基于四杆机构对仿生蜻蜓扑翼飞行器的设计优化与仿真

基于四杆机构对仿生蜻蜓扑翼飞行器的设计优化与仿真
作者：严忠王坤
来源：《科技资讯》 2012年第27期
严忠1 王坤2
(1.91213部队装备部山东烟台 264007; 2.太原理工大学机械学院山西太原 030000)
摘要:本文基于四连杆机构提出了一种齿轮连杆运动机构设计方案,用于模仿蜻蜓翅翼的运动,并研究了扑翼机构各参数变化对机构运动轨迹的影响,归纳总结出一些规律,从而为选择出合适的机构参数提供了依据。

采用基于优化的机构设计方法对仿生微扑翼机构进行优化设计,确定出各杆件参数和运动参数。

然后利用CATIA来对扑翼机构进行运动仿真分析,模拟机构的运动过程,仿真结果与设计要求基本吻合,验证了机构的可行性。

关键词:仿生蜻蜓扑翼飞行器数学模型仿真分析
中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1672-
3791(2012)09(c)-0059-04
The Design and Simulation of Bionic Dragonfly Flapping Wing Aircraft based on Four-bar Linkage
Abstract:Based on the four-bar linkage,the paper presents a design of geared linkage motion ,which used to simulate the movement of dragonfly wings and studies the influence of the parameters to select the appropriate parameters of the mechanism.Then some methods are summarized.CATIA is used to make simulation and analysis of the motion and the simulation results are consistent with the design requirements which verifies the feasibility of the institution.
Key words:Simulate;Oragonfly;Flapping wing aircraft;Mathematical
model;Simulation and analysis
自古以来人们就梦想着在天空自由翱翔,对鸟的生理结构和飞行原理等方面所做的研究和获得的灵感,使人类乘着飞机上了天。

昆虫与鸟相比,具有更大的机动灵活性。

对昆虫生理结构和
飞行机理的研究,将仿制出具有更大飞行灵活性和自由度的新型飞行器。

最近几年,在昆虫空气
动力学和电子机械技术快速发展的基础上,各国纷纷开始研究拍翅飞行的仿昆飞行机器人,使得
仿生昆虫飞行机器人成为机器人研究最为活跃的前沿领域。

仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类或
昆虫飞行,基于仿生学原理设计制造出来的新型飞行器。

该类飞行器与固定翼和旋翼飞行器相比,它具有独特的优点,如:原地或小场地起飞;较强的机动性能,尺寸小,便于携带,飞行灵活,隐蔽性好等。

因此,在国民经济各领域尤其是国防领域有着十分重要而广泛的应用。

本文根据蜻蜓飞行时的运动特性设计出一种由齿轮连杆机构组成的微型扑翼驱动机构,对机构进行了数学建模设计优化,并基于Catia进行了仿真分析。

1 基于四杆机构对仿生蜻蜓扑翼飞行器的动力设计
仿生学研究表明,动物飞行能力和技巧的多样性多半源于它们的翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。

扑翼飞行器是借助机翼的上下扑动来产生升力和推力,这需要设计出高效可靠的
扑翼驱动机构本设计采用了对称齿轮杆机构来实现机翼的上下往复运动。

仿生昆虫飞行器通常具有小尺寸、便于携带、行动灵活和隐蔽性好等特点,仿昆飞行器的飞行性能和物理特性是雷诺数极小,表面积与体积之比很大,总质量严格受限。

而动力装置所占体积会直接影响到飞行器的大小,所以本设计从动力装置出发。

1.1 四连杆机构的设计与优化
在连杆机构中常用传动角的大小及变化情况来衡量机构传力性能的好坏,而扑翼飞行器飞行时翅膀上下扑动的频率较高,在设计四杆机构时,使机构的最小传动角具有最大值(),但最小传动角与四杆机构的其他性能参数,如摇杆摆角()和极位夹角等是彼此制约的。

摇杆摆角大或者行程速度变化系数大,最小传动角的值就变小。

所以设计时要统筹兼顾各种性能指标,才能获得较好的传动效果。

为了获得较好的传动性能从最小传动角的角度出发进行设计,而根据摇杆摆角和极位夹角的关系可以得到一下两种四杆机构:I型和II型,如图2、3所示。

对于I型,取A为曲柄的回转中心,A点的位置以线与线只之间的夹角表示。

传动角随着曲
在式(5)中
而其他系数均与I型机构相同。

由式(5)可知,该机构的最小传动角与各杆的绝对长度无关,而是取决于其相对比值的大小。

当确定值跟值时,各参数取值只与值有关。

利用以上参数基于值对机构的传动角进行优化设计,使最小传动角取得最大值。

而目标函数为:
采用黄金比例法在进行搜索取值以确定最优解值,从而可使机构的最小传动角达到最大值。

为保证机构具有良好的传动性能,应使≥40°,并要求行程速度比系数≤2。

而行程速度比系数与极位夹角关系如式(9)所示:
由本文所建数学模型分析建立值随、的变化曲线,如图4所示,[7]由图可知、的取值是有限的,如时,≥40°不成立。

基于对以上数学模型的分析,本设计从表1中所给范围取值以保证从而获得较好的传动性能。

扑翼飞行器飞行时,扑动幅度角即杆的摆动角度Ф:
由于极位夹角的存在机构运动时存在急回特性,而值越大机构的急回特性也越显著,为了保
证扑翼飞行器运动时平稳所以取,而基于对扑翼飞行器的体积大小考虑,其曲柄和摆角不宜过大,本设计采用I型机构并根据其数学模型取得如表2所示数据进行仿真分析。

根据表2所给参数,由式(10)可算得Ф=54.21°
1.3 基于Catia运动仿真并测量分析
针对以表2所取数据,用Catia建立如图(5)所示的机构模型,并进行四连杆机构的仿真分析。

如图5所示,当连杆机构运动至(b)(e)两位置时分别是翅膀扑动的最下扑角和最上扑角,所
以Ф=54.11°该值与数学模型所算结果一致。

2 动力模块的实现
考虑实际功率以及驱动效率,选定齿轮连杆机构进行驱动,并将连杆L1对称设计,如图6、7
所示。

该齿轮运动机构可以更好的保证左右两翼的对称性,满足扑翼飞行器机构设计时要求左右摇臂的运动规律尽量一致,从而使其左右机翼上产生的气动力趋于相等。

连杆组采用表2中所取的参数,运用Catia设计的效果如图8所示。

3 仿生蜻蜓扑翼飞行器的整体结构及模拟运动
运用catia对设计的扑翼飞行器的零件进行装配,得到完整的设计如图9所示。

4 结论
微型扑翼驱动机构的设计优化与仿真研究是微型扑翼飞行器设计中的关键环节。

对蜻蜓扑翼运动进行了研究,设计出一种齿轮连杆驱动机构做了以下工作:(1)提出了一种齿轮连杆机构模仿蜻蜓运动的微型扑翼驱动机构设计方案。

(2)采用基于优化的机构设计方法对四连杆驱动机构进行优化设计,建立了数学模型,得到了驱动机构各杆件及传动角等参数和运动参数。

(3)利用CATIA完成的仿生蜻蜓扑翼机构的设计并对其进行了仿真分析。

得到的结论与数学模型分析结论一致,验证了该机构的可行性。

仿生扑翼飞行器处于不断的探索过程中。

用机械装置去实现扑翼飞行的复杂运动模式是一项挑战,我们要不断的尝试与探讨。

随着新材料、新工艺、计算机技术、先进制造技术的不断发展,在不久的将来仿生蜻蜓扑翼飞行器可以在空中翱翔。

参考文献
[1]周骥平,朱兴龙,周建华,等.仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术[J].机器人技术与应用,2004(6):3.
[2]彭跃林.微小扑翼飞行器机翼及结构模型的设计与实验研究[D].西北工业大学,硕士论文,2003.
[3]McMicheal J M. FrancisM S. Micro Air Vehicles2Toward a New Dimension in Flight[R].US DARPA / TTO Report,1997.
[4]颜景平,张志胜.仿昆飞行机器人的研究[J].机械设计,2003(6).
[5]孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2009.
[6]唐锦茹,郭志贤.曲柄摇杆机构按最小传动角的优化综合[J].华北电力学院学
报,1995(22).
[7]兰世隆,孙茂.模型昆虫翼作非常运动时的气动力特征[J].力学学报,2001(33).
[8]刘岚,方宗德,侯宇,等.仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化[J].机械科学与技
术,2005(3):330-334.。