扑翼机结构设计及运动仿真

    马程 熊晓松 吴昊 王世文

    

    

    

    摘? 要 扑翼飞行器可以通过对鸟类或昆虫飞行动作的模仿实现飞行。设计从生物学的视角出发，对鸟类在飞行过程中翅膀的动作进行分解总结。阐述仿生扑翼飞行器所需要实现的基础要求，设计出一种合理可靠的二段折翼式仿生扑翼飞行器驱动机构。使用Pro/E对设计出的驱动机构进行三维实体建模，通过运动仿真功能对驱动机构进行验证。结果表明，设计的驱动机构符合设计要求，具有可行性。设计为仿生扑翼飞行器的设计研制以及实体样机制造提供了理论依据。

    关键词 仿生扑翼飞行器;驱动机构;建模;仿真;Pro/E

    中图分类号：G642.0? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）14-0027-03

    Structure Design and Motion Simulation Analysis of Bionic Flapping-wing Aircraft//MA Cheng， XIONG Xiaosong， WU Hao， WANG Shiwen

    Abstract Bionic flapping-wing aircraft is a flying tool that can be

    imitating the flight movements of flying organisms such as birds or

    insects. From the perspective of biology， the structural characteristics

    of bird wings were analyzed in detail， and the movement of wings

    during flight was decomposed and summarized. Based on several basic requirements for it， a reasonable and reliable driving mecha-nism of two-stage folding-wing bionic flapping-wing aircraft was designed. By using the 3D design software Pro/E， the 3D solid model

    of the designed drive mechanism was built and feasible. It has been provided some theoretical basis for the design and manufacture of mechanism.

    Key words desks bionic flapping-wing aircraft; driving mechanism; modeling; simulation; Pro/E

    1 前言

    仿生撲翼飞行器的研究一直是飞行器领域的热点，各种样式的仿生扑翼飞行器能够模仿自然界中各种鸟类或昆虫在空中飞行的动作，完成人们设置好的各种任务。仿生扑翼飞行器在飞行过程中易升降，这一优点与旋翼飞行器类似，并且在空中飞行的速度十分快，载物能力强，可以与固定翼飞行器平分秋色。不仅仅是这样，仿生扑翼飞行器因为其独特的仿生学原理，还具有极佳的隐蔽性和极其出众的机动性，并且拥有十分独特的空气动力学特性，尤其是在低雷诺数下拥有极其出色的飞行能力。种种优势使得扑翼机无论是在民用还是军事领域，都拥有广泛的应用前景。

    2 鸟类扑翼飞行机理研究

    鸟类的翅膀各不相同，各有各的特点，但是在大体上是一致的。鸟类翅膀的典型结构如图1所示，翅膀整体由三部分组成，即骨骼、肌肉以及羽毛。本文中所设计的仿生扑翼飞行器的扑翼驱动机构其实也就是用机械结构来代替鸟的骨骼与肌肉，做出相似的扑翼动作。自然界中大部分鸟类的飞行动作都是周期性运动，一个周期则可以细分为四个阶段[1-6]。

    1）向下扑动阶段：翅膀的一段翼与二段翼保持在同一平面，由身体上方向下方扇动，如图2（1～7）所示。

    2）翅膀折叠阶段：向下扑动阶段结束，一段翼基本不

    动，二段翼向下折叠，与一段翼形成一定的角度，通过减少翼展的长度，达到收缩在水平面上的投影面积，为向上扑动阶段做好准备，如图2（8～11）所示。

    3）向上扑动阶段：在翅膀折叠完成后，以较小的受力面积开始由下向上扑动，减少所受到的阻力，但是该阶段只是一段翼向上抬起，二段翼仍处于折叠状态而基本不动，如图2（12～13）所示。

    4）翅膀平展阶段：当一段翼抬升到最高处时，二段翼快速向上平展，与一段翼再次处于同一平面内，为下一周期的向下扑动做好准备，如图2（14）所示。

    由图2可以看出，在鸟类的扑翼周期中最重要的时间阶段便是向下扑动阶段，通常鸟下扑段时间占整个周期的60%～80%，鸟类飞行所需的升力主要也是由该阶段产生。而向上扑动阶段与向下扑动阶段相比，时间则是明显缩短很多，因为向上扑动阶段只是为了能够进入下一周期而进行的一个被动复位的过程。因此，鸟类为了减少向上扑动阶段所受到的阻力，就缩短了向上扑动阶段的时间。

    3 扑翼驱动机构设计

    扑翼驱动机构应满足的条件

    1）在设计方向选择上，该驱动机构应该采用曲柄摇杆机构。虽然与曲柄摇杆机构类似的还有曲柄滑块机构或者凸轮弹簧机构，这三者都能够通过转动副、移动副之间的运动转化得到所需要的扑翼运动，但是在运动过程中，曲柄摇杆机构的摩擦损耗是这三个机构中最小的，并且传动效率也是最高的。

    2）驱动机构是仿生扑翼飞行器组成机构中最重的一部分，所以驱动机构应该关于中心轴线对称，这样才能保证重心处于中心线上，仿生扑翼飞行器在飞行过程中才能保持稳定。

    3）所设计的曲柄摇杆机构中用到的杆件应尽可能少，这样可以极大地减轻仿生扑翼飞行器自身的重量。

    4）该机构需要能够实现设想的与鸟类相似的二段折翼式扑翼运动。下扑时，飞鸟的主羽完全展开，翼展和受力面积达到最大，从而升力也达到最大，提供了整个扑动周期的大部分升力。上扑时，飞鸟翅膀前端关节弯曲、收拢，减小上扑的阻力。

    5）研究得知，鸟类的扑翼运动向上扑动时间比向下扑动时间要短，也就是说设计的驱动机构也需要拥有急回特性，实现向下扑动时间比向上扑动时间要短的目的。

    连杆机构原理图? 初步设计出一种曲柄摇杆机构，如图3所示。其中，杆1为曲柄，杆2为连杆，杆3与杆4则是摇杆。杆1旋转带动杆2做角度变换的上下往复运动;杆2在y轴上的位移带动杆3、杆4组合成的一段翼做上下扑动;并且杆2、杆3、杆4、杆5形成一个平行四边形，杆2角度的变换带动杆3、杆4做周期性的平行交错运动，以此带动杆5与杆2做平行运动。同理，最后再由杆5带动二段翼杆7进行折叠扑动。需要解释的是，杆6、杆fe、杆de看似多余，没有它们，也能完成折叠扑翼运动，但该处设计其实是利用四边形的不稳定性，防止杆5与杆7之间在运动过程中出现卡制的现象。可以看出，该机构初步实现了前文要求——曲柄摇杆机构、对称、周期性折叠扑动[7]。

    4 三维建模与运动仿真

    三维建模? 依据已有重要零部件尺寸配合合理化布局设计，利用Pro/E设计软件进行三维建模，得到初步模型，如图4所示。对该模型进行运动仿真，观察发现存在一些问题。

    在1处的连杆，即图3中的杆ef无意义，不起任何作用，与本设计轻巧简便的设计要求相违背。在1处构成图3中四边形defg的四根连杆过于灵活，使二段翼即使在主齿轮不转动的情况下也可以独立運动，影响机构运动动作的稳定。

    在2处，一段翼与二段翼在向上扑动阶段折叠现象不明显，而在向下扑动阶段，一段翼与二段翼展平过度，甚至出现反向折叠现象。

    在3处，即图3中的bc杆距离稍短，导致一段翼两连杆之间距离过近，在运动过程中有发生干涉的危险。

    模型改良? 发现问题后，经过一系列改进，最终得到机构最终的三维模型。如图5所示，在设计上主要进行了如下几点改良：

    1）去除图4中1处的连杆，使机构变得更为简洁;

    2）二段翼长度不变，但缩短了其分支支撑杆的长度，使运动过程中折叠翼动作幅度更明显;

    3）将图3中bd与de杆合并成为一根杆，这样在使四边形degf仍然发挥防卡死作用的同时，机构二段翼运动动作更稳定;

    4）令图3中的ac杆的bc段绕b点旋转15°，在ac长度不变的前提下增加bc长度，同时增加dg长度，不仅防止了一段翼两平行杆bd、cg之间发生运动干涉，ab、bc之间的角度也一定程度上增加了机构运动过程中折叠翼动作的幅度。

    运动仿真? 对已经建立好的机构模型进行运动仿真，观察其运动状态。首先在白色主齿轮上加载一个电机，通过虚拟电机，为便于观察与计算，使该机构的扑动频率为1 Hz。

    在观察过后发现，该机构运行流畅，无运动干涉发生，并且机构能够较好地成功模仿鸟类飞行动作的四个阶段，如图6（a～d）所示。

    通过运动仿真，成功测量出图3中关键点g点的速度、时间以及在y轴方向上的位移函数图像，如图7所示。从图中可以看出，机构模型向下扑动用时为0.58秒，而向上扑动时间为0.42秒，说明该机构满足当初设计要求的具有急回特性，并且与鸟类在飞行过程中翅膀向下扑动所用时间比向上扑动所用时间要长的飞行特征相符合。

    5 结论

    扑翼机的结构设计基础源自仿生学原理，是一种模仿各类飞行生物的飞行动作来实现飞行的新式飞行装置。通过对鸟类翅膀结构、飞行动作、身体以及运动参数进行系统化分析，成功设计二段折翼式扑翼机驱动机构，并对该机构进行建模改良。通过运动仿真，证实该驱动机构能够成功模仿鸟类扑翼飞行动作，与鸟类飞行特征相符合，驱动机构具有可行性。■

    参考文献

    [1]陈文元，张卫平.微型扑翼式仿生飞行器[M].上海：上海交通大学出版社，2010.

    [2]Keennon M， Klingebiel K， Won H. Development of the

    Nano Humming Bird： A Tailless Flapping Wing Air Vehi-

    cle[M].The 50th AIAA Aerospace Science Meeting Inclu-

    ding the New Horizons Forum and Aerospace Explosion，

    2012：1-24.

    [3]端义霞.仿生扑翼飞行机器人的动力特性与驱动机构研究[D].江苏：扬州大学，2008.

    [4]刘岚.微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

    [5]张明伟，方宗德，周凯.微扑翼飞行器的仿生结构研究[J].机床与液压，2007（6）：1-3，10.

    [6]彭跃林.微小扑翼飞行器机翼及机构模型的设计与实验研究[D].西安：西北工业大学，2003.

    [7]杨永刚，谢友增.仿生扑翼机构设计及仿真分析[J].机床与液压，2015（1）：160-163.