微型撲翼飛行器撲翼機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李玉娟　鄭皓

【摘 要】撲翼機(jī)構(gòu)的目的就是把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動（包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和微位移運(yùn)動）轉(zhuǎn)換為機(jī)翼的撲打運(yùn)動，從而產(chǎn)生微型撲翼飛行器所需要的空氣動力。本文介紹基于運(yùn)動鏈再生變換原理的微型撲翼飛行撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵字】微型撲翼;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號： V221文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)原理

為了提高傳動性能、減少摩擦、便于制造，應(yīng)盡量避免機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)高副。在撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，如果桿件的連接均采用轉(zhuǎn)動副，連接撲翼的桿件的運(yùn)動難以達(dá)到無滯后，同步對稱撲動的要求，如Delfly Ι撲翼機(jī)構(gòu)，右撲翼?xiàng)U件的撲動相對于左撲翼?xiàng)U件的撲動存在滯后。解決撲翼機(jī)構(gòu)不對稱撲動的問題，可以將曲柄機(jī)構(gòu)替換為滑塊機(jī)構(gòu)，將連接左右撲動桿件的轉(zhuǎn)動副替換為移動副。存在滑塊機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)移動副的再生運(yùn)動鏈逆推，得到衍生機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖。

在以上所得的滿足撲翼機(jī)構(gòu)進(jìn)本設(shè)計(jì)條件的幾種機(jī)構(gòu)中，可根據(jù)設(shè)計(jì)者的需要，進(jìn)行分析比較，采用最適合的機(jī)構(gòu)再進(jìn)行綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了保證機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的簡單可靠，我們這里采用滑塊機(jī)構(gòu)移動副的再生運(yùn)動鏈，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于機(jī)構(gòu)擬采用微型直流電機(jī)驅(qū)動，其特性為轉(zhuǎn)速大，力矩小，因此撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還要具有降低轉(zhuǎn)速、增大力矩的功能?；诖祟愄匦?，滑塊機(jī)構(gòu)移動副的再生運(yùn)動鏈機(jī)構(gòu)中增加齒輪減速機(jī)構(gòu)。為了能夠在撲翼機(jī)構(gòu)中預(yù)留出齒輪減速機(jī)構(gòu)的位置，滑塊機(jī)構(gòu)的行程會相應(yīng)地縮小，為了保證撲翼?xiàng)U件撲動的角度，在2、6撲翼?xiàng)U件上增加四桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有利于提高輸出力矩。然后，將2、6撲翼?xiàng)U件上的移動副前移，并在3、5桿件的復(fù)合鉸鏈位置處形成復(fù)合運(yùn)動副。

2 機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的單邊撲翼運(yùn)動簡圖如圖1所示。

其桿件的長度和相應(yīng)的位置關(guān)系在圖中用相應(yīng)的代號表示。運(yùn)動簡圖中，可以把設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)看作由滑塊機(jī)構(gòu)和四桿機(jī)構(gòu)通過移動副連接組成。在對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)研究時(shí)，可以將其分為兩個(gè)階段。第一階段的運(yùn)動學(xué)方程為：

為了使撲翼機(jī)構(gòu)得到120°的撲翼角度，以及使上下?lián)鋭映蕦ΨQ的形態(tài)，基于（1）至（5），可以優(yōu)化得到最終的各桿件長度以及相應(yīng)的位置參數(shù)，其參數(shù)如表1所示。

翅膀連接在撲翼?xiàng)U件L6上，撲翼?xiàng)U件繞固定鉸鏈以120°的角度帶動翅膀旋轉(zhuǎn)形成撲翼動作。根（下轉(zhuǎn)第65頁）（上接第26頁）據(jù)撲翼機(jī)構(gòu)的集合參數(shù)，在SolidWorks軟件中進(jìn)行幾何建模，建模結(jié)果如圖2（a）所示。

齒輪減速機(jī)構(gòu)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(shù)3D打印，3D打印材料為光敏樹脂，其實(shí)體模型如圖2（b）所示。

3 小結(jié)

根據(jù)撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求及條件對再生運(yùn)動連進(jìn)行篩選、優(yōu)化，最后還原出撲翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，基于一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一款單對翼撲翼飛行器撲翼機(jī)構(gòu)，并對其運(yùn)動學(xué)進(jìn)行計(jì)算。