撲翼機結構設計及運動仿真

馬程 熊曉松 吳昊 王世文

摘? 要 撲翼飛行器可以通過對鳥類或昆蟲飛行動作的模仿實現飛行。設計從生物學的視角出發，對鳥類在飛行過程中翅膀的動作進行分解總結。闡述仿生撲翼飛行器所需要實現的基礎要求，設計出一種合理可靠的二段折翼式仿生撲翼飛行器驅動機構。使用Pro/E對設計出的驅動機構進行三維實體建模，通過運動仿真功能對驅動機構進行驗證。結果表明，設計的驅動機構符合設計要求，具有可行性。設計為仿生撲翼飛行器的設計研制以及實體樣機制造提供了理論依據。

關鍵詞 仿生撲翼飛行器;驅動機構;建模;仿真;Pro/E

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

仿生撲翼飛行器的研究一直是飛行器領域的熱點，各種樣式的仿生撲翼飛行器能夠模仿自然界中各種鳥類或昆蟲在空中飛行的動作，完成人們設置好的各種任務。仿生撲翼飛行器在飛行過程中易升降，這一優點與旋翼飛行器類似，并且在空中飛行的速度十分快，載物能力強，可以與固定翼飛行器平分秋色。不僅僅是這樣，仿生撲翼飛行器因為其獨特的仿生學原理，還具有極佳的隱蔽性和極其出眾的機動性，并且擁有十分獨特的空氣動力學特性，尤其是在低雷諾數下擁有極其出色的飛行能力。種種優勢使得撲翼機無論是在民用還是軍事領域，都擁有廣泛的應用前景。

2 鳥類撲翼飛行機理研究

鳥類的翅膀各不相同，各有各的特點，但是在大體上是一致的。鳥類翅膀的典型結構如圖1所示，翅膀整體由三部分組成，即骨骼、肌肉以及羽毛。本文中所設計的仿生撲翼飛行器的撲翼驅動機構其實也就是用機械結構來代替鳥的骨骼與肌肉，做出相似的撲翼動作。自然界中大部分鳥類的飛行動作都是周期性運動，一個周期則可以細分為四個階段[1-6]。

1）向下撲動階段：翅膀的一段翼與二段翼保持在同一平面，由身體上方向下方扇動，如圖2（1～7）所示。

2）翅膀折疊階段：向下撲動階段結束，一段翼基本不

動，二段翼向下折疊，與一段翼形成一定的角度，通過減少翼展的長度，達到收縮在水平面上的投影面積，為向上撲動階段做好準備，如圖2（8～11）所示。

3）向上撲動階段：在翅膀折疊完成后，以較小的受力面積開始由下向上撲動，減少所受到的阻力，但是該階段只是一段翼向上抬起，二段翼仍處于折疊狀態而基本不動，如圖2（12～13）所示。

4）翅膀平展階段：當一段翼抬升到最高處時，二段翼快速向上平展，與一段翼再次處于同一平面內，為下一周期的向下撲動做好準備，如圖2（14）所示。

由圖2可以看出，在鳥類的撲翼周期中最重要的時間階段便是向下撲動階段，通常鳥下撲段時間占整個周期的60%～80%，鳥類飛行所需的升力主要也是由該階段產生。而向上撲動階段與向下撲動階段相比，時間則是明顯縮短很多，因為向上撲動階段只是為了能夠進入下一周期而進行的一個被動復位的過程。因此，鳥類為了減少向上撲動階段所受到的阻力，就縮短了向上撲動階段的時間。

3 撲翼驅動機構設計

撲翼驅動機構應滿足的條件

1）在設計方向選擇上，該驅動機構應該采用曲柄搖桿機構。雖然與曲柄搖桿機構類似的還有曲柄滑塊機構或者凸輪彈簧機構，這三者都能夠通過轉動副、移動副之間的運動轉化得到所需要的撲翼運動，但是在運動過程中，曲柄搖桿機構的摩擦損耗是這三個機構中最小的，并且傳動效率也是最高的。

2）驅動機構是仿生撲翼飛行器組成機構中最重的一部分，所以驅動機構應該關于中心軸線對稱，這樣才能保證重心處于中心線上，仿生撲翼飛行器在飛行過程中才能保持穩定。

3）所設計的曲柄搖桿機構中用到的桿件應盡可能少，這樣可以極大地減輕仿生撲翼飛行器自身的重量。

4）該機構需要能夠實現設想的與鳥類相似的二段折翼式撲翼運動。下撲時，飛鳥的主羽完全展開，翼展和受力面積達到最大，從而升力也達到最大，提供了整個撲動周期的大部分升力。上撲時，飛鳥翅膀前端關節彎曲、收攏，減小上撲的阻力。

5）研究得知，鳥類的撲翼運動向上撲動時間比向下撲動時間要短，也就是說設計的驅動機構也需要擁有急回特性，實現向下撲動時間比向上撲動時間要短的目的。

連桿機構原理圖? 初步設計出一種曲柄搖桿機構，如圖3所示。其中，桿1為曲柄，桿2為連桿，桿3與桿4則是搖桿。桿1旋轉帶動桿2做角度變換的上下往復運動;桿2在y軸上的位移帶動桿3、桿4組合成的一段翼做上下撲動;并且桿2、桿3、桿4、桿5形成一個平行四邊形，桿2角度的變換帶動桿3、桿4做周期性的平行交錯運動，以此帶動桿5與桿2做平行運動。同理，最后再由桿5帶動二段翼桿7進行折疊撲動。需要解釋的是，桿6、桿fe、桿de看似多余，沒有它們，也能完成折疊撲翼運動，但該處設計其實是利用四邊形的不穩定性，防止桿5與桿7之間在運動過程中出現卡制的現象。可以看出，該機構初步實現了前文要求——曲柄搖桿機構、對稱、周期性折疊撲動[7]。

4 三維建模與運動仿真

三維建模? 依據已有重要零部件尺寸配合合理化布局設計，利用Pro/E設計軟件進行三維建模，得到初步模型，如圖4所示。對該模型進行運動仿真，觀察發現存在一些問題。

在1處的連桿，即圖3中的桿ef無意義，不起任何作用，與本設計輕巧簡便的設計要求相違背。在1處構成圖3中四邊形defg的四根連桿過于靈活，使二段翼即使在主齒輪不轉動的情況下也可以獨立運動，影響機構運動動作的穩定。

在2處，一段翼與二段翼在向上撲動階段折疊現象不明顯，而在向下撲動階段，一段翼與二段翼展平過度，甚至出現反向折疊現象。

在3處，即圖3中的bc桿距離稍短，導致一段翼兩連桿之間距離過近，在運動過程中有發生干涉的危險。

模型改良? 發現問題后，經過一系列改進，最終得到機構最終的三維模型。如圖5所示，在設計上主要進行了如下幾點改良：

1）去除圖4中1處的連桿，使機構變得更為簡潔;

2）二段翼長度不變，但縮短了其分支支撐桿的長度，使運動過程中折疊翼動作幅度更明顯;

3）將圖3中bd與de桿合并成為一根桿，這樣在使四邊形degf仍然發揮防卡死作用的同時，機構二段翼運動動作更穩定;

4）令圖3中的ac桿的bc段繞b點旋轉15°，在ac長度不變的前提下增加bc長度，同時增加dg長度，不僅防止了一段翼兩平行桿bd、cg之間發生運動干涉，ab、bc之間的角度也一定程度上增加了機構運動過程中折疊翼動作的幅度。

運動仿真? 對已經建立好的機構模型進行運動仿真，觀察其運動狀態。首先在白色主齒輪上加載一個電機，通過虛擬電機，為便于觀察與計算，使該機構的撲動頻率為1 Hz。

在觀察過后發現，該機構運行流暢，無運動干涉發生，并且機構能夠較好地成功模仿鳥類飛行動作的四個階段，如圖6（a～d）所示。

通過運動仿真，成功測量出圖3中關鍵點g點的速度、時間以及在y軸方向上的位移函數圖像，如圖7所示。從圖中可以看出，機構模型向下撲動用時為0.58秒，而向上撲動時間為0.42秒，說明該機構滿足當初設計要求的具有急回特性，并且與鳥類在飛行過程中翅膀向下撲動所用時間比向上撲動所用時間要長的飛行特征相符合。

5 結論

撲翼機的結構設計基礎源自仿生學原理，是一種模仿各類飛行生物的飛行動作來實現飛行的新式飛行裝置。通過對鳥類翅膀結構、飛行動作、身體以及運動參數進行系統化分析，成功設計二段折翼式撲翼機驅動機構，并對該機構進行建模改良。通過運動仿真，證實該驅動機構能夠成功模仿鳥類撲翼飛行動作，與鳥類飛行特征相符合，驅動機構具有可行性。■

參考文獻

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[6]彭躍林.微小撲翼飛行器機翼及機構模型的設計與實驗研究[D].西安：西北工業大學，2003.

[7]楊永剛，謝友增.仿生撲翼機構設計及仿真分析[J].機床與液壓，2015（1）：160-163.