基于撲翼式飛行器機(jī)構(gòu)的研究

燕居懷，紀(jì)培國

（威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東 威海264300）

0 引言

目前飛行器飛行方式有固定翼、旋翼和撲翼三種飛行類型，其中撲翼飛行是自然界飛行生物采用的飛行方式，也是三種飛行方式中最完美的飛行方式。通過觀察大自然飛行生物的飛行姿態(tài)，可以看出撲翼飛行主要利用雙翅的上下?lián)鋭?dòng)產(chǎn)生升力和推力[1]，這種飛行方式具有飛行靈活、飛行效率高，無需起飛和降落跑道等特點(diǎn)。

仿生撲翼飛行器主要通過觀察大自然中飛行生物的飛行姿態(tài)而設(shè)計(jì)的一種飛行器，由于其飛行非常靜音、可微型化，且外觀非常像鳥類，因此在軍事領(lǐng)域得到廣泛的研究及應(yīng)用[2]，在民用方面可用來檢測環(huán)境等，所以研究撲翼飛行器機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是近年來的熱點(diǎn)。本文通過對鳥類骨骼以及四種傳統(tǒng)撲翼式飛行器機(jī)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)出一可以模仿鳥類飛行時(shí)復(fù)雜撲翼運(yùn)動(dòng)的飛行器。

1 傳統(tǒng)撲翼機(jī)構(gòu)分析

目前常用的撲翼機(jī)構(gòu)有四種，第一種單曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二種雙曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，第三種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，第四種凸輪彈簧機(jī)構(gòu)。

1.1 曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)是結(jié)構(gòu)最簡單的一種撲翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1所示，因此它的運(yùn)功桿件最少，所以傳動(dòng)零件尺寸最小，整體質(zhì)量最輕，目前很多單自由度的微型仿生撲翼機(jī)都采用這樣的機(jī)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)兩側(cè)均有一套曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，但是這兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)共用一個(gè)曲柄，因此這個(gè)曲柄驅(qū)動(dòng)兩側(cè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作撲動(dòng)動(dòng)作時(shí)會(huì)導(dǎo)致左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)不對稱，易導(dǎo)致飛行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，增加飛行控制難度。

圖1 單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)

1.2 雙曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖2所示，雙曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱，兩側(cè)搖桿可形成對稱運(yùn)動(dòng)，與單曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比增強(qiáng)了撲翼運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，但是該機(jī)構(gòu)并不能使連桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

圖2 雙曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

如圖3所示，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)曲柄使滑塊沿導(dǎo)桿上下運(yùn)動(dòng)，滑塊帶動(dòng)兩側(cè)連桿實(shí)現(xiàn)上下?lián)鋭?dòng)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)：滑塊摩擦大、效率不高。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

1.4 凸輪彈簧機(jī)構(gòu)

如圖4所示，在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)下以及彈簧彈力作用下，推動(dòng)底板上下運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)搖桿均隨著頂板作上下?lián)鋭?dòng)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是只需設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線，就可實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，難以微小化，并且能量損失多，效率不高。

圖4 凸輪彈簧機(jī)構(gòu)

2 雙曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)始終是制約撲翼飛行器發(fā)展的核心問題。目前應(yīng)用最廣的撲翼機(jī)構(gòu)是單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)，但是由于單曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)撲翼運(yùn)動(dòng)的不對稱性，從而影響撲翼運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，以及雙曲柄雙搖桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然撲翼運(yùn)動(dòng)對稱，但是只能簡單的做上下?lián)鋭?dòng)動(dòng)作，而鳥類飛行翅膀還伴隨著扭轉(zhuǎn)動(dòng)作，基于以上原因，盡管撲翼式飛行是最完美的飛行方式，但是至今還未普及應(yīng)用。

本文針對撲翼運(yùn)動(dòng)不對稱和撲翼不能扭轉(zhuǎn)兩個(gè)問題，在雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使得撲翼在撲動(dòng)時(shí)能夠扭轉(zhuǎn)，該設(shè)計(jì)能夠扭轉(zhuǎn)機(jī)翼翼面，從而可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)俯仰或扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

本論文采用雙曲柄雙搖桿為撲動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖5所示為撲動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型，撲翼采用多級連桿機(jī)構(gòu)如圖6所示，便于機(jī)翼折疊和展開；撲翼通過兩個(gè)微型舵機(jī)實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，撲翼扭轉(zhuǎn)前機(jī)構(gòu)如圖7所示，通過微型舵機(jī)控制帶動(dòng)翼?xiàng)U轉(zhuǎn)動(dòng)使翼翅扭轉(zhuǎn)一定的角度，扭轉(zhuǎn)后如圖8所示，以此扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。并且翅翼形狀采用上凸下凹形式如圖9所示，這樣可以有效減小撲翼上撲時(shí)的阻力，以及增大下?lián)鋾r(shí)的升力。

圖5 撲動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖6 撲翼連桿機(jī)構(gòu)

圖7 撲翼扭轉(zhuǎn)前機(jī)構(gòu)

圖8 撲翼扭轉(zhuǎn)后機(jī)構(gòu)

圖9 翅翼外觀

具體實(shí)施方式：直流無刷電機(jī)輸出的動(dòng)力通過小齒輪帶動(dòng)大齒輪，大齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸同時(shí)帶動(dòng)中齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)中齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)中齒輪帶動(dòng)連桿上的偏心輪做圓周運(yùn)動(dòng)，從而使得撲翼連桿作上下?lián)鋭?dòng)動(dòng)作。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，左右機(jī)翼上下?lián)鋭?dòng)頻率和撲動(dòng)幅度大小時(shí)刻保持一致，受到空氣作用力一樣為穩(wěn)定飛行減少了控制難度。該機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一種平面機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)，調(diào)整方便，重量可控。左右機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)是通過兩側(cè)的微型舵機(jī)帶動(dòng)翅翼發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的[3]。

3 結(jié)論

本文是在傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一款機(jī)翼可扭轉(zhuǎn)的撲翼飛行器，機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)是通過微型舵機(jī)控制的。由于本文只是在傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)上增加了一個(gè)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并未在具體數(shù)據(jù)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此可在以后的研究中可進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。并且撲翼采用多級連桿機(jī)構(gòu)，可使撲翼飛行器在復(fù)雜空間中便于扭轉(zhuǎn)、折疊和展開。而翅翼形狀采用上凸下凹形式，這樣可以有效減小撲翼上撲時(shí)的阻力，以及增大下?lián)鋾r(shí)的升力，可提高撲翼飛行器飛行效率。