【正文】 輕質(zhì)的材料制作其骨架和蒙皮即可，而且當(dāng)今撲翼機(jī)器人的設(shè)計和制作中也主要采用近似模仿的形式進(jìn)行。本文與很多參考文獻(xiàn)的不同之處在于，在撲翼的設(shè)計過程中，不僅僅模仿了撲翼的撲動情況，還在周向添加了航模舵機(jī)，用于模擬撲翼撲動過程中撲翼姿態(tài)的變化過程。在實際的制作和控制過程中，撲翼姿態(tài)的調(diào)節(jié)和撲翼的撲動是同步的，不同的撲動環(huán)節(jié)，撲翼的姿態(tài)也不相同，兩者是相對應(yīng)的，只需一塊控制電路對兩者產(chǎn)生同步的控制即可實現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)工作。四桿機(jī)構(gòu)的搖桿和撲翼末端組成了撲翼機(jī)器人的翅膀，在兩者之間加入一個彈性合適的彈簧，在上撲的過程中，彈簧壓縮，避免翅膀向下折疊；在下?lián)涞倪^程中，彈簧拉長，避免翅膀向上折疊。除此之外，這樣的彈簧機(jī)構(gòu)還可以模仿鳥類飛行過程中兩節(jié)翅膀的相對運動狀態(tài)，很好的進(jìn)行了撲翼的仿生。撲翼的proe模型如圖33所示。圖33 撲翼三維模型控制系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：遙控器、控制電子器件和舵機(jī)。遙控器主要是采購的已有的成品航模遙控器，不再進(jìn)行詳細(xì)說明和建模；控制電子器件由幾塊控制電路板組成，模型中采用一塊簡單的板材代替；舵機(jī)在控制系統(tǒng)的末端，負(fù)責(zé)控制運動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)頭部、尾翼和撲翼位姿的控制，在控制系統(tǒng)中起著重大的作用。建立舵機(jī)的簡易模型，內(nèi)部構(gòu)造不再進(jìn)行詳細(xì)的建模?？刂葡到y(tǒng)的模型如圖335所示。圖34 控制電路板圖35 舵機(jī)三維模型將上述部分中的機(jī)架和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組合起來，構(gòu)成撲翼機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)框架，如圖36所示。從整體結(jié)構(gòu)的三維模型中可以看出，此撲翼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊合理，比例和鳥類近似，能夠較好的模仿鳥類的身形。在后面的章節(jié)中，本文將對此撲翼機(jī)器人進(jìn)行運動仿真和應(yīng)變分析，以證明此機(jī)構(gòu)的合理性與可行性。圖36 撲翼機(jī)器人的總裝配圖7 機(jī)構(gòu)運動仿真分析利用Pro／E建立的微撲翼飛行器翅翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)組件模型。（注：建模時采用的國際標(biāo)準(zhǔn)—英尺，所有機(jī)構(gòu)的尺寸都乘以一個比值，但相對關(guān)系并不改變。）各桿的相對位置如圖37所示，其中各桿的長度分別為：、。圖37 各桿相對位置運用Pro／E對機(jī)構(gòu)運動仿真分析前，需要設(shè)置參數(shù)，過程如下：(a) 設(shè)置齒輪副通過點擊齒輪選項，對傳動比進(jìn)行設(shè)置，如圖所示。一共有三對齒輪副，傳動比分別為1/3；1/4；6/25，如圖38所示。圖38 齒輪副定義(b) 定義伺服電機(jī)通過點擊設(shè)置伺服電機(jī)，如圖39所示。設(shè)電機(jī)在動態(tài)分析中作勻速運動，輸入速度的模A=13600 deg/sec (電機(jī)轉(zhuǎn)速為13600r/min=13600*360/60=81600(deg/sec)，此處取13600 deg/sec進(jìn)行仿真)，此伺服電機(jī)作用于電機(jī)轉(zhuǎn)軸和齒輪1上。圖39 定義伺服電機(jī)(c) 進(jìn)行運動仿真通過點擊設(shè)置伺服電機(jī)，如圖40所示。機(jī)構(gòu)運動過程可參看視頻“機(jī)構(gòu)運動仿真”。圖40 運動仿真(d) 測量CD桿頂點的位置變化通過點擊設(shè)置測量點與參數(shù)，如圖41所示。最終得到CD桿頂點的位置變化曲線如圖42所示。圖41 設(shè)定測量點與參數(shù)圖42 CD桿頂點的位置變化曲線(e) 畫出CD桿頂點的軌跡曲線選擇“插入”菜單里的“軌跡曲線”菜單，設(shè)置“軌跡曲線”對話框，如圖43所示。最終得到CD桿頂點的位置變化曲線如圖44所示。圖43 軌跡曲線設(shè)置圖44 CD桿頂點軌跡曲線結(jié)論：通過運動結(jié)果可以看出，此機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到設(shè)計的理想位置，運動機(jī)構(gòu)具有較好的位置定位能力，且具有較好的急回特性，搖桿的運動過程與鳥類飛行撲動翅膀的動作基本一致，再考慮到翅膀的柔性（彈簧的作用），此機(jī)構(gòu)可以較好的模仿?lián)湟頇C(jī)器人的飛行動作，下一步可以進(jìn)行樣機(jī)的試制和風(fēng)洞實驗與實際飛行實驗。8 撲翼受力分析當(dāng)撲翼機(jī)器人進(jìn)行勻速飛行時，此時撲翼產(chǎn)生的升力與重力是相等的，此時撲翼受力的大小等于撲翼機(jī)器人的自重。當(dāng)撲翼機(jī)器人加速飛行時，撲翼機(jī)器人有一定的加速度，此時撲動產(chǎn)生的升力要大于機(jī)器人的自重。實際撲翼機(jī)器人飛行的過程中，撲翼撲動時所受的空氣的反作用力是均布在撲翼的整個截面上的，平均壓強較小，對于設(shè)計分析過程，我們?nèi)O限情況，那就是撲翼所受的空氣的反作用里作為一個集中力作用在撲翼的搖桿CD上，在機(jī)構(gòu)運動的過程中，受力最大的位置上，CD桿相當(dāng)于一個懸臂梁，在懸臂梁的一端受到集中力的作用，下面我們將對懸臂梁受力的進(jìn)行靜力分析。分析撲翼機(jī)器人加速飛行時受力情況，CD桿的受力情況如圖45所示。圖45 CD桿受力示意圖其中參數(shù)為： (假設(shè)加速度為)橫截面積 使用ansys進(jìn)行分析，分析過程如下：1. 啟動 ANSYS。2. 創(chuàng)建基本模型，模型為一直線，模型如圖46所示。圖46 創(chuàng)建模型3. 設(shè)定分析模塊。選擇 Structural，如圖47所示。圖47 設(shè)定分析模塊4. 設(shè)定單元類型相應(yīng)選項。選擇BEAM3單元，如圖48所示。圖48 設(shè)定單元類型5. 定義實常數(shù)。AREA框中輸入8e6（橫截面積），在IZZ框中輸入 （慣性矩），在HEIGHT框中輸入4e3 （梁的高度），如圖49所示。圖49 定義實常數(shù)6. 定義材料屬性。在EX框中輸入70e6（彈性模量），如圖50所示。圖50 定義材料屬性7. 對幾何模型劃分網(wǎng)格。選擇 Mesh，拾取所畫的line，劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖51所示。圖51 劃分網(wǎng)格8. 施加載荷及約束。拾取最左邊的節(jié)點，選擇All DOF，拾取最右邊的節(jié)點，選擇 FY，在 ，如圖52所示。圖52 施加載荷及約束9. 進(jìn)行求解。Solution Solve Current LS，選擇 OK開始計算，當(dāng)出現(xiàn) “Solution is done!”提示后，選擇OK關(guān)閉此窗口。如圖53所示。圖53 進(jìn)行求解10. 進(jìn)入通用后處理讀取分析結(jié)果。General Postproc Read Results First Set11. 圖形顯示變形。General Postproc Plot Results Deformed Shape，在對話中選擇 deformed and undeformed。變形如圖54所示。圖54圖形顯示變形12. 列出反作用力。General Postproc List Results Reaction Solu，選擇 OK 列出所有項目，并關(guān)閉對話框，看完結(jié)果后，選擇File Close 關(guān)閉窗口，如圖55所示。圖55 列出反作用力13 退出ANSYS。結(jié)論：從CD桿的變形大小我們可以看出，在撲翼機(jī)器人以很大的加速度進(jìn)行加速飛行，且所受空氣作用力集中作用在D點處的極限狀態(tài)下，CD桿的變形較小、受力不大，所選的鋁合金材料完全可以滿足使用條件。在實際的撲翼機(jī)器人的運動過程中，撲翼的受力均布在整個撲翼的截面上，很少存在應(yīng)力的集中問題，因此可以得到撲翼機(jī)器人設(shè)計中的一個結(jié)論：首先考慮功能，再考慮指標(biāo)。這也就是說，在設(shè)計撲翼機(jī)器人的時候，我們應(yīng)該首先設(shè)計機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，使其滿足設(shè)計的運動要求，在滿足了運動設(shè)計要求之后，再對材料等的性能指標(biāo)進(jìn)行考慮和分析。結(jié) 論仿生微撲翼飛行器的研究是一門新興的前沿學(xué)科，綜合了諸多學(xué)科的技術(shù)。在仿生微撲翼飛行器的設(shè)計中，如何盡可能地模仿飛行生物的飛行行為將直接影響到仿生的效果。本文在理解國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的前提下，就仿鳥撲翼飛行器撲翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計、優(yōu)化、仿真和受力分析，本文的主要工作和創(chuàng)新點如下：（1）撲翼機(jī)器人的機(jī)構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計和選擇了撲翼機(jī)器人的驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)，并且在設(shè)計了結(jié)構(gòu)的前提下，建立了較為詳細(xì)的三維模型。（2）對四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最為合理的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸。（3）提出了較為新穎的運動方向控制策略和機(jī)構(gòu)，并對機(jī)構(gòu)的運動合成進(jìn)行了說明和解釋，這中機(jī)構(gòu)在今后的方向控制策略中將會非常實用。（4）裝配了三維模型，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動仿真，仿真的結(jié)果較為滿意，能夠較好的模仿鳥類拍打翅膀的動作，說明此機(jī)構(gòu)設(shè)計是合理的，可以進(jìn)行加工制造。（5）在撲翼翼型的設(shè)計中，本文提出了一中全新的結(jié)構(gòu)，那就是在兩節(jié)撲翼的中間采用一個簡易的彈簧進(jìn)行連接，采用彈簧連接較傳統(tǒng)的剛性固定具有很大的優(yōu)勢，它可以很好的模仿鳥類飛行過程中，兩節(jié)翅膀之間靠慣性的相對運動，同時又不使慣性的作用影響到翅膀最小的有效面積，使仿生翅真正做到柔性翅。很多文獻(xiàn)中已經(jīng)證明了柔性翅在飛行中對剛性翅具有明顯的優(yōu)勢，因此，這種機(jī)構(gòu)應(yīng)該得到大家的使用和發(fā)展。（6）本文提出了撲翼姿態(tài)的控制，這是大多數(shù)文獻(xiàn)中沒有涉及到的。鳥類在飛行過程中翅膀的姿態(tài)是不斷變化的，但是由于模仿姿態(tài)變化的復(fù)雜行，大多數(shù)撲翼機(jī)器人的設(shè)計中都沒有對撲翼的位姿進(jìn)行控制，本文提出了使用輕巧舵機(jī)對撲翼姿態(tài)進(jìn)行控制的思想，在撲翼機(jī)器人的發(fā)展過程中，這必將是今后仿生的重點，同時也是影響撲翼機(jī)器人性能好壞的重要因素。（7）最后，本文對受力較大的撲翼搖桿進(jìn)行了受力分析，得出鋁合金可以很好的滿足使用要求的結(jié)論，今后可以對其它材料進(jìn)行實驗，盡可能的減小機(jī)身重量。本文僅僅停留在研究階段，研究工作僅僅是一個開始。作者認(rèn)為下述相關(guān)問題有待于今后進(jìn)一步展開研究和相關(guān)的實驗分析：（1）建立完整的撲翼機(jī)器人三維模型，并把各個尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，對撲翼撲動與方向控制進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，使得兩者能夠良好的協(xié)調(diào)運動并能有效實現(xiàn)鳥類的飛行動作。（2）優(yōu)化設(shè)計撲翼機(jī)器人的外形，并對外形進(jìn)行流體動力學(xué)分析，得到合理的外形尺寸，從而修正自己的模型。（3）不斷試驗研究，提高自己運動機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，優(yōu)化求解合理的彈簧機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)柔性翅的仿真。（4）制作撲翼機(jī)器人模型，并對模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗和室外飛行試驗，以驗證其飛行性能，并與理論分析結(jié)果對比，不斷修正設(shè)計。參考文獻(xiàn)[1] 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