仿生機(jī)構(gòu)的分類及其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介(編輯修改稿)
2025-07-13 00:24 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 示為電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的仿昆飛行機(jī)器人 [2]。圖示結(jié)構(gòu)中，板 A、B、C構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)翅無摩擦運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)，板 B、板 C 與板 A 上分別涂有相反磁性的磁層，翅膀上的灰色彈性薄膜是控制翅下拍時(shí)打開，上拍時(shí)閉合。在電磁場(chǎng)的作用下，板 B 和板 C 朝著與板 A 運(yùn)動(dòng)方向相反的方法運(yùn)動(dòng)，使得翅膀上下拍動(dòng)。21 仿昆蟲飛行機(jī)器人加州大學(xué)和 AeroViormnent 公司及加州洛杉磯大學(xué)共同研制了微型撲翼飛行器，名為“Micrboat”，如圖所示。該微型飛行器的研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)研究了撲翼飛行方式的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性，并制作了一種輕型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將微電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)翼的煽動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，該飛行器的機(jī)翼能以 20Hz 的頻率煽動(dòng)，采用 NidcN50 電池作為動(dòng)力源，并在非控制條件下進(jìn)行了 18 秒、46 米遠(yuǎn)的飛行實(shí)驗(yàn)。這也是迄今為止文獻(xiàn)公開報(bào)道的、有技術(shù)細(xì)節(jié)的、可以持續(xù)飛行的微型仿生撲翼機(jī)器人。美國(guó)加州大學(xué)還計(jì)劃在 2022 年研制出翼展 5~10，重 46mg，180HZ 壓電石英驅(qū)動(dòng)的四翼“ 機(jī)器蒼蠅 ”，又稱“黑寡婦”，如圖 22 所示。美國(guó)斯坦福研究中心(S 班) 和多倫多大學(xué)在 DARPA 的資助下，設(shè)計(jì)了多種撲翼微型飛行器模型，圖 22 所示為他們共同研究的一種撲翼微型飛行器“Menot，1r38]”，它有 4 片由“人工肌肉”驅(qū)動(dòng)的撲動(dòng)機(jī)翼和用來保持穩(wěn)定的尾翼，整個(gè)飛行器約 30 厘米，重不到住 5 千克，并在 2022 年 2 月成為世界上第一架成功懸浮空中的微型撲翼飛行器。研制人員希望能夠把它縮小至蜂鳥大小，這樣它就可以被用于監(jiān)視工作了。此外，DARPA 也資助了基于彈性動(dòng)力和熱動(dòng)力的撲翼飛行器研究工作，另外幾種類型的微撲翼飛行機(jī)構(gòu)也正在研制并取得了一定的成功。22 蒼蠅機(jī)構(gòu)想象圖 撲翼三維運(yùn)動(dòng)的新型撲翼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介現(xiàn)有的微型撲翼飛行器機(jī)構(gòu)均是一維撲動(dòng)形態(tài)， 如圖23 所示。曲柄OA 旋轉(zhuǎn)，通過連桿A B ， A B ’帶動(dòng)兩翼上下?lián)鋭?dòng)。翼撲動(dòng)時(shí)為產(chǎn)生升力和推力， 只能依靠翼的柔性變形來實(shí)現(xiàn)翼弦的被動(dòng)俯仰?！ 榱耸挂碜鲋鲃?dòng)俯仰，實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，一種能實(shí)現(xiàn)8字形或香蕉形運(yùn)動(dòng)軌跡的常用桿機(jī)構(gòu)，如梯形機(jī)構(gòu)和逆平行四邊形機(jī)構(gòu)，其連桿中點(diǎn)的軌跡能滿足要求， 但此類機(jī)構(gòu)為非格拉斯霍夫(Non2Grashof) 機(jī)構(gòu)，均有傳動(dòng)死點(diǎn)，出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)問題；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的連桿曲線譜可以找到近似8 字形或香蕉形，考慮到距離連桿鉸鏈點(diǎn)較遠(yuǎn),影響傳動(dòng)性能和機(jī)構(gòu)總體尺寸。上述機(jī)構(gòu)均不適宜用作微型飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本文研究出一個(gè)實(shí)現(xiàn)翼尖8 字形運(yùn)動(dòng)、且能使撲翼能繞展向軸線扭轉(zhuǎn)的七桿八鉸鏈機(jī)構(gòu)，如圖23所示。該機(jī)構(gòu)在一個(gè)5 桿6 鉸鏈機(jī)構(gòu)A 2B2C2D 2E 2G2A 的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成原理，在 C點(diǎn)和機(jī)架上增加一個(gè)RRR 二級(jí)桿組 C2F 2G 組，撲翼與CF 桿連接。 5 桿機(jī)構(gòu)在C鉸鏈點(diǎn)可產(chǎn)生8字形或香蕉形軌跡，在GF 和FC 帶動(dòng)下，使翼產(chǎn)生弦向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于該機(jī)構(gòu)的自由度為2，可利用齒輪機(jī)構(gòu)或帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將兩個(gè)曲柄A B 和D E 聯(lián)系起來。前已敘述，產(chǎn)生8 字形的運(yùn)動(dòng)是由上下和前后兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成。當(dāng)前后運(yùn)動(dòng)循環(huán)周期是上下運(yùn)動(dòng)的2 倍時(shí)(A B 至D E 的傳動(dòng)比為 2) ，產(chǎn)生8 字形軌跡；若兩者周期相同( A B 至D E 的傳動(dòng)比為1)，則產(chǎn)生香蕉形運(yùn)動(dòng)軌跡。撲翼的俯仰運(yùn)動(dòng)由CF 桿的角位置實(shí)現(xiàn)。利用圖24 機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出三維運(yùn)動(dòng)撲翼微型飛行器運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖25所示 [3]。短軸Q 1，Q 2 與CF 桿固聯(lián)，兩翼與短軸分別在Q 1，Q 2 組成球銷副，可保證兩翼隨CF 桿作俯仰運(yùn)動(dòng)； 機(jī)翼與機(jī)架分別在R 1，R 2 處組成滑球副，可
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