提出了一種新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，模仿昆蟲的撲翼運(yùn)動(dòng)。用Solidworks進(jìn)行參數(shù)化建模，并導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。機(jī)翼在撲動(dòng)過程中的撲動(dòng)角度、角速度和角加速度隨時(shí)間成正弦變化，具有較好的對(duì)稱性，為后續(xù)撲翼機(jī)的制作提供有力參考。

撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；Solidworks；ADAMS；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

1 前言

撲翼飛行器是一種模仿自然界飛行類生物（如鳥、昆蟲等）依靠撲動(dòng)機(jī)翼產(chǎn)生飛行動(dòng)力的飛行機(jī)器人。撲翼飛行器以其良好的機(jī)動(dòng)性、低噪音、低成本等功能，在國內(nèi)外受到廣泛的關(guān)注，無論是軍事還是民用領(lǐng)域都將有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)手段的不斷完善、流場(chǎng)顯示技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值仿真方法的應(yīng)用，研究者對(duì)撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來越多元化。美國喬治亞理工大學(xué)研制的微型飛行器Entomopter[3]，它有兩對(duì)機(jī)翼，使用往復(fù)式化學(xué)肌肉驅(qū)動(dòng)。美國加州大學(xué)伯克利分校研制的微機(jī)械飛蟲MFI[4]，采用壓電石英驅(qū)動(dòng)撲翼上下運(yùn)動(dòng)。德國的FESTO公司研制出一款尺寸較大的撲翼飛行器Smartbird[5]，采用的是折疊翼撲動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)平行連桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)翼尖有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空中飛行運(yùn)動(dòng)。目前，國內(nèi)研究者設(shè)計(jì)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)，它結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可實(shí)現(xiàn)微型化，但是其本身為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在撲動(dòng)過程兩側(cè)機(jī)翼存在撲翼角度相位差，會(huì)出現(xiàn)栽落現(xiàn)象，影響飛行穩(wěn)定性和安全性[6]。

中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院的楊永剛[7]等人采用雙曲柄雙搖桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并對(duì)其最小傳動(dòng)角最大進(jìn)行優(yōu)化分析。周曉磊[8]，陳世杰[9]，阮龍歡[10]等人設(shè)計(jì)復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)翼翅的∞字型運(yùn)動(dòng)。這些機(jī)構(gòu)都是空間四桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的演變，具有良好的機(jī)構(gòu)對(duì)稱性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于微型化。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks對(duì)其進(jìn)行建模，并對(duì)機(jī)翼運(yùn)動(dòng)過程中的撲動(dòng)角，撲動(dòng)角速度和角加速度進(jìn)行了分析，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，撲動(dòng)角度具有較高的對(duì)稱性，傳動(dòng)效果明顯，為撲翼飛行器的開發(fā)提供一定的參考。

2 微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和三維建模

2.1 微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在已有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，模仿昆蟲翅膀的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)昆蟲翅膀的撲動(dòng)特征抽象簡化，設(shè)計(jì)出符合要求的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

通過對(duì)昆蟲飛行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，昆蟲翅膀在撲動(dòng)過程中是對(duì)稱的，可將昆蟲復(fù)雜的撲翼運(yùn)動(dòng)簡化為上下?lián)鋭?dòng)，撲動(dòng)角為φ，由非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)理論及驗(yàn)證撲翼機(jī)的實(shí)驗(yàn)[7]可知，升力隨著φ范圍的增大而增大。為保證仿生撲翼機(jī)飛行的穩(wěn)定性，理想的撲翼機(jī)構(gòu)要左右對(duì)稱，左右載翅桿對(duì)稱且同步撲動(dòng)，而且撲翼機(jī)構(gòu)運(yùn)行要高效可靠，在滿足撲動(dòng)要求的條件下，盡可能減少桿件數(shù)目，減輕質(zhì)量，結(jié)構(gòu)緊湊。

2.2 撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維建模

本文設(shè)計(jì)了一種微型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要是由凸輪—齒條框架機(jī)構(gòu)組成，將盤形凸輪與矩形齒條框架相組合，電機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成齒條框架的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)嚙合的齒輪完成有限角度的擺動(dòng)，而機(jī)翼和齒輪為一體，表現(xiàn)為機(jī)翼的撲翼運(yùn)動(dòng)。如圖1所示。

圖1 微型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，通過合理的輪廓曲線設(shè)計(jì)即可有效避免剛性和柔性沖擊，在各種工程機(jī)械和自動(dòng)化儀器中都有廣泛的使用。該撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇凸輪機(jī)構(gòu)可以有效保證機(jī)翼撲動(dòng)的對(duì)稱性，提升撲翼機(jī)飛行的效果。利用Solidworks對(duì)撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，然后進(jìn)行虛擬裝配，通過運(yùn)動(dòng)仿真初步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式。

3 各機(jī)構(gòu)尺寸關(guān)系分析

首先，分析機(jī)翼撲動(dòng)角度φ與凸輪基圓半徑r0和最大直徑d1的關(guān)系。

設(shè)凸輪繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω1，齒輪的角速度為ω2，齒輪旋轉(zhuǎn)的周數(shù)設(shè)為X，凸輪的最大頂程為S，齒條的行程設(shè)為L。

圖2 撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中幾何關(guān)系圖

由圖2中的幾何關(guān)系可建立如下運(yùn)動(dòng)方程：

其中：

齒輪的直徑 d2＝ πmz1； （3）

由公式（6）可以看出，為增大撲動(dòng)角φ，可以通過增大凸輪的最大直徑或減小凸輪基圓半徑；選用合適的模數(shù)和齒數(shù)也是非常重要的。

由式（1）（6）可以解得：

可以看出，機(jī)翼的角速度與凸輪角速度的關(guān)系，通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及凸輪的尺寸大小可以改變機(jī)翼的角速度，從而改變機(jī)翼的撲動(dòng)頻率。

由于平底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪輪廓線與平底接觸處的公法線垂直于平底，故壓力角等于零，所以傳動(dòng)角最大，傳動(dòng)效果最佳。

根據(jù)此機(jī)構(gòu)各部分間的幾何尺寸關(guān)系可得約束條件：

4 撲翼機(jī)構(gòu)的構(gòu)筑

4.1 撲翼機(jī)構(gòu)參數(shù)

取齒條框架的高h(yuǎn)=39 mm，寬度d=58 mm，齒條長度為35 mm，凸輪的基圓半徑r0=10 mm，d1=39 mm，機(jī)翼齒輪的模數(shù) m=1.5，z1取 18，齒條的行程s取19 mm，由公式（6）可以計(jì)算得出機(jī)翼的撲動(dòng)角度為80.7°。

仿真模型的建立有助于對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和改進(jìn)。如圖3所示。

根據(jù)相似理論，忽略掉構(gòu)件的細(xì)節(jié)部分，只保證構(gòu)件的幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積同實(shí)際構(gòu)件相同。在模型豎直方向上施加重力，然后給予凸輪以勻角速度運(yùn)動(dòng)，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.3 仿真結(jié)果與分析

4.3.1 機(jī)翼撲動(dòng)角度分析

圖3 ADAMS仿真模型

圖4 機(jī)翼撲動(dòng)角度曲線圖

圖4是機(jī)翼在一段周期內(nèi)的撲動(dòng)角度的曲線圖。由曲線可以看出機(jī)翼的撲動(dòng)角度φ的范圍在80度左右，此數(shù)值與由公式計(jì)算得出的結(jié)果基本吻合。并且可以看出機(jī)翼上下?lián)鋭?dòng)的角度隨時(shí)間成正弦曲線變化，保證了飛行時(shí)的穩(wěn)定性。

4.3.2 機(jī)翼撲動(dòng)角速度分析

圖5 機(jī)翼撲動(dòng)角速度曲線圖

圖5是機(jī)翼在一段周期內(nèi)的撲動(dòng)角速度的曲線圖。從圖中可以看出，機(jī)翼上下?lián)鋭?dòng)的角速度比較穩(wěn)定，可以給微型撲翼機(jī)提供穩(wěn)定的升力，提高了飛行的穩(wěn)定性。

4.3.3 機(jī)翼撲動(dòng)角加速度分析圖

表3和表4顯示了焚燒爐飛灰和底渣中所含的主要重金屬組分和其滲出特性數(shù)據(jù)，其中MSW熱解碳、直接焚燒底灰、耦合焚燒底渣均為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，使用同一批次的生活垃圾的制樣；“耦合焚燒底渣（運(yùn)行）”采樣于規(guī)模15 t/d、24 h運(yùn)行的焚燒爐。

圖6 機(jī)翼撲動(dòng)角加速度曲線圖

圖6是機(jī)翼在一段周期內(nèi)的撲動(dòng)角加速度的曲線圖。從圖中可以看出角加速度總體比較穩(wěn)定，在撲動(dòng)過程中有輕微的振蕩，屬于正?，F(xiàn)象，可以繼續(xù)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高加速度的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

文章基于生物仿生學(xué)的原理設(shè)計(jì)了一種新型的微型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，解決了單曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在撲動(dòng)過程中的兩側(cè)機(jī)翼撲動(dòng)角度的不對(duì)稱性問題。采用Soliworks進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。該設(shè)計(jì)的撲動(dòng)角度和仿真撲動(dòng)角度都在80°左右，對(duì)其角速度和角加速度加以分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)曲線基本呈正弦曲線變化，具有良好的對(duì)稱性。該新型微型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，能夠?yàn)楹笃趽湟頇C(jī)的制作提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]MCMICHEAL J M，F(xiàn)RANCIS M S.Micro air vehicles-toward a new dimension in flight[R].US DARPA/TTOReport，1997.

[2]肖永利，張琛.微型飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].宇航學(xué)報(bào)，2001，（5）:26-32.

[3]COLOZZA A.Planetary exploration using biomimetics:an entomopter for flight on Mars[C].NIAC Fellows Conference.NASA Ames Research Center，2001，（6）:24-25.

[4]FEARING R S，CHIANG K H，Dickinson M H，et al.Wing transmission for a micromechanical flying insect[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA 2000，April 24-28，2000，San Francisco，CA，USA，DBLP，2001:1509-1516.

[5]Festo Corporate-Smart Bird[EB/OL].[2010-12-15].http://www.festo.com/cms/en_corp/11369.html.

[6]熊超.微型撲翼飛行器尾翼的分析與設(shè)計(jì)方法研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[7]楊永剛，蘇漢平.撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械傳動(dòng)，2017，（1）:122-126.

[8]周曉磊.仿生撲翼飛行器的氣動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究[D].上海:上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[9]陳世杰.撲翼式飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué)，2015.

[10]阮龍歡.仿生撲翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[D].武漢:武漢科技大學(xué)，2016.

THE DESIGN AND KINEMATICS ANALYSIS OF THE MICRO FLAPPING ACTUATOR

XU BingCHEN QiangWANG Wei
（Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

This paper proposes a new flapping actuator to simulate the flapping-wing movement of insects.The Solidworks is adopted to build the parametric model and ADAMS to simulate the kinematics of flapping.It is found that the flapping angle,angular velocity and angular acceleration of the wing are sinusoidal variable with time and with good symmetry,which provides a powerful reference for the building of subsequent flapping machines.

Flapping actuator； Solidworks； ADAMS； Kinematics simulation

V276

A

：1672-2868（2017）03-0099-05

責(zé)任編輯：陳小舉

2016-03-09

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2015A281）；巢湖學(xué)院校級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XLZ-201506）

徐兵（1990-），男，安徽舒城人。巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，助教。研究方向：驅(qū)動(dòng)器、撲翼機(jī)器人。