仿生扑翼飞行器设计与制作
微扑翼飞行器的仿生结构研究
微扑翼飞行器的仿生结构研究近年来，随着科学技术的不断发展，人们对于仿生学的研究越来越深入。
仿生学是模仿自然生物的形态结构、功能及行为特性，将其应用于解决人类问题的学科。
微扑翼飞行器的仿生结构研究正是仿生学在飞行领域的典型应用之一微扑翼飞行器是指通过翅膀的上下振动来产生升力，并通过对翅膀的控制来完成飞行任务的机器人。
其特点是体积小、质量轻、操纵灵活，可以在狭小的空间中进行灵活的操作，具有很大的应用潜力。
然而，由于微扑翼飞行器的工作原理和结构相对复杂，研究者们需要从仿生学的角度来理解和优化其结构。
在微扑翼飞行器的仿生结构研究中，研究者们主要关注以下几个方面的问题。
首先是翅膀的形态结构。
翅膀是微扑翼飞行器产生升力的关键部件，其形态结构直接影响飞行器的性能。
研究者们通过分析自然界中蝴蝶、蜻蜓等昆虫的翅膀结构，发现其具有独特的纹理和曲线形态，并据此设计出了一系列具有类似形态结构的翅膀。
这些翅膀的形态结构能够降低空气阻力、增加升力，并且能够在不同的工况下实现自适应变形，提高微扑翼飞行器的飞行性能。
其次是翅膀的材料选择。
为了实现仿生结构的设计，研究者们选择了一些具有特殊性能的材料。
例如，由于微扑翼飞行器的要求轻巧，研究者们选择了一些轻质的材料，如石墨烯材料，具有高强度和低密度的特点，使得微扑翼飞行器能够在有限的能量下完成飞行任务。
此外，研究者们还尝试使用可变刚度材料，通过改变翅膀的刚度来调整飞行器的飞行姿态和性能。
最后是翅膀的控制方法。
微扑翼飞行器的控制方法需要考虑多个自由度的问题。
研究者们通过分析昆虫翅膀的运动规律，发现其运动受到肌肉和神经系统的控制。
因此，研究者们提出了一种基于人工神经网络的控制方法，可以模拟昆虫的飞行控制机制，实现对微扑翼飞行器的高灵敏度控制。
综上所述，微扑翼飞行器的仿生结构研究是一项具有挑战性的任务，研究者们通过分析自然界中昆虫的翅膀结构和运动规律，设计出了一系列具有类似结构的翅膀，并开发了相应的控制方法。
基于连杆齿轮机构的仿生扑翼飞行器设计
基于连杆齿轮机构的仿生扑翼飞行器设计仿生扑翼飞行器是一种根据仿生学知识进行设计的飞行器，其体积小、重量轻、运动方式灵活多变、隐蔽性好，在军事领域和民用领域具有广泛的潜在应用。
基于四连杆机构中的曲柄摇杆机构进行扑翼飞行器扑翼机构的设计，并计算其自由度；基于齿轮系机构进行扑翼飞行器传动机构的设计并计算其自由度；然后将扑翼机构与传动机构结合，使得一个电机即可驱动两侧扑翼上下扇动，实现扑翼功能，所设计的仿生扑翼飞行器结构简单、易于实现。
标签：连杆机构；齿轮机构；仿生扑翼doi：10.19311/ki.16723198.2017.01.0951引言早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，他们通过自然选择进化而具有的能力很多都值得人类去学习。
仿生是高科技的代名词，它是运用尖端科学技术产品来模仿生物的各种官能感觉和思维判断功能，更加有效地为人服务。
各国都在不遗余力地加大在仿生学方面的研究。
莱特兄弟于1903年造出世界上第一架飞机后，如今的固定翼飞行器在飞行速度和运载能力上都取得了很大的突破。
然而这种固定翼飞行器在起飞和降落时均需要很长的滑行距离，人们还是希望能设计一种真正像自然界鸟儿那样通过上下挥动翅膀飞行的飞行器，我们称这类飞行器为扑翼飞行器。
扑翼飞行器具有无需跑道可垂直起落，并且可以用很小的能量进行长距离飞行，具有较强的机动性等优点。
扑翼飞行器已经广泛的运用在了民用及国防等各个领域。
2研究概要本研究通过模仿自然界的鸟上下挥动翅膀的动作，进行仿生扑翼飞行器的设计。
仿生扑翼飞行器主要分为仿生扑翼机构和电机传动机构两部分。
仿生扑翼机构基于四连杆机构中的曲柄摇杆机构，电机传动机构基于齿轮机构，最终实现扑翼飞行器在空中飞行的功能。
（1）仿生扑翼飞行器：扑翼飞行是鸟类靠自身体力和特殊生理构造实现的一种较复杂的动力飞行。
扑翼飞行器的结构仿生，是模仿鸟类的形态、结构和控制原理，从而设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。
超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计
摘要超小型仿生扑翼飞行器(FMAV)是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。
仿生学和空气动力学研究均表明，对于特征尺寸相当于鸟或者昆虫的微型飞行器来说，扑翼飞行要优于固定翼和旋翼飞行器。
本文以采用单曲柄双摇杆驱动机构的超小型仿生扑翼飞行器为研究对象,以提高其运动对称性为目的进行优化设计，为解决该类飞行器在飞行过程中发生向左或者向右倾斜、栽落的问题提出一种新的解决方案。
在对鸟类扑翼飞行生物学原理研究的基础上，从合力作用与分解的角度提出了一种气动力对超小型仿生扑翼飞行器作用的机理，解释了超小型仿生扑翼飞行器在试飞过程中倾斜栽落的力学原因。
同时根据该机理和条带理论计算了超小型仿生扑翼飞行器作一维拍动时上下方向受到的气动力，最后将计算结果与风洞实验所得到的升力曲线进行了比较，二者的结果比较接近。
用ADAMS建立超小型仿生扑翼飞行器虚拟样机，将气动力计算结果加载到虚拟样机上，仿真得到动力学状态下两翼扑动角速度曲线图；位置控制系统应用PID控制技术，借助MATLAB和ADAMS进行联合仿真，结果显示该控制系统设计合理，为超小型仿生扑翼飞行器的研制奠定了基础。
关键词：扑翼飞行器，仿生，PID控制，仿真The Design of Control System for Bionic Flapping-wingＭicrominiature Air VehicleABSTRACTBionic Flapping-wing Microminiature Air Vehicle (FMAV) are new conceptual air vehicles that mimic the flying modes of birds and insects. The study of bionics and aerodynamics indicates that the MAV which the characteristic dimension almost equate to bird or insect, the flapping flight is precede to fixed and rotatory MAV.The object of study in the paper is FMAV that have driving mechanisms of single-crank and double-rocker, and launched the work surrounding the goal of enhancing the symmetry of the wings’ movement. a new solution of FMAV with driving mechanisms of single-crank and double-rocker often tilt toward the left or the right and fall in the course of flight was proposed in the paper. Based on the biological flight mechanism of birds, a new mechanism of FMAV affected by forces was proposed in view of composition of forces, and the reason of the phenomena in force was explained under the using the new mechanism. The force on wings in a full cycle was computed new mechanism when there was only flapping, and its curve is similar to the curve tunnel test.The whole simulation model of FMAV was established in ADAMS, then the precomputed force was load to the model, and the angular velocity of both wings in aerodynamic situation was gained, which paved the way to the dynamics optimization of the driving mechanisms. The position control system was designed by PID in the paper. The position control mode is research deeply by MATLAB and ADAMS. Results indicate that this position control system is efficient.Key words:FMAV，bionic，PID，simulation超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计厉敏0811051750 引言自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔。
微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究
微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究随着科技的不断进步，微型扑翼飞行机器人作为一种仿生机器人的重要形式，正在得到越来越多的关注和研究。
本文将介绍微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。
首先，微型扑翼飞行机器人的设计方法在于模仿自然界中的昆虫飞行原理。
昆虫的独特飞行方式具有高效性和灵活性，因此成为微型扑翼飞行机器人设计的重要依据。
设计者需要研究昆虫的翅膀结构和运动方式，并将其应用于机器人的设计中。
通过仿生设计，机器人可以具备更好的飞行性能和机动性。
其次，微型扑翼飞行机器人的制造工艺需要兼顾材料选择和加工工艺。
首先，材料的轻量化和柔韧性是制造微型机器人的关键。
常用的材料包括碳纤维、聚合物材料等，这些材料具有较好的强度和韧性，同时又能保持机器人的轻盈和灵活。
其次，制造工艺需要满足微型机器人的复杂形态和运动需求。
采用微纳加工技术，如激光切割和3D打印等，可以实现微型机器人零件的精确制造和组装。
此外，为了实现机器人的高效飞行，还需要通过优化机翼和机体结构，提高机器人的空气动力学性能。
最后，微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究面临一些挑战。
首先，微型机器人的能源供应是一个重要问题。
由于体积限制，传统能源系统难以满足机器人的长时间飞行需求，因此需要研究新型的微型能源系统。
其次，机器人的控制系统也是一个挑战。
微型机器人的飞行姿态需要实时调整和控制，因此需要设计高精度和高稳定性的控制系统。
综上所述，微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究是一个复杂而又具有挑战性的领域。
通过模仿昆虫的飞行原理、选择合适的材料和加工工艺，并解决能源和控制系统等问题，可以为微型扑翼飞行机器人的发展提供指导和支持。
未来，随着科技的不断进步，微型扑翼飞行机器人有望在军事、救援和勘探等领域发挥更大的作用。
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法仿生蝴蝶扑翼飞行器是一种通过模仿蝴蝶独特的飞行方式而设计的飞行器。
它能够在空中灵活操控，具有较好的机动性能和稳定性。
在本文中，将介绍一种制作仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的方法。
首先，我们需要准备一些材料和工具。
材料包括轻质的材料如薄金属片或塑料片，弹性线或者细线，小型电机，螺旋桨等。
工具则包括剪刀，胶水，钳子，锉子等。
1. 制作翅膀：使用剪刀将薄金属片或塑料片剪成蝴蝶翅膀的形状，大小可自行决定。
确保两个翅膀相对称，并且具有足够的扑翼空间。
然后使用锉子修整翅膀的边缘，使其光滑，减少空气阻力。
最后使用胶水将两个翅膀连接在一起，并且确保翅膀能够自由地扑动。
2. 安装电机和螺旋桨：选择一个小型电机并安装在飞行器的中心位置上。
将螺旋桨固定在电机轴上，确保可以有效地产生推力。
3. 制作拉线式转向机构：在飞行器的尾部或机身两侧的翅膀上，通过胶水或螺丝固定一个小轴。
使用弹性线或者细线将此小轴连接到电机上。
当电机旋转时，它将通过拉线转动翅膀，实现方向的改变。
完成以上步骤后，我们就成功地制作了仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构。
在使用时，只需将电机连接到能源供应，并确保翅膀可以自由地扑动。
通过控制电机的转动速度和方向，我们可以实现飞行器的正常飞行以及转向。
总结：仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法相对简单，只需准备适当的材料和工具，并按照上述步骤进行操作即可。
这种飞行器的设计灵感来自于蝴蝶的飞行方式，具有较好的机动性能和稳定性。
通过不断改进和调整，希望能够进一步完善这种仿生飞行器，并应用到更多实际应用场景中。
仿生扑翼飞行器
曾制作过四轴飞行器，并成功的完成。也制作过小飞机，可以说在飞行器方面有 一定的基础。擅长机械装置的控制系统的设计与制作。
蒋卓尔：11级机械工程学院，热爱科技创新，积极参与学校举办的各种 科学技术创新活动，参加过许多比赛，例如世纪杯，科研立项等，世纪 杯获得三等奖，科研立项通过审查。
阻力转向：如果鸽子在滑翔中控制翅膀的形状，使翅膀左右的阻力不相等，那 么就会产生一个和前进方向不共线的阻力，也会使鸽子转向。
扑翼飞行器的扑翼驱动机构（方案）
扑翼飞行器的驱动机构可很多中结 构，例如，交变磁场驱动机构， 静电致动胸腔式扑翼机构，压电晶 体( PZT)致动机构，人工肌肉驱动 机构，连杆驱动机构等等，我们所 采用的是连杆驱动机构,如图1所示。
制作扑翼飞行器要了解的方面
1.空气动力学基础
仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为主，但昆虫和鸟类 的翅膀不像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。 按照传统的空气动力学理论，它们无法有效地利用空气的升力和阻力， 因而就很难起飞。但是它们翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运 动，这会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力 学效应是研究和理解昆虫、鸟类飞行的运动机理和空气动力学特性进而 实现仿生飞行的重要基础。
图2 简单的扑翼模型
1.各个参数：
扑翼飞行器的机构动态分析
从质量0. 006kg，翼展0. 155m 的戴菊莺，到质量8. 5kg，翼展3. 4m 的漂泊信天翁，
共68 种不同鸟类的飞行参数，采用最小二乘法对其结构参数、运动参数以及动力参数进
行数据拟合，即可得出各参数与质量m 仿生学公式如下：
仿生扑翼飞行机器人自主飞行控制系统设计
控制策略验证：验证控 制策略在实际飞行过程 中的有效性，如姿态控 制、飞行路径规划等。
安全性能评估：评估机 器人在遇到突发情况时 的应急处理能力，如避 障、悬停、自动返航等 。
通过以上实验设置与环 境、飞行实验执行与数 据收集、实验结果分析 与评估的内容，可以对 仿生扑翼飞行机器人自 主飞行控制系统进行全 面、系统的验证，为后 续的优化和改进提供有 力支持。
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驱动设计
驱动系统是实现扑翼飞行机器人自主飞行的关键部分。可以 选择电动、气动或液压等驱动方式，根据机器人设计和飞行 需求选择合适的驱动方式，同时需要设计相应的驱动接口和 传动装置。
传感器选择与集成
惯性测量单元（IMU）
高度计
IMU可以测量机器人的加速度、角速度和 姿态角等信息，是实现飞行稳定和自主导 航的重要传感器。
02
03
数据预处理
数据融合
对原始数据进行滤波、去噪、校 准等预处理操作，提取有效信息 。
将不同传感器的数据进行融合， 如通过卡尔曼滤波算法，提高数 据精度和可靠性。
人机交互与遥控接口
图形用户界面
设计直观易用的图形用户界 面，实时显示飞行机器人的 状态参数、飞行轨迹等信息 。
遥控指令解析
解析从遥控器接收到的指令 ，转换为飞行机器人可识别 的控制信号。
仿生扑翼飞行机器人 自主飞行控制系统设 计
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目录
• 引言 • 控制系统硬件设计 • 控制系统软件设计 • 自主飞行实验与验证 • 系统优化与未来工作
01
引言
仿生扑翼飞行机器人概述
仿生设计
仿生扑翼飞行机器人是模仿自然界中的鸟类或昆虫的飞行原理设计的机器人， 具有独特的扑翼机构，能够实现类似于生物的飞行动作。
微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究
微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究随着科技的不断进步，微型扑翼飞行器作为一种新型飞行器，受到了越来越多的关注。
微型扑翼飞行器是一种仿生飞行器，其设计灵感来自于昆虫的翅膀运动原理，通过模仿昆虫的翅膀运动方式实现飞行。
本文将重点研究微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术。
微型扑翼飞行器的结构设计是实现其稳定飞行的关键。
首先，需要设计合适的翅膀形状和尺寸。
翅膀的形状应具有良好的气动特性，能够产生足够的升力和稳定的飞行。
其次，需要确定翅膀的材料和结构。
翅膀的材料应具有足够的轻量化和强度，常见的材料有碳纤维、玻璃纤维等。
翅膀的结构可以采用刚性或柔性结构，刚性结构适用于大型扑翼飞行器，而柔性结构适用于微型扑翼飞行器。
最后，需要设计合适的机身结构和连接方式，以实现翅膀的运动和控制。
微型扑翼飞行器的制作技术主要包括翅膀制作、机身制作和控制系统制作。
翅膀制作需要先制作翅膀的模具，然后根据模具制作翅膀，最后进行表面处理和装配。
机身制作可以采用3D打印技术或精密加工技术，根据设计要求制作机身的外形和内部结构。
控制系统制作包括电机、传感器和控制电路等的选择和安装，以及飞行器的姿态控制和稳定控制算法的开发。
微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究的目的是实现微型扑翼飞行器的稳定飞行和控制。
通过合理的结构设计和制作技术，可以使微型扑翼飞行器具有较好的飞行性能和操控性。
此外，结构设计和制作技术的研究还可以为更大规模的扑翼飞行器的设计和制作提供参考。
总之，微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究是一项复杂而重要的工作。
通过深入研究和不断探索，可以进一步提高微型扑翼飞行器的性能和应用领域，为未来的飞行器发展做出贡献。
扑翼飞行机器人的设计与分析方案
扑翼飞行机器人的设计与分析方案1 绪论1.1 引言目前国内外对飞行机器人的研究多集中于固定翼和旋翼类型，这两种类型的飞行机器人各有特长，但活动场所和工作环境等都受到一定的限制。
随着军事、民用的发展和科学技术的进步，对于许多任务而言，固定翼和旋翼类型的机器人的飞行方式是不够的。
因此，为了适应任务的复杂性和环境的多样性，对具有更好机动灵活性的飞行方式的研究是势在必行，即要在飞行方式上进行创新。
与固定翼和旋翼类型的飞行机器人相比，扑翼飞行方式由于其具有更大的机动灵活性、更好的避障能力以及低廉的飞行费用，因而受到国内外众多研究者的广泛关注。
许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基础研究工作。
仿生扑翼飞行机器人目前还处在一个刚刚开始和兴起的阶段，虽然取得了一些阶段性研究成果，但距离实用阶段还有很远，仍有很多理论和实践工作需要进行深入研究。
我国应利用这个有利时机，加大投入，争取在仿生扑翼飞行机器人研究的某些关键技术方面取得突破。
1.2 扑翼飞行特点及其应用前景仿生扑翼飞行机器人或仿生扑翼飞行器，既属于飞行器范畴，又属于新概念的仿生飞行机器人研究范畴，是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器人:随着对动物飞行机理的认识和微电子机械技术(MEMS)、空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行机器人在目前己成为一个新的研究热点。
仿生扑翼飞行机器人若研制成功，它便有一些飞行机器人所不具有的优点:如原地或小场地垂直起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。
自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行机器人也必将在该研究领域占据主导地位。
基于仿生学的扑翼机设计与仿真
基于仿生学的扑翼机设计与仿真一、引言扑翼飞行器作为一种有机动能力的机器人，正在逐渐发展成为未来航空领域的重要组成部分。
而借鉴自然界的仿生学原理，是设计和优化扑翼飞行器的重要方法之一、本文旨在基于仿生学原理，设计并进行仿真分析扑翼机的运动特性和气动性能。
二、仿生学原理1.鸟类翅膀结构：鸟类翅膀的设计使得它们能够在空气中产生升力。
研究发现，鸟类翅膀呈现不对称的形状，上下表面的弯度不同。
这种不对称形状可以产生升力，并且还能减小气动阻力。
2.鸟类振翅模式：鸟类扑动翅膀的频率和振幅对飞行稳定性和效率至关重要。
实验观察发现，鸟类在起飞和飞行过程中，翅膀往往呈现上下振动和回旋运动的特点。
这种振翅模式可以减小气动阻力，并提高机体的机动能力。
在扑翼机的设计过程中，我采用了三维设计软件，模拟仿真扑翼机的运动特性和气动性能，并对设计参数进行优化。
1.扑翼机的翅膀结构2.扑翼机的振翅模式利用软件模拟了扑翼机在水平飞行和上升飞行过程中的振动频率和振幅。
通过改变振翅模式的参数，如频率和振幅，优化了扑翼机的飞行性能。
3.扑翼机的运动特性通过仿真分析，研究了扑翼机的俯仰、滚转和偏航运动特性。
通过改变机体的设计参数，如重心位置和机翼的位置，优化了扑翼机的运动性能和稳定性。
四、仿真结果与分析通过仿真分析，得出了扑翼机在不同飞行状态下的运动特性和气动性能。
结果表明，优化后的扑翼机具有较高的飞行效率和稳定性。
1.升力和阻力分析通过模拟扑翼机在不同速度下的飞行，得出了升力和阻力的变化曲线。
结果表明，在适当的速度范围内，扑翼机可以产生足够的升力，实现平稳的飞行。
2.振翅模式分析通过模拟扑翼机的振翅模式，得出了振翅频率和振幅对飞行稳定性和效率的影响。
结果表明，在一定的振翅频率和振幅范围内，扑翼机可以实现较高的机动能力和飞行效率。
3.运动特性分析通过模拟扑翼机的运动特性，得出了俯仰、滚转和偏航运动的变化曲线。
结果表明，优化后的扑翼机具有较高的运动稳定性和操控性能。
机器人作业参考--扑翼飞行机器人设计与分析
机器人机构分析与综合——扑翼飞行机器人的设计与分析姓名：班级：学号：日期：扑翼飞行机器人的设计与分析摘要仿生扑翼飞行机器人是一种具有新颖移动方式的、集多种前沿技术于一体的新概念仿生飞行器，目前己成为国际上的研究热点之一，无论在军事还是民用领域都有着广阔的应用前景。
本文在总结了国内外最新研究成果基础上，围绕仿生扑翼飞行机理、仿生翼运动模型以及扑翼驱动系统展开了研究与探索。
首先介绍了仿生扑翼飞行的研究背景，分析了仿生扑翼飞行的特点及其可观的应用前景；阐述了仿生扑翼飞行机器人的研究现状，探讨了目前和将来研究中所遇到的一些关键技术。
基于空气动力学理论，对仿生扑翼飞行机器人的可行性进行了分析；探讨了动物飞行方式及其尺度律对仿生扑翼飞行机器人设计的启发，指出采用扑翼布局是解决在低雷诺数下飞行难点的一种可行方案；重点研究了动物扑翼飞行机理，为研制仿生扑翼飞行机器人设计提供了理论依据。
根据动物扑翼系统特点，探讨了仿生翼设计的一些重要因素;重点提出了扑式和洗式运动模型的概念，并分析比较了两者的特点，详细探讨了扑式运动模型的实现。
根据动物飞行尺度律，确定了样机设计参数；就基于连杆机构的扑翼驱动机构设计方案进行了分析比较，探讨了扑翼驱动机构的实现途径和方法，并针对基于四杆机构的扑翼驱动机构进行了优化设计；根据样机功率需求，选择了适合扑翼样机的动力装置、能源，设计了减速机构和控制系统。
对飞行方向控制、扑翼姿态以及柔性翅的模仿提出了自己独特新颖的观点，并把这些观点应用在扑翼式飞行机器人的设计之中。
根据设计参数建立三维模型，并对模型进行了运动仿真和受力分析，得到了较好的仿真和分析结果。
本文所有工作都取得了预期效果，相信随着研究工作的深入及相关技术的完善，仿生扑翼飞行机器人的研究必将取得突破性的进展。
关键词：仿生，扑翼飞行机器人，动物飞行机理，尺度律，扑翼驱动机构，优化设计，三维建模，运动仿真，应力分析The Design and Analysis of BionicFlapping-wing Aerial RobotAbstractBionic Flapping-wing Aerial Robot(BFAR) is a aerial vehicle with new concept, which has novel locomotion method and involves and involves advanced technologies. BFAR becomes a hotspot of research recently, and has extensive application in military and civilian. On the basis of summarizing al lkinds of latest research achievements on this field, the flapping-wing flight mechanism、the movement model of bionic wings and the flapping-wing drive system are studied in this paper.Firstly, the research background of BFAR is introduced; the characteristics and the application prospects are analyzed. It is also concluded that flapping-wing flight has higher efficiency and bigger miniature degree, and the BFAR is the tendency of flight robot. This thesis reviews the development and current research situation of BFAR, also discusses key technologies of BFAR.Based on the aerodynamics theory, the feasibility of BFAR is analyzed. The design inspiration of BFAR, which comes from the flight mode and scaling rule, is probed into. It is proposed that flapping-wing flight is a doable scheme to solve the difficulty of flight under low Renaud. The flapping-wing flight mechanism of animal is investigated in particular, and the results provide a theory foundation for developing BFAR.According to the characteristics of animal's flapping-wing system, some important factors of the bionic wing, design flapping-wing and washing-wing are discussed. A new concept of the locomotion is brought forward, and their characteristics analyzed respectively. The approach to realize the flapping-wing mode is studied in details.On the foundation of animal flight scaling rule, the design parameters of the prototype are worked out. The design of flapping-wing actuators, based on linkage mechanism, is analyzed, the methods and ways of realizing the actuators are also discussed, the design of actuators based on the four-linkage mechanism is optimized. In conformity to the demand power, the motive equipment and energy system areselected; the gear-down transmission system and control system are framed.I have put forward my own unique and innovative ideas on direction control, flapping gestures and flexible wings, at last, I use these views in the design of flying robots.According to the designed parameters, I have built a three-dimensional model, made motion simulation and stress analysis of the model. At last, I got a good simulation and analysis result.All the work of this thesis shows a good achievement. With the development of research work, we think firmly that the research of BFAR will make a breakthrough in the future.Key words: Bionics, Flapping-wing aerial robots, Flight mechanism of animals, Scaling rule, Flapping-wing actuators, Optimized design, 3D modeling, motion simulation, stress analysis目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 扑翼飞行特点及其应用前景 (1)2 扑翼飞行机器人的研究现状 (3)2.1早期研究情况 (3)2.2国外研究现状 (3)2.3国内研究现状 (8)3 扑翼机器人研制的关键技术 (10)3.1空气动力学问题 (10)3.2飞行动力和能源问题 (10)3.3仿生翼、扑翼机构和材料 (11)3.4通信和控制系统 (11)4 两类扑翼式飞行方式的比较 (13)4.1鸟类的飞行机理 (13)4.2昆虫的飞行机理 (15)4.2.1昆虫飞行的非定常特性 (15)4.2.2昆虫翅膀的形状和结构 (16)4.2.3昆虫飞行的非定常高升力机理 (17)5 扑翼飞行机器人的设计及分析 (20)5.1扑翼运动机构的选择 (20)5.2动力装置与能源的选择 (24)5.2.1动力装置 (24)5.2.2能源的选择 (25)5.3齿轮减速机构的设计 (25)5.4扑翼四杆机构的优化设计及运动分析 (26)5.5仿生翼、机身、尾翼和控制系统 (29)6 扑翼飞行机器人的建模 (31)6.1机架 (31)6.2动力源 (32)6.3运动机构 (33)6.4飞行方向控制系统 (34)6.5扑翼 (36)6.6控制系统 (37)6.7扑翼机器人整体结构 (38)7 机构运动仿真分析 (39)8 扑翼受力分析 (45)结论 (52)参考文献 (54)1 绪论1.1 引言目前国内外对飞行机器人的研究多集中于固定翼和旋翼类型，这两种类型的飞行机器人各有特长，但活动场所和工作环境等都受到一定的限制。
微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究
西北工业大学博士学位论文微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究姓名：***申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：***20070101西北工业大学博士学位论文第一章绪论问和建筑物上方的敌情，还可以穿堂入室查找建筑物内部的敌情，甚至可停留在窗户上窃听办公室内的谈话，获取重要情报。
（３）电子干扰、通信中继。
微型飞行器可以非常靠近目标区侦察敌方信号，对敌方雷达、通信设备工作区实施干扰，还能够检测和维护通讯线路，提供通信中继。
（４’）核、生化探测。
进入核污染与生化禁区执行探测与取样等特殊任务。
（５）精确投放。
包括用指示器标记目标，例如红外反射涂料或一种无线电频率标记，以使射入的军火能够“看到”目标，或者投放微型地面传感器。
（６）民用领域。
微型飞行器除了军事应用外，在民用领域也有广泛的应用潜力，如野外作业人员的勘测，通信，自然灾害的监视与支援．环境和污染监测，以及公安保安部门的缉毒、边境巡逻与控制等。
１。
１．２几神典型的微型飞行器国内外目前研制的微型飞行器，按其飞行原理与布局方式划分大致可分为以下三种：固定翼（Ｆｉｘｅｄ砸ｎｇ）微型飞行器、旋翼型（Ｒｏｔａｒｙｗｉｎ曲微型飞行器和扑翼型（ＦｌａｐｐｉＩｌｇ谢ｎ曲微型飞行器。
其中的固定翼和旋翼型微型飞行器由于更接近常规飞机，研制难度相对较小，因此这两种ＭＡｖ的研究较多也比较成功。
●典型的固定翼微型飞行器（ａ）ＢｌａｃｋＷｉｄｏｗ（ｂ）ＭｉｃｒｏＳｔａｒ（ｃ）柔性固定萁Ｍ＾Ｖ图１．１固定翼微型飞行器Ｂ１ａｃｋｗｉｄｏｗ（黑寡妇）如图１．１（ａ）是美国Ａ＿ｅｒｏⅥｒｏ唧ｅｎｔ公司严格按照ＤＡ耻＇Ａ提出的特定技术指标而研制的一种微型飞行器【３Ｊ。
该机为飞翼式微型飞行器，外型类似予盘状飞碟，由微电机驱动前置螺旋桨产生拉力。
其翼展１５厘米，起飞重量８０克。
该机也是第一种广为人知的ＭＡＶ。
ＭｉｃｒｏＳｔａｒ（微星）如图１．１（ｂ）是美国Ｌｏｃｋｈｅ以Ｍａｎｉ公司在ＤＡＲＰＡ支持下发展的一种飞翼式微型飞行器ｌ射。
《两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真》
《两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真》一、引言随着科技的不断进步，仿生学在航空领域的应用日益广泛。
其中，仿生扑翼飞行器因其高机动性、高仿生性及良好的环境适应性，成为了当前研究的热点。
本文将重点探讨两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真。
二、两段式仿生扑翼飞行器的结构设计1. 整体结构两段式仿生扑翼飞行器主要包含动力系统、控制系统和扑翼系统三个部分。
其中，扑翼系统采用两段式设计，分为上、下两个部分。
整体结构仿照鸟类飞行时的翅膀运动，具有较高的灵活性和适应性。
2. 扑翼系统设计扑翼系统是仿生扑翼飞行器的核心部分，其设计直接影响到飞行器的性能。
两段式扑翼系统由上翼段和下翼段组成，通过驱动机构实现上下扑动。
上翼段主要负责产生升力，下翼段则起到调节气流、增强飞行稳定性的作用。
3. 动力系统设计动力系统为仿生扑翼飞行器提供动力，主要包括电机、电池和传动机构等部分。
为了保证飞行器的轻量化和高效性，我们选用高性能的电机和电池，通过传动机构将动力传递到扑翼系统，实现飞行器的飞行。
4. 控制系统设计控制系统是仿生扑翼飞行器的大脑，负责飞行器的导航、控制和姿态调整。
我们采用先进的飞行控制算法和传感器技术，实现对飞行器的精确控制，使其能够按照预设的轨迹进行飞行。
三、气动特性仿真为了更好地了解两段式仿生扑翼飞行器的气动特性，我们采用计算流体动力学（CFD）技术进行仿真分析。
通过建立三维模型，模拟飞行器在不同速度、不同攻角下的气流分布和压力分布，从而得到飞行器的气动性能参数。
仿真结果表明，两段式仿生扑翼飞行器在扑动过程中，上下翼段的协同作用能够产生较大的升力，同时减小阻力。
此外，通过调整扑动频率和幅度，可以实现对升力和阻力的有效控制，从而提高飞行器的飞行性能。
四、结论本文对两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真进行了探讨。
通过采用两段式扑翼系统、高性能的动力系统和先进的控制系统设计，实现了仿生扑翼飞行器的轻量化、高效化和智能化。
仿生飞行器的设计与制造
仿生飞行器的设计与制造随着现代科技的不断发展，人类对于空中飞行器的需求也愈发增长，而仿生学作为一种拥有无限潜力的科技，成为了很多飞行器设计师们追逐的目标。
仿生飞行器采用仿生学原理，通过模拟自然界的生物，将其特征和优点应用于飞行器的设计和制造，从而大幅提高了飞机的性能和效率。
接下来，我们将探究仿生飞行器的设计与制造的相关知识。
一、仿生飞行器的原理仿生飞行器的设计与制造，需要借鉴自然界的一些特点。
在自然界中，一些生物拥有独特的优势：比如，鸟类的羽毛、昆虫的翅膀、鱼类的鳍等等。
科学家们从这些生物中汲取灵感，将其应用于仿生飞行器的设计和制造之中。
以鸟类为例，它们的羽毛具有细致的羽片脊、轮廓不对称和小旋翼效应等特性，因此拥有优秀的空气动力学性能。
仿生飞行器也可以采用类似的技术，比如利用波纹的特性，制造出独特的飞行面板，使得其在飞行时，能够顺利地穿过空气，大幅提高飞行效率。
二、仿生飞行器的分类仿生飞行器可以分为直升机型、固定翼型、伞翼型以及混合型四种类型。
其中，直升机型主要应用在无人机和小型航空器上，而固定翼型则广泛应用于大型飞行器，如商用航班、军用飞机等等。
伞翼型和混合型则是最近发展的新型飞行器，它们的特点是灵活性高，适用于野外实地调查和勘测等领域。
这些不同的类型，各有其优点和适用范围，可以满足不同地需求。
三、仿生飞行器的设计与制造仿生飞行器的设计与制造需要经过多个环节。
首先，设计师需要进行深入的仿生学研究，找到适合仿生器设计的生物原型，并从中分析出该生物的运动特征、结构和材料等相关信息。
其次，设计师需要绘制出飞行器的设计图，包括飞行器的外观以及内部机构的具体划分，并将其渲染成3D模型，以提高设计效率和精度。
接下来，制造团队需要将这个模型转化为机器可读的代码，并通过使用一些特殊机器制造出这个模型的实体原型。
最后，制造出来的飞行器需要进行多次实验以确保其合理性和飞行效率。
同时，也需要对仿生飞行器的各个部件进行测试和优化，以提高其性能和效率。
青少年科技创新大赛——仿生扑翼北斗龙的设计与制作
参加了大庆北斗鹰社团，设计制作了仿生扑翼北斗龙为垂直起降，并可在空中悬停，爬升，降落转弯等动作。
碳纤维骨架、驱动无刷电机、两个对称设置的曲柄连杆机构、扭转连块和扑翼摇杆，减速电机提供动力输出，形成龙翼前后往复运动和上下摆动，机构紧凑，可靠性高。
控制机构8通道遥控，确保飞行平稳易操作，采用UBX-M8"第八代北斗导航和GPS双模块，配合六轴平衡仪，高精度控制飞行器平衡、返航等动作；飞机自动平飞，一键返航，失控自动返航。
仿生扑翼北斗龙飞行噪音小，绿色节能而且可以垂直起落，将来有望森林消防巡逻、机场防卫飞鸟袭击等，有很好的发展前景。
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仿生扑翼飞行器设计与制作摘要：随着仿生学的发展和材料动力技术的不断进步，人类能更好的模仿生物的运动，向大自然学习，服务人类。
像鸟一样的飞行是人类几千年的梦想，近几年科研人员在扑翼飞行器的研究和制造方面有了很大的发展，目前世界上已经出现了许多扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。
通过学习和研究我们选用了对称的五杆机构来实现飞行器的机翼的动作，并按照飞行原理设计了飞行器的升力机构和推力机构，最后做出了实物，进行了飞行试验。
关键词：仿生;扑翼飞行器;五杆机构;空气动力学;飞行试验Designing and producting of the flapping wingflight vehicle in bionicsABSTRACT: Along with the development of bionics and material power technology advances, mankind can better imitate biological movement, learning to nature and servicing human. Flying Like a bird is the dream of human for several thousand years, In recent years researchers Made great progress in the flapping wing flight vehicle research and manufacturing. There are already some kind of the flapping wing flight vehicles in the word recently, but the bionic degree lower still. With the studying and researching we choose the symmetrical five-bar mechanism to realize the action of the wing of the aircraft, According to the principle of fly. I design the lift institutions and thrust institutions. Finally I made the craft, and test it.KEY WORDS:Bionic; The flapping wing flight vehicle; Five-bar mechanism; Aerodynamics; Flight test目录1前言 (2)1.1本次毕业设计课题的目的、意义 (2)1.2仿生扑翼飞行器简介 (2)2.1仿生扑翼飞行器优缺点 (4)2.2仿生扑翼飞行器的结构组成 (4)3仿生扑翼飞行器的原理和设计 (5)3.1飞行器的飞行原理 (5)3.2对鸟类飞行的分析 (5)3.3机构原理性设计 (6)4仿生扑翼飞行器的参数选择 (8)4.1动力系统的参数选择和计算 (8)4.1.1通过对几种飞行器的机翼扇动频率的统计得出下表 (8)4.1.2齿轮的选用 (8)4.1.3电机的选用 (8)4.2飞行器机身尺寸的确定 (9)4.2机翼五杆机构的设计和计算 (9)4.2.1机构简图 (9)4.2.2实体设计 (9)4.4蒙皮工艺 (11)5提升机构和推动机构的设计 (13)6三维建模 (14)7结论 (17)参考文献 (19)致谢 (20)外文翻译 (21)附件 ................................................. 错误!未定义书签。
1前言1.1本次毕业设计课题的目的、意义本项目是通过仿照鸽子飞行的动作来设计飞行器，模拟鸟类的飞行动作，最终实现飞行。
研究内容摘要：(1)翅膀骨架复合四杆机构的设计。
该机构的设计是本项目的核心任务，通过该机构飞行器就可以模拟鸽子的翅膀的摆动和伸缩动作。
(2)翅膀扭动弹性机构的设计。
该机构实现翅膀外翼的相对扭动，以产生推进力。
要实现飞行还需解决骨架材料的选择，铰接结构的设计，这些方面都需要较强的强度和较轻的质量。
1.2仿生扑翼飞行器简介随着仿生学的发展和材料动力技术的不断升级，人类能更好的模仿生物界动物，借助大自然的杰作去服务人类。
象鸟一样的飞行时人类几千年的梦想，近几年在扑翼飞行器的研究和制作方面有了长足的进展，目前世界上以出现了各种各样的扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。
仿生扑翼飞行器飞行器是区别于固定翼飞行器、旋转翼飞行器的另一类飞行器，其飞行原理直接来自自然界的鸟类和昆虫的飞行方式。
与固定翼和旋转翼相比有明显的优势。
与固定翼飞行器相比，它可同时将举升、悬停、推进等功能集中在一个扑翼系统中；与旋转翼飞行器相比，它的能量利用率更高，即可推进飞行，也可滑翔飞行，而且更灵活。
由于它的这些优点使其具有了很高的使用价值，在无人侦察方面可以做到高度的隐蔽性，前途广阔。
图1-1ASN211微型扑翼无人机上图为美国军方最先研制出的扑翼无人机，在军事侦察方面有出色的表现，良好的机动性，隐蔽性，以及较低的噪音。
图1-2 德国费斯通智能鸟2011年德国费斯通公司的仿生扑翼飞行器在汉诺威工业博览会展出，引起轰动，改型飞行器几乎完全破译了鸟类的飞行，不仅可以完美模拟鸟类飞行，同时仿真度极高，足可以假乱真。
智能鸟采用富有革命性的设计，能够自行启动、飞行和降落。
它的翅膀不仅能够上下拍动，同时也可按特定角度扭转，让这只超轻的机器鸟拥有出色的空气动力性能和令人惊叹的灵敏度。
2 仿生扑翼飞行器概述2.1仿生扑翼飞行器优缺点仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。
该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。
自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于１５ｃｍ时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。
虽然仿生扑翼飞行器具有以上优点，但是目前材料方面的瓶颈限制了它的发展，使其无法承担高强度的任务，或无法在恶劣的环境下工作。
2.2仿生扑翼飞行器的结构组成仿生扑翼飞行器的研究涉及到空气动力学、仿生学、微电子学材料科学、流体力学以及微致动器、微传感器、控制器、能源等领域 ,是一门多学科的综合课题 ,它的研制不仅仅是其自身问题的解决而且能够对相关技术领域的发展起到积极推动作用。
仿生扑翼飞行器研究尚处于起步阶段 ,处于不断的探索过程中。
扑翼驱动机构的设计 ,不能追求对于复杂机构的模仿 ,而应注意于用多个简单的机械元件完成复杂扑翼动作。
用机械装置去实现扑翼飞行的复杂运动模式具有极大的难度，但其本身并不是决定性的 ,关键在于人们应当去不断的尝试与探讨。
3仿生扑翼飞行器的原理和设计3.1飞行器的飞行原理传统飞行器大致可分为三类：一类是根据牛顿第二定律，即作用力与反作用力定律，获得空气的反作用力进行飞行的，包括各类固定、旋转、扑翼飞行器；第二类是阿基米德原理，获取空气的浮力进行飞行，如各类飞艇，热气球；第三类是根据动量守恒定理飞行的，如，火箭，宇宙飞船的飞行等。
由上可知扑翼飞行器的动力来源是空气对飞行器的反作用力。
从简单飞艇入手，飞行器的上升原因是因为空气对其竖直向上的推力大于其自身的重力。
要获得前进方向的运动必须还得有一个水平的推力，这样飞行器才能完成基本的飞行。
比如固定翼飞行器，一般由引擎提供水平的推力，机翼在高速气流的作用下产生升力，再如直升飞机，由引擎提供升力，螺旋桨与水平面的夹角产生的分力作为推力。
综上所述，扑翼飞行器必须能同时获得空气对其在水平和竖直方向上的足够的反作用力，即升力和推力，才能完成简单飞行。
3.2对鸟类飞行的分析尽管人类对飞行器的研究有了辉煌的成就，但是鸟类仍是地球上最棒的‘飞行器’。
这里以鸽子作为研究对象。
鸽子可以在前进方向上以任何角度飞行，还可以从容的变化飞行姿势，随时转弯，随意的起飞降落，同时飞行动作可以清楚的观察。
鸽子的飞行主要归功于它灵活有力的翅膀和尾翼。
下面我们将试着简单的说明一下鸽子的飞行原理。
根据前面的飞行原理，鸽子的翅膀必须能产生竖直向上的升力和水平的推力（这两个力不一定是严格的水平和竖直）。
图3-1鸽子骨骼图升力的产生：在这里我们先假设空气是静止的。
鸽子的翅膀可以围绕身体作一定角度的摆动，向下摆动时翅膀展开，向上摆动时翅膀折叠成到V形，而且往返摆动的时间不相等（这个有待验证）。
由于翅膀上下摆动时受力面积不同，从而导致翅膀上下摆动时的受力大小不同，向下摆动时空气对翅膀的反作用力F1（竖直向上）大于向上摆动时空气对翅膀的反作用力F2（竖直向下），当F1>G时，产生向上的升力连续的飞行动作是一个循环的过程，循环单元就是翅膀做一次上下摆动，向上摆动记作T1，向下摆动记作T2。
在t1时，产生向上的速度v，在t2时，f2和g会产生向下加速度，使v减小，鸽子减速上升直到速度为零，再下降，如果在没有降到初始位置前下一个循环开始，那么鸽子就可以在宏观上产生竖直向上的运动。
推力的产生：水平推力是由气流方向对翅膀反作用力的水平分量提供的。
若以向右为飞行前进方向，则当翅膀下摆时，翅膀截面与水平面呈一个锐角，翅膀上摆时，翅膀截面与水平面呈一个钝角，两种情况对应的空气反作用力方向相反，但都会产生一个与前进方向相同的推力，鸽子在水平方向前进。
鸽子的翅膀由骨架、肌肉、皮肤和羽毛组成。
骨架较硬，肌肉羽毛相对有弹性。
这是由于肌肉羽毛的弹性，使翅膀在摆动的时候翅膀的后沿一只跟随着前沿运动并一直滞后于前沿，因此翅膀截面会在翅膀上下摆动时与水平面的夹角产生近似互为余角的变化。
转向原理：鸽子的转向种类很复杂，根据日常生活的观察，有大半径转向、小半径转向、在滑翔中转向，在飞行中转向。
这些转向都依靠翅膀的不对称摆动、尾翼转动和展合以及躯干扭动的相互配合而实现的，鸽子具体是如何通过控制这些器官来实现转向，这个过程复杂我们也无法解释，但可以抓住主要因素，从原理上简单的进行分析。
我认为鸽子的转向主要依靠翅膀的不对称摆动实现。
按性质可分为动力转向和阻力转向。
动力转向：翅膀的不对称摆动可以为飞行提供不对称的动力和阻力，假设鸽子在水平面飞行，空气相对静止，如果两侧翅膀提供的推力不同，就会使两侧翅膀上产生的速度不同，从原理上说翅膀提供了一个与鸽子前进方向有一定夹角的力，我们知道如果物体受力的方向与运动的方向不共线，那么该物体就会作曲线运动，因此鸽子会转向阻力转向：如果鸽子在滑翔中控制翅膀的形状，使翅膀左右的阻力不相等，那么就会产生一个和前进方向不共线的阻力，也会使鸽子转向。