毕业设计（论文）-仿生分布式驱动扑翼设计-机械鸟

#-图2-4曲柄滑块扑动机构空间曲柄摇杆机构空间曲柄摇杆机构比上述的方案要多一个自由度的设计，如图2-5所示，可以明显看出其扑动是完全对称的，所以其左右摇杆的扑动幅度相同，但其物理结构复杂，对制造和装配的精度要求非常高，且设计时需要用到复杂的运动关节比如万向联轴器来实现预定的设计要求，从而导致其实际制作样机的成本非常高。双曲柄扑动机构应用在仿生分布式驱动扑翼器上最多的一种形式，其传统形式如图2-6a)所示，其采用两个曲柄4、5来分别带动两侧的摇杆6、7运动,其优点是齿轮驱动力矩较大，机构位置对称，左右摇杆之前干扰较小。缺点是，

由于动力小齿轮同时驱动两个大齿轮，导致其左右摇杆扑动时存在固定的相位差，因此扑动形态不能完全对称。为解决完全对称问题，有一种优化方案如图2-6b）所示，其让动力小齿轮安装在大齿轮的一侧，直接驱动其中一个大齿轮,另一个大齿轮3由齿轮2带动反向运动，这样，摇杆8、9的扑动就完全对称a）传统的双曲柄扑动机构b）优化后的双曲柄扑动机构通过对以上四种常见扑动形式的对比分析与优化，结合课题样机的设计需求，采用改进后的双曲柄摇杆扑动机构方案，同时为了实现模拟大鸟如海鸥飞行时翅膀在上下扑动的同时还有展向上的折曲运动，样机的翅膀采用两段翼设计，并且引入一个辅助的两杆三副的二级杆组来实现外翼的折叠与收拢运动，机构简图如图2-7所示。这样整个扑动机构就实现了只通过一个齿轮的旋转运动经过传动系统后就带动两侧的翅膀同时实现扑动和折叠收拢两个方向的运动的目的。传动方案的设计传动方案设计，首先确定驱动源的类型，然后结合各种考虑因素确定系统的传动比。目前,很多飞机设计根据不同类型选择对应于一个合适的驱动源,对于较小的模仿昆虫仿生分布式驱动扑翼器,更多的选择,压电空心杯电机驱动和肌肉和模型船舶机械根据是否使用刷子刷换向可分为两种电机和无刷电机,无刷电机相对于无刷直流电机,由于内部结构的原因，往往可以达到足够的高速和功率。由于本课题预先设计的扑翼飞机翼展较大，需要较大的驱动力矩，因此样机的主动力电机采用稳定的无刷直流电机作为驱动源。(1)电机的选型由之前确定的扑动方案可知，主功率电机将驱动两个大齿轮运动进而带动之后的摇杆机构完成扑动运动，所以电机需要提供稳定且足够的驱动力。实际设计中，通常根据样机所需功率来选择电机型号，而仿生分布式驱动扑翼器所需功率由以下公式计算得出：P=C其中：C-升力安全系数，在计算时综合考虑取安全值T-在样机向下扑动过程中翅膀根部所受的气动力矩;ω-扑翼角速度；μ-整个机构的传动效率，取为0.7。对于中的力矩T有力矩公式：T=Fl其中，由第二章中的鸟类飞行受力情况分析可知，大鸟在扑动飞行时，其两侧翼上的升力应分别承担一半的自身重量，所以先取F=mg/2.考虑到大型鸟类在扑动飞行时，其升力主要来源于外翼段，遂将实际产生气动力的等效作用点取为在翅膀一侧的2/3展长处，BPZ=(2/3)x(Z7/2)=0.6m。故有扑动力矩T=Fl=1.323N。对于式3-1中的扑翼角速度劝由之前所确定的扑动方案和扑动频率/,可以计算得出其最大角速度约为12rad/so故可得电机的额定功率：P=CTωμ由此估算的电机额定功率并考虑所设计的样机翼展较大，需要选用扭矩大的电机，因此最后选用一款型号为朗宇X2206的外转子无刷电机作为样机的主功率电机，其具体参数如下表2-2所示，可以看出其输出功率为120W,质量为25g,满足课题设计需求。根据参数可计算出电机所能提供的转矩:T=9550(2)减速传动比的设计直流无刷电机由于转速很快，而所设计的扑翼样机的频率平均为4Hz,且电机的扭矩很小而样机的设计尺寸和重量都偏大，显然不可能直接用电机驱动样机的执行机构，这会导致样机所需的力矩不够且会损坏电机，所以在电机与执行机构之间需要加入减速机构。在前述确定的扑动方案中，样机采用直齿轮进行减速设计，便于加工和设计方便，且齿轮减速系统稳定可靠，符合扑翼样机的设计需求。设计中为了使传动平稳可靠，减速系统拟采用三级齿轮减速。减速传动设计简图如图2-8所示，其中无刷电机与齿轮1相固连，齿轮2和3、5和6分别设计成一整体，采用3D打印一体成型，齿轮6与此前设计的扑动机构的中的曲柄相连，齿轮7与6完全一样，用以对称驱动另一侧的曲柄转动。由上述电机的KU值为1500,可以计算得出电机转速n=KVxU=1500x7.4=11100r/min由于电机转速、扑动频率和减速比之间有如下关系:n=60fi由之前确定的扑翼样机的频率为4Hz,故可以求得初步减速比z:ⅈ=

确定了传动比后，就要确定各级齿轮的具体参数，考虑到齿轮加工与实际装配的便捷性，取所有的减速齿轮的模数为1,压力角为20。，最后优化取整后得到的各减速齿轮的参数如表2-3所示。根据上述参数最后得到的减速比:ⅈ=满足之前计算的设计条件。在确定了传动方案设计中的各个齿轮的模数和齿数后，为了减轻整体样机的质量，将减速齿轮设计成轮辐式，在SolidWorks中进行零件建模和基本的装配约束，如图2-9所示。图2-9减速机构三维建模图尾翼方案设计通过上文对鸟类的运动情况的分析，可以得知对鸟类来说，翅膀是其所需气动力的来源，而尾翼的作用是辅助其进行转向和俯仰运动。鸟类在需要转向时，例如右转时，需要右翼下垂，左翼上扬，从而使两翼的扑动幅度不等从而在翅膀两侧产生升力和推力差。由以上分析可知，自然鸟类的转向是依靠双翼的扑动幅度的相位差和尾翼尾羽的辅助来进行的，但实际中比较难设计出双翼扑动幅度不等且有相位差的样机，且本课题的样机设计尺寸大、质量大，这种非对称的扑动设计也会给样机的平稳性带来困难。因此为了简化机构的复杂性和增大样机的可操作性，本课题在设计时采用控制尾翼来产生转向和俯仰时所需的力矩，这种控制方法在固定翼飞行器上已经得到了广泛应用，其实用性和稳定性得到了验证。参考之前设计出的比较成功的仿生分布式驱动扑翼器，尾翼的类型大致分为仿鸟单片式尾翼、平尾+垂尾和倒V型尾翼三种⑴］,如图2-10所示。a）仿鸟单片式尾翼 b）平尾+垂尾 c）倒V型尾翼图2-10常见的尾翼类型爾结合课题设计的功能需求，选择能提供更大转向力矩和俯仰力矩的平尾+垂尾的尾翼类型，其中平尾的作用主要是在飞行器进行俯仰运动时，提供相应的升力，例如在飞行器做上仰运动时，平尾尾翼此时的俯仰角为负，产生负升力。垂尾的作用主要体现在飞行器转向飞行时，配合扑翼样机的副翼协调其转向。这里仅给出大致的尾翼方案，具体的结构设计是在样机机身核心扑动机构设计完成后进行的，会在第四章中详细给出。内外翼扭转控制机构设计通过观察海鸥飞行时的翅膀姿态，可以发现海鸥在一次扑动周期中翅膀的扭转情况是有差异的，其伴随着翅膀的上下扑动有展向上的折展运动，还有弦向上的扭转运动，并且扭转角的大小沿翼展方向上是不同的，通常是呈非线性变化。在下扑阶段气流相对翼型剖面形成正攻角，而在上扑阶段翅膀内段攻角为正，翅膀外段攻角为负。之前的扑翼样机的设计往往都直接忽略掉内翼的攻角扭转，然而实际上在上扑阶段内段翼的攻角变化的作用是不可忽视的，故本课题采用了内外翼扭转独立控制的设计方案，以求能更好的模拟海鸥的飞行姿态从而得到更好的仿生效果和气动性能。(1)外翼扭转机构设计参考之前的样机设计中的外翼扭转机构，新设计的外翼扭转机构示意图如图4-6所示，整个外翼扭转机构主要由外翼杆、扭转舵机、外翼杆固定件、舵机摇臂和外翼舵机支座构成。其设计方案是，因为外翼杆离扑动中心较远，受到的振动较小，为了减小机构的复杂度，设计时外翼扭转直接将外翼杆作为扭转杆，而不再增加额外的杆件。首先将外翼舵机支座通过螺钉和胶水固定在内外翼的較接件上，舵机安装在舵机支座上，舵机的输出端与舵机摇臂相连，舵机摇臂与外翼杆固定件用螺丝螺母连接，使其可以相互转动，外翼杆固定件与外翼杆之间用胶水进行固连，这样舵机的转动就可以通过舵机摇臂、外翼杆固定件传递给外翼杆，通过控制舵机的行程和角度变化就可以控制外翼杆的扭转角度，实现外翼上的攻角变化。(2)内翼扭转机构设计内翼扭转机构示意图如图4-7所示，整个内翼扭转机构由内翼杆、扭转杆、扭转支撑杆、连接件、扭转杆固定件、舵机和舵机摇臂组成。考虑到内翼杆离样机扑动中心很近，内翼杆在样机扑动时所受到的作用力和振动远大于外翼杆,此时如果像外翼扭转机构设计一样直接在杆上进行扭转则不可行，会影响内翼上下扑动的稳定性。故本课题采用了一种全新的方式进行设计，虽然会略微增大整机质量，但能实现稳定的内翼主动扭转。其具体的设计方案是，将外翼舵机支座固定在减速机构的机架上，扭转杆与两个内翼翼型用胶水进行固连，扭转支撑杆用连接件分别连接扭转杆和内翼杆，使整个内翼扭转机构在扑动过程中与样机保持在一个展向面上，并且内翼段的两个翼型前部与内翼杆之间不可固连，其两者之前会有一个攻角的变化，需要在翼型前端对应部分镂空出相对应的弧线。这样，通过控制外翼舵机的输出就可以通过舵机摇臂和扭转杆固定件传递给扭转杆，而扭转杆与翼型固连，就可以通过舵机的输出变化控制内翼翼型的攻角变化，也就实现了对样机内翼段的扭转控制。

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