基于齒輪齒條傳動(dòng)的撲翼無(wú)人機(jī)

郝康博

摘 要：撲翼無(wú)人機(jī)通過(guò)模擬鳥(niǎo)類及昆蟲(chóng)翅膀拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)獲得前進(jìn)的空氣動(dòng)力，而撲翼拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)形式。目前，國(guó)內(nèi)外撲翼無(wú)人機(jī)多采用曲柄連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，但左右拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)存在一定的相位差，同時(shí)伴隨有上下拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱的設(shè)計(jì)缺陷，影響飛行器的氣動(dòng)效率和機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。提出一種基于齒輪齒條傳動(dòng)的撲翼無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使撲翼拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)獲得了較好的對(duì)稱性和穩(wěn)定性，并通過(guò)原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直起降和懸停飛行。撲翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)方案，可為設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的撲翼無(wú)人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：撲翼;無(wú)人機(jī);齒輪齒條傳動(dòng)

中圖分類號(hào)：V43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）09-0086-02

1 研究背景及意義

撲翼無(wú)人機(jī)仿照自然界鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)的飛行原理，通過(guò)撲翼的往復(fù)振翅獲得前進(jìn)的推力和升力，與固定翼類和旋翼類無(wú)人機(jī)相比，在狹小空域內(nèi)的低速飛行條件下具有更高的氣動(dòng)效率和機(jī)動(dòng)性能。

國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)在撲翼無(wú)人機(jī)研究方面獲得一些進(jìn)展，典型的代表有，荷蘭代爾夫特大學(xué)的“Delfly”系列攜尾式撲翼機(jī)[1]，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局研制的仿蜂鳥(niǎo)無(wú)人機(jī)[2]以及德國(guó)Festo公司研制的SmartBird撲翼無(wú)人機(jī)[3]等，都很好地模仿了鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)。而我國(guó)在撲翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究起步較晚，多為仿鳥(niǎo)類的撲翼機(jī)，尺寸較大，機(jī)動(dòng)性較差，大多采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，尚無(wú)可實(shí)現(xiàn)懸停飛行的撲翼無(wú)人機(jī)。仿昆蟲(chóng)類撲翼無(wú)人機(jī)的撲動(dòng)頻率高，翼面積小，制造難度高，主要體現(xiàn)在對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度要求和運(yùn)動(dòng)性能上。

探索撲翼無(wú)人機(jī)新型的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，提出一種基于齒輪齒條傳動(dòng)的撲翼無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案，為研制先進(jìn)的可懸停仿昆蟲(chóng)撲翼無(wú)人機(jī)提供設(shè)計(jì)參考及技術(shù)儲(chǔ)備。

2 撲翼無(wú)人機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

設(shè)計(jì)一種模仿昆蟲(chóng)翅翼拍動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)懸停飛行的撲翼無(wú)人機(jī)，總體方案包括傳動(dòng)系統(tǒng)、升力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部分，總體方案的主要參數(shù)如表1所示。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

撲翼無(wú)人機(jī)的翅翼拍動(dòng)幅度設(shè)計(jì)為120°，采用齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)原理如圖1所示?？紤]用于驅(qū)動(dòng)齒條直線運(yùn)動(dòng)的齒輪（模數(shù)0.5，齒數(shù)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(shù)為0.5的漸開(kāi)齒設(shè)計(jì)齒條和齒輪拍動(dòng)桿，齒條的行程范圍設(shè)計(jì)為5.5mm，可滿足120°拍動(dòng)幅度設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)相同拍動(dòng)幅值、相同拍動(dòng)頻率的單曲柄連桿機(jī)構(gòu)和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得其左右翼拍動(dòng)桿角速度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。單曲柄連桿機(jī)構(gòu)的左右翼運(yùn)動(dòng)存在較大的相位差，而齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)左右翼的拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)完全對(duì)稱，有利于提高撲翼氣動(dòng)性能和機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維建模

考慮各結(jié)構(gòu)部件的位置和裝配關(guān)系，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，盡可能減輕驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整結(jié)構(gòu)重量。采用上下分層的結(jié)構(gòu)形式，將齒輪齒條與減速齒輪組進(jìn)行分離，縮短驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸向長(zhǎng)度，減小結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)達(dá)到載荷分離的目的，有效提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維構(gòu)型如圖3所示。

2.4 仿生撲翼制作

影響撲翼氣動(dòng)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(guó)建國(guó)大學(xué)Hoang Vu Phan等人的設(shè)計(jì)方案，采用“翅脈+薄膜”結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方案可同時(shí)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(jī)組裝

撲翼無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件均采用3D打印技術(shù)加工，采用高強(qiáng)度的光敏樹(shù)脂材料，可獲得質(zhì)量輕、耐沖擊的結(jié)構(gòu)部件。齒輪采用標(biāo)準(zhǔn)的工程塑料齒輪，各部件間采用鋁質(zhì)鉚釘進(jìn)行連接，選用額定電壓3.7V的空心杯電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，選用微型鋰電池提供電力，可滿足續(xù)航能力要求，裝配獲得的撲翼無(wú)人機(jī)原理樣機(jī)如圖4所示。

3 飛行測(cè)試

將樣機(jī)穿過(guò)鋼絲繩，引導(dǎo)其在豎直方向起飛。通過(guò)外部直流電源適配器給電機(jī)供電，飛行測(cè)試結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中翅翼拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)部件未發(fā)生損毀，原理樣機(jī)可產(chǎn)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(jiàn)，基于齒輪齒條傳動(dòng)的撲翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方案具有對(duì)稱平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)特性，且可產(chǎn)生足夠的氣動(dòng)力，該結(jié)構(gòu)形式未來(lái)可用于研制性能更穩(wěn)定高效的撲翼無(wú)人機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于齒輪齒條傳動(dòng)提出了一種撲翼無(wú)人機(jī)總體設(shè)方案，并通過(guò)原理樣機(jī)組裝飛行測(cè)試表明方案可行性。計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于齒輪齒條傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相較單曲柄連桿具有更高的運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用該結(jié)構(gòu)形式的撲翼無(wú)人機(jī)具有較穩(wěn)定的氣動(dòng)性能。

5 撲翼無(wú)人機(jī)未來(lái)展望

目前，鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)的飛行行為及其力學(xué)機(jī)理已研究得比較透徹，撲翼無(wú)人機(jī)的研制難點(diǎn)在于升力機(jī)制、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、控制機(jī)制在微型化集成設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)上，主要受限于微電子制造技術(shù)、仿生材料及微加工工藝等的發(fā)展。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)交叉性學(xué)科的建設(shè)，將相關(guān)技術(shù)與仿生機(jī)理進(jìn)行有機(jī)融合，快速推進(jìn)實(shí)用型撲翼無(wú)人機(jī)的研制進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

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