多自由度仿生撲翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王 超,屈方杰,黃恒敬,仲 軍

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南京 213000)

0 引言

在飛行機(jī)器人領(lǐng)域,仿生飛行機(jī)器人擁有相較于普遍的四軸飛行器更加美觀的外形,并且能模擬鳥(niǎo)類(lèi)飛行時(shí)的啟動(dòng)、懸停和降落時(shí)的動(dòng)作。這類(lèi)仿生飛行器因?yàn)橥庥^與鳥(niǎo)類(lèi)相似,能更好地在軍事、反恐及娛樂(lè)等眾多領(lǐng)域,發(fā)揮偵察、巡邏與教育等積極作用。

早在1973年,Weis-Fogh[1]就針對(duì)黃蜂的飛行特性,提出了撲翼飛行的概念,并詳細(xì)地分析計(jì)算了撲翼產(chǎn)生的升力,為飛行領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了新的學(xué)科分支。

2015年，Yang等[2]在仿生撲翼飛行器原理的設(shè)計(jì)與研究中,對(duì)撲翼機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)步驟做了詳細(xì)的介紹。在設(shè)計(jì)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的主體時(shí),采用了被普遍使用的撲翼機(jī)構(gòu),并且在該機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上加了一個(gè)用于模擬鳥(niǎo)類(lèi)內(nèi)外部肌肉交替收縮的平行機(jī)構(gòu),并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行UG建模、ADAMS和Fluent的仿真分析,最后對(duì)機(jī)翼和尾部形狀進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。

2015年，潘爾振[3]結(jié)合海鷗的功能和性能指標(biāo),通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和樣機(jī)選型等過(guò)程,設(shè)計(jì)出具有一個(gè)自由度的撲翼機(jī)器人,并開(kāi)發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)構(gòu)合理性等性能指標(biāo),最后基于數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2016年，阮龍歡[4]對(duì)撲翼飛行機(jī)器人的應(yīng)用背景和技術(shù)做了深入的分析和研究,并設(shè)計(jì)一種類(lèi)似蜂鳥(niǎo)撲動(dòng)的撲動(dòng)-扭轉(zhuǎn)兩自由度耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),在ADAMS軟件中建立了基于該機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī),并分析了虛擬樣機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)特性。

在仿生撲翼飛行器的研究上,國(guó)外的研究起步早,技術(shù)暫時(shí)還領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。隨著國(guó)內(nèi)各大高校、實(shí)驗(yàn)室以及飛行器愛(ài)好者對(duì)于撲翼飛行的關(guān)注,已經(jīng)有不少學(xué)者取得不錯(cuò)的成績(jī)，但研制成功的飛行器大多數(shù)還是單自由度,無(wú)法達(dá)到真正模仿鳥(niǎo)類(lèi)飛行和大范圍普及推廣的程度,距離世界領(lǐng)先技術(shù)還有不少的差距。歸根結(jié)底是因?yàn)榉律w行機(jī)器人相較于市面上的普通飛行器,存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、控制復(fù)雜的問(wèn)題,并且現(xiàn)有的研究仿生程度不高,運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域?qū)τ趽湟斫Y(jié)構(gòu)的建模分析還有待深入探討和研究,智能控制系統(tǒng)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善[5-10]。大型撲翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)研究對(duì)于開(kāi)發(fā)多自由度仿生撲翼飛行器在理論和實(shí)際應(yīng)用上都具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值[11-14]。

本文旨在對(duì)大型的撲翼飛行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。由于多自由度仿生撲翼飛行器在飛行時(shí)的頻率較低,所以在每次撲動(dòng)時(shí)要求的升力和推動(dòng)力比螺旋式飛行器大,因此,精妙的撲翼傳動(dòng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。在理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,還需要對(duì)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)構(gòu)件計(jì)算分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算分析、建模仿真等,以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 海鷗飛行方式與運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

翅膀是海鷗能夠飛行的主要身體部分,輕質(zhì)且堅(jiān)韌的羽毛和骨骼在撲動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生飛行所需要的升力。海鷗的羽毛大致分為覆羽和飛羽兩類(lèi)，如圖1所示。覆羽排列密且短,飛羽排列稀疏但長(zhǎng)。海鷗的飛行主要由起飛階段、巡航階段、轉(zhuǎn)向、降落階段組成。

海鷗在巡航過(guò)程中,翅部有4個(gè)基本的撲動(dòng)動(dòng)作：下行程、折疊過(guò)程、上行程、伸展階段。這4個(gè)動(dòng)作可以大致看做一個(gè)完整的拍打過(guò)程。翅膀在下行程前的伸展階段需要盡可能大地展開(kāi),這樣翼展和升力面積才能達(dá)到最大值,并在下行程階段產(chǎn)生所需的大部分升力。上行階段是被動(dòng)回復(fù)的過(guò)程,并且行程需要的時(shí)間很短。在這個(gè)階段之前,翅膀折疊,目的是縮短翼展和減少阻力。在上行程中,空氣阻力會(huì)急劇增大。如果鳥(niǎo)類(lèi)能在這個(gè)時(shí)候折疊翅膀,可以減少有效的作用風(fēng)區(qū),從而大大減少空氣阻力[15]。

圖1 鳥(niǎo)類(lèi)翅膀示意圖Fig.1 Schematic diagram of bird wings

海鷗一類(lèi)的大型鳥(niǎo)類(lèi)主要撲動(dòng)飛行的頻率比較低。在巡航過(guò)程中,因?yàn)橐碚勾笮Q定了撲動(dòng)頻率,海鷗的撲動(dòng)頻率大約為5Hz,最低的時(shí)候只有1Hz～2Hz[16]。

根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn),在海鷗的一個(gè)拍打過(guò)程中,不僅翅部上下?lián)鋭?dòng),而且根據(jù)上下形成的空氣阻力不同,翅膀還會(huì)有小幅度的接近線性扭轉(zhuǎn),翅尖部分扭轉(zhuǎn)幅度最大,越靠近身體方向扭轉(zhuǎn)幅度越低。

海鷗在巡航飛行過(guò)程時(shí),一對(duì)翅膀的運(yùn)動(dòng)是完全左右對(duì)稱(chēng)的,這樣的運(yùn)動(dòng)有利于海鷗在大型的風(fēng)浪面前保持身體的平衡和對(duì)抗氣流飛行,例如Festo公司研制的一款Smartbird[17]仿生海鷗機(jī)器人,其運(yùn)動(dòng)典型動(dòng)作如圖2所示。

圖2 Festo公司Smartbird仿生海鷗Fig.2 Festo’s Smartbird bionic seagull

1.2 仿海鷗撲翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的要求是需要滿足仿海鷗飛行特點(diǎn)和產(chǎn)生足夠的升力維持飛行，以及在外形上與海鷗相似。使用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),生成三維模型可以更加直觀地修改和完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 傳動(dòng)部件局部圖Fig.3 Partial view of transmission components

圖4 前支骨架零件圖Fig.4 Front support skeleton parts

圖5 螺栓連接剖視圖Fig.5 Sectional view of bolted connections

圖6 最終裝配效果和海鷗對(duì)比圖Fig.6 Comparison of final assembly effect and seagull

1.2.2 撲翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翅膀翼型骨架的設(shè)計(jì)上,參考美國(guó)NACA系列翼形,選擇了具有較好氣動(dòng)特性的弧形機(jī)翼,再根據(jù)前文所確定的翼展投影面積,設(shè)計(jì)出的翅膀翼型骨架如圖7所示。鏤空的設(shè)計(jì)既保證飛行時(shí)所需要維持形狀的強(qiáng)度,也減輕了零件的質(zhì)量,同時(shí)根據(jù)仿生學(xué)和流體力學(xué)的研究成果,一邊翅膀有8個(gè)翼型骨架,從機(jī)身向外到最后一個(gè)翼型骨架,每個(gè)骨架的形狀和尺寸都略有差異,翼型骨架的前沿的小孔和后沿都將與鋼絲串接在一起,這樣在末端翼型骨架被施加扭力時(shí),其他骨架也會(huì)隨之扭動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)模擬了海鷗在不同空氣阻力時(shí),翅膀會(huì)有小幅度的接近線性扭轉(zhuǎn),翅尖部分扭轉(zhuǎn)幅度最大,向身體方向扭轉(zhuǎn)幅度遞減。

圖7 翅膀翼型骨架Fig.7 Skeleton of wing airfoil

機(jī)尾部還加裝了微型舵機(jī)和控制器用于飛行過(guò)程中為獲得最佳飛行效率而將翅膀軸向扭動(dòng)。

撲翼結(jié)構(gòu)采用的是兩段式的翅型,即拍打過(guò)程中帶有折疊過(guò)程?？拷律ｚt身體的一段翅膀稱(chēng)為主翼,遠(yuǎn)離身體的一段翅膀稱(chēng)為副翼。鳥(niǎo)翼的結(jié)構(gòu)十分精巧,想要完全真實(shí)的模仿對(duì)于現(xiàn)在的技術(shù)而言是十分困難的。所以主、副翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要需要滿足：1)翅膀的上下拍打運(yùn)動(dòng)；2)翅膀下行程時(shí)主翼和副翼向外舒展；3)翅膀上行程時(shí)主、副翼折疊。根據(jù)上述設(shè)計(jì)需求,提出了傳動(dòng)效率高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 主翼和副翼機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Schematic diagram of main wing and aileron mechanisms

從圖8中可以看出,桿件AB是一個(gè)曲柄,與桿件BCD鉸接一起,帶動(dòng)主翼?xiàng)U件DF和CG,在桿件加入固定件E,使機(jī)構(gòu)固定位置的同時(shí)達(dá)到上下?lián)鋭?dòng)的設(shè)計(jì)要求；連接件FHG加入一段連接主翼?xiàng)U件DF和CG,另一端采用固定連接副翼?xiàng)U件HI,連接件FHG的另一個(gè)設(shè)計(jì)作用使主翼在下行程中副翼?xiàng)U件向外舒展,主翼在上行程中副翼相對(duì)向相反方向運(yùn)動(dòng),達(dá)到相對(duì)主翼折疊的效果,這樣能最大效率地減小空氣阻力，實(shí)現(xiàn)功率的最大化；∠BCD的大小和CD的長(zhǎng)度都經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定，以確保其在運(yùn)動(dòng)時(shí)滿足下行程時(shí)主翼和副翼向外舒展、上行程時(shí)主翼和副翼折疊的設(shè)計(jì)要求。

1.2.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)橐箖啥说某岚蛲耆珜?duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng),所以傳動(dòng)設(shè)計(jì)選擇了精準(zhǔn)度較高、需要在頻繁且重復(fù)的工況下有較為優(yōu)異的穩(wěn)定性、運(yùn)用較為廣泛的直齒輪傳動(dòng)。在傳動(dòng)裝置中還設(shè)計(jì)了二級(jí)減速裝置,使最終輸出裝置的轉(zhuǎn)速大幅減小。根據(jù)以上目標(biāo)所得設(shè)計(jì)方案,如圖9所示。

圖9 傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)Fig.9 Transmission gear design

傳動(dòng)裝置中設(shè)計(jì)了二級(jí)減速裝置如圖9所示,其中所有齒輪的模數(shù)都為m=2,齒輪8為主動(dòng)齒輪,齒數(shù)為9,通過(guò)與電機(jī)連接帶動(dòng)整個(gè)齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪9(齒數(shù)為27)與主動(dòng)齒輪8外嚙合,與齒輪10(齒數(shù)為14)同軸固定,目的是使齒輪9和齒輪10以同一角速度旋轉(zhuǎn),同時(shí)小齒輪8為主動(dòng)齒輪嚙合齒數(shù)較大的齒輪9可以達(dá)到減速增扭矩的效果。齒輪8、9、10組成了一個(gè)二級(jí)減速傳動(dòng)齒輪副,達(dá)到降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩的目的。齒輪11和齒輪12在其上打孔并在后期加裝在撲動(dòng)機(jī)構(gòu)上,目的是充當(dāng)撲動(dòng)主、副翼的兩個(gè)曲柄。齒輪11和齒輪12模數(shù)和齒數(shù)都相同,外嚙合達(dá)到兩側(cè)翅膀完全對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)的目的,齒輪12較厚,后部與齒輪10嚙合。整個(gè)齒輪副依據(jù)機(jī)械裝配的原理,通過(guò)機(jī)身的桿件和軸承與機(jī)身進(jìn)行軸向和徑向的固定。

1.2.4 頭部和尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)，采用對(duì)接的釬焊接頭形式，硬質(zhì)合金放在Cr12鋼上，中間為CuMnCo釬料，并用Mo絲控制釬縫的寬度。

通過(guò)對(duì)海鷗的仿生學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究了解其飛行特點(diǎn),在海鷗轉(zhuǎn)向、起飛和降落的過(guò)程中,頭部和尾部都有參與運(yùn)動(dòng),并且頭尾的作用在這些動(dòng)作的過(guò)程中舉足輕重。以海鷗飛行過(guò)程中轉(zhuǎn)彎為例,首先海鷗會(huì)調(diào)整雙翼的撲動(dòng)幅度和頻率,同時(shí)擺頭和甩尾控制身體平衡,這樣通過(guò)翅膀兩側(cè)不同的推力和升力差來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

由于頭部在飛行中只起到轉(zhuǎn)向的作用,所以在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮流線型線條形狀,設(shè)計(jì)模型如圖10所示。有一定弧度的尾部可以在飛行時(shí)提供部分一定的升力和推力,所以為了彌補(bǔ)不能做到雙翼不同頻率撲動(dòng)所帶來(lái)的部分飛行靈活性缺失,將尾部的形狀設(shè)計(jì)符合空氣動(dòng)力學(xué)原理,如圖11所示。頭部和尾部中心位于同一根軸線上,通過(guò)中心桿件兩端與頭尾部的操縱圈的球鉸鏈鉸接,可以各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)并靈活承受來(lái)自各翼面的壓力。

圖10 頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.10 Head mechanism design

圖11 尾部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.11 Tail mechanism design

頭部和尾部分別通過(guò)兩根鋼絲與機(jī)身較靠后的兩個(gè)控制器相連,這個(gè)控制首尾部的控制器又稱(chēng)為舵機(jī),如圖12所示。舵機(jī)通過(guò)與控制器相連輸出扭力帶動(dòng)操作桿,操縱桿連接鋼絲控制頭部和尾部,鋼絲一側(cè)張緊一側(cè)放松,連接鋼絲張緊的一側(cè)就會(huì)向內(nèi)回縮；兩側(cè)的鋼絲都放松時(shí),該側(cè)零件就會(huì)相對(duì)身體向下；兩側(cè)鋼絲都張緊,該側(cè)零件就會(huì)相對(duì)身體向上。仿生學(xué)在觀察海鷗運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，海鷗的頭部和尾部的朝向總是相反的,所以在設(shè)計(jì)時(shí)需用到兩個(gè)舵機(jī),每一個(gè)舵機(jī)都有兩個(gè)控制桿,分別控制來(lái)自頭部和尾部的鋼絲的松緊,有效地保持整個(gè)身軀的平衡。

圖12 舵機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.12 Design of steering gear mechanism

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)及仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

撲翼機(jī)構(gòu)采用雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu),產(chǎn)生兩側(cè)為完全對(duì)稱(chēng)的運(yùn)動(dòng),故在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模時(shí),僅分析單側(cè)撲翼機(jī)構(gòu)的撲動(dòng)情況,之后可以由此結(jié)論推導(dǎo)出雙翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),用Visio軟件將撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的右半部分的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖畫(huà)出,如圖13所示。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模需要運(yùn)用坐標(biāo)法和矢量法,所以在這里將A點(diǎn)作為整個(gè)撲動(dòng)結(jié)構(gòu)笛卡爾坐標(biāo)系中的原點(diǎn),即坐標(biāo)點(diǎn)A(0,0)。各桿件的長(zhǎng)度以及固定點(diǎn)E點(diǎn)坐標(biāo)皆為已知量。lAB=20,lBC=65,lCD=16.55,lDE=55,lDF=355,lCG=343.39,lGF=22,lFH=23.26,lGH=30.84,lHI=384,lBD=80.30,∠BCD=155°,∠FHI=154.54°,坐標(biāo)點(diǎn)E(47.55, 95.57)。設(shè)定桿AB為主動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件,轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω(單位為rad/s),假設(shè)桿件AB與x軸正方向所成的角度為θ1,故由角位移方程可以易知θ1=ωt,所以點(diǎn)B的坐標(biāo)是一個(gè)有關(guān)于時(shí)間的關(guān)系式,即B(lABcosωt,lABsinωt)。

連接BD、BE已在圖13上標(biāo)出。在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi),假設(shè)BE與x軸正方向之間的夾角為β,β∈(0,π),BD與x軸正方向的夾角為θ2,θ2∈(0,π),當(dāng)0<θ2<π/2 時(shí)翅膀處于上行程,當(dāng)π/2<θ2<π 時(shí)，翅膀處于下行程。因?yàn)辄c(diǎn)E也是一個(gè)關(guān)于坐標(biāo)系固定的點(diǎn),所以假設(shè)EF段與x軸正方向的夾角為θ3,θ3∈(0,π/2)。

圖13 右側(cè)撲翼機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.13 Schematic of the flapping wing mechanism on the right

關(guān)于坐標(biāo)點(diǎn)D(xD,yD),根據(jù)其位置的三角函數(shù)關(guān)系,可得

(1)

角度β、∠DBE、θ2和θ3都可由各桿件的位置和特征長(zhǎng)度,經(jīng)過(guò)三角函數(shù)的變換所得

(2)

(3)

θ2=β+∠DBE

(4)

(5)

關(guān)于坐標(biāo)點(diǎn)F(xF,yF),可通過(guò)位置關(guān)系得

(6)

坐標(biāo)點(diǎn)C(xC,yC)是桿件BCD上的點(diǎn),根據(jù)桿組關(guān)系式易知

(7)

已知B、D點(diǎn)的坐標(biāo),將式(7)的矢量關(guān)系式分解成兩個(gè)相關(guān)的坐標(biāo)關(guān)系式

(8)

式中，θ4是水平方向正方向與BD連線之間的夾角,θ5是Y軸正方向與桿件DC之間的較小的夾角。θ4和θ5之間存在的關(guān)系式如下

∠BCD=θ4+θ5

(9)

根據(jù)式(8)和式(9)可容易求出θ4和θ5關(guān)于時(shí)間t的關(guān)聯(lián)式,將關(guān)聯(lián)式帶入式(8)即可得到坐標(biāo)點(diǎn)C的關(guān)聯(lián)式。

(10)

同理,可得F點(diǎn)坐標(biāo)(xF,yF)

(11)

在得到坐標(biāo)點(diǎn)F和坐標(biāo)點(diǎn)G的關(guān)系式后,可以通過(guò)余弦定理可以計(jì)算出lFI的長(zhǎng)度

(12)

(13)

為了方便計(jì)算,將運(yùn)動(dòng)學(xué)建模所建立的所有公式導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行計(jì)算,最后通過(guò)式(13)推導(dǎo)出撲翼邊緣,即坐標(biāo)點(diǎn)I關(guān)于角速度ω和時(shí)間t的坐標(biāo)表達(dá)式,暫時(shí)取角速度ω=8rad/s,取坐標(biāo)點(diǎn)I在運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)每間隔0.01s時(shí)的坐標(biāo)匯總,在Excel中導(dǎo)入并畫(huà)出各點(diǎn)連線出副翼尾部在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡,所得的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像如圖14所示。

圖14 坐標(biāo)點(diǎn)I運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.14 Coordinate point I motion curve

2.2 模型仿真

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)電腦模型仿真之前,首先需要把在SolidWorks軟件內(nèi)建立的所有零件模型進(jìn)行整合和裝配。裝配要求符合實(shí)際情況,并且需要設(shè)定固定數(shù)值的驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)限制,最后將模型的運(yùn)動(dòng)方式模擬出來(lái),畫(huà)出翅膀模型的邊緣運(yùn)動(dòng)曲線,最后將曲線導(dǎo)出與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

撲翼飛行結(jié)構(gòu)最主要的部分就是撲翼結(jié)構(gòu),為了避免其他零件對(duì)模擬產(chǎn)生的不可預(yù)計(jì)的影響以及減少計(jì)算量,將模型的其他零件進(jìn)行壓縮,僅留下主要的撲動(dòng)零件,如圖15所示。運(yùn)用SolidWorks內(nèi)部運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真插件Motion,對(duì)撲翼構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)方式做一個(gè)設(shè)定。在運(yùn)動(dòng)算例中首先插入一個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá),根據(jù)上文提到海鷗在巡航飛行時(shí)的撲動(dòng)頻率為5Hz左右,設(shè)置馬達(dá)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向,等速300r/m旋轉(zhuǎn),馬達(dá)帶動(dòng)最小的主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn),具體設(shè)置如圖16所示。接著對(duì)該運(yùn)動(dòng)算例進(jìn)行分析,插入一個(gè)翅膀邊緣點(diǎn),對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行路徑分析。

圖15 運(yùn)動(dòng)仿真簡(jiǎn)化模型Fig.15 Simplified model of motion simulation

圖16 旋轉(zhuǎn)馬達(dá)設(shè)置Fig.16 Rotary motor settings

計(jì)算出的副翼末端的位移位置曲線為近似余弦曲線,如圖17所示。同時(shí)還計(jì)算出了該點(diǎn)的線性速度和線性加速度隨時(shí)間的變化,分別如圖18、圖19所示。

圖17 副翼位移曲線Fig.17 Aileron displacement curve

圖18 副翼線性速度曲線Fig.18 Aileron linear velocity curve

圖19 副翼加速度曲線Fig.19 Aileron acceleration curve

取副翼尾部最末端的點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)每間隔0.01s的坐標(biāo)點(diǎn),將所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel并作圖,生成撲動(dòng)路徑曲線,如圖20所示。

圖20 撲動(dòng)路徑Fig.20 Flap path curve

本文同時(shí)也對(duì)主翼?xiàng)U件的位置、線性速度以及線性加速度進(jìn)行了分析,分析所得曲線如圖21～圖23所示。

圖21 主翼位移曲線Fig.21 Main wing displacement curve

圖22 主翼線性速度曲線Fig.22 Linear velocity curve of main wing

圖23 主翼線性加速度曲線Fig.23 Linear acceleration curve of main wing

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行建模分析和研究,可以清晰看出所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能完全符合海鷗的運(yùn)動(dòng)特征。副翼翅膀在下行程時(shí),由于空氣阻力的作用,速度先快后慢,很好地將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為飛行時(shí)所需的升力。而在上行程時(shí)由于設(shè)計(jì)的曲柄具有急回特性以及撲翼的折疊運(yùn)動(dòng),翅膀在行程內(nèi)雖然受到空氣阻力,但是由于機(jī)構(gòu)特性受力面較小,所以加速度有明顯的上升。主翼翅膀的運(yùn)動(dòng)過(guò)程比副翼翅膀更為簡(jiǎn)單,位移曲線更趨近于正弦曲線,速度也十分平穩(wěn),只在運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)有速度的突變,加速度方面也是在翅膀下行程時(shí)較大,能更好地、更高效地為飛行提供足夠的升力。從主翼和副翼的速度對(duì)比中可以看出，副翼最大速度約是主翼的10倍,設(shè)計(jì)效果優(yōu)良。從撲動(dòng)路徑上可以看出，副翼在下行程時(shí)具有伸展動(dòng)作,上下?lián)鋭?dòng)的曲線接近“8”字型,成功模擬了海鷗翅膀的撲動(dòng)路徑規(guī)律,在輔以軸向副翼后,扭轉(zhuǎn)時(shí)能很好地節(jié)省部分功率,十分符合理論計(jì)算的預(yù)期。

3 結(jié)論

本文對(duì)撲翼機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)和科研成果進(jìn)行整理和分析,對(duì)多自由度撲翼飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建模和仿真模擬等角度開(kāi)展研究并取得了一些成果。

從仿生學(xué)角度出發(fā),在分析了海鷗的飛行特征后,結(jié)合目前較為流行的撲翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提出了一種具有折翼過(guò)程的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)。在整體模型的基礎(chǔ)上完善了撲翼機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及頭部和尾部的設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)好的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論分析,證明了設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)具有急回特性,采用SolidWorks軟件將建立的所有模型結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行裝配,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)模擬。在軟件內(nèi)Motion的仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本吻合,證明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。