【《某扑翼飞行仿生机器人的机构设计》12000字（论文）】

绪论1.1研究背景及其意义在当今科学与技术日新月异的社会中，一些新兴产业不仅给人们带来了便利和好消息，而且还经常带来各种不可避免的灾难，例如：核辐射和核泄漏事故，生化灾害等。这些核，生物和化学事故通常是发生核事故和化学污染的高风险地区，无法找到受害者，因此很难确定灾害所在。事故现场。调查并评估事故现场。为了应对此类不利情况，我们需要使用可以在高风险环境中进行监视和调查的机器人。通过收集灾难现场的视频图像，环境参数和污染数据等数据，我们必须为救援任务创建可靠的基础。有利于控制形势的演变，减少灾害造成的损失。同时，近年来发生的海事灾难和飞机失事给整个社会造成了不可估量的损失。目前，针对这些事故的主要搜救方法是派遣船只，飞机或卫星进行航空照相和搜查。这些方法不仅成本高昂且效率低下，而且在极端恶劣的环境中也难以完成预期的任务[1]。带有拍打翅膀的步入式仿生机器人可以通过携带各种检测设备（例如光学和红外成像设备以及核和辐射剂量，温度，湿度，烟雾）以极低的速度，极低的高度，甚至盘旋飞行。，生命迹象等），检测设备等）以提供有关灾难和环境检测的全面信息，这将使其成为将来最理想的搜索和救援工具。图1-1所示为带有摆动翼的步入式仿生机器人的假想图，该仿生机器人用于检测核电厂的事故并在地震现场进行灾难评估，而图1则显示了执行反恐和战争支援的概念图[2]。图1-2。图1-1灾害评估的假想图 图1-2作战侦查概念图大型翼展仿生飞鸟机器人使用大型飞鸟作为模仿生物，并在外观，结构和飞行模式方面模拟自然界中的中型或大型鸟类。与固定翼和旋转翼飞机相比，仿生飞机具有以下优势：（1）良好的空气动力学性能，可以根据气流的特点调整自身的机翼，适应气流并有效地利用它；飞行效率高，功耗低。实现飞行；（2）机动性好，在狭窄的空间内易于驾驶；（3）低噪音，只有机翼的低频振动；（4）重量重量比大，可以在相同质量的机翼下携带更多的检测装置；（5）隐身能力强，可以被仿生学特征掩盖，有效反射面积小，很难用雷达看到。由于上述特性，研究翼展较大的仿生飞鸟机器人非常重要。但是，由于尚不了解大型仿生飞鸟的飞行机理，因此在仿生设计和飞行控制方面尚未取得突破，有许多问题需要仔细研究[3]。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状扑翼飞行器的想法可以追溯到几个世纪前。从一开始，当人们将翅膀绑在手臂上并模仿鸟类的飞行时，他们现在就可以使人造昆虫变得像昆虫一样大。大致分为三个阶段：第一阶段是由手臂或电动机提供动力的载人扑翼飞行器，第二阶段是由微型电力驱动的无人扑翼飞行器，第三阶段是微型昆虫状机器人，由“人造肌肉”提供动力。常规航空飞机的雷诺数约为107，大型扑翼飞行器的雷诺数为104至105，普通鸟的雷诺数为102至103。随着尺寸的进一步小型化，当雷诺数较小时，空气动力学主要表现为层流分离效应和不稳定性效应。流场和空气动力性能很容易受到湍流和表面粗糙度等因素的影响，因此设计基于传统思想。飞机的空气动力学性能，稳定性和可操纵性已大大降低，而在自然界中，鸟类已经成功克服了雷诺数低的局限性，并通过拍打机翼获得了与雷诺数低相适应的飞行技能。可以观察到，在飞行过程中昆虫机翼的高频拍打和机翼根部上下的扭曲都可能产生升空枪声并实现悬停。大多数微型扑翼飞行器通过类似于“人造肌肉”的动力装置推动机翼的高频扑翼。传动机构选择诸如杆的位移放大机构而不是连杆机构，因为连杆机构在高速传动期间具有非常高的传动效率。它低，可以承受很大的惯性。但是，选择具有挠性连杆的杠杆机构没有这样的问题[4]。1.2.2国内研究现状国内研究起步较晚。在MAV于1992年提出该概念后，世界掀起了微型飞机研究的热潮，而扑翼飞行器也处于巨大的发展阶段。国内一些大学和研究机构已经开始对此进行研究。但是，与其他国家相比，研究结果仍处于起步阶段，差距仍然很大。清华大学的曾江丽等人对昆虫运动的机理进行了广泛的研究。他们使用非线性理论和方法通过验证测量模型来研究昆虫运动的机理。通过仿真方法研究了昆虫的飞行机理，并通过NS方程计算了空气动力与时间的关系。结果与狄金森实验的结果一致。南京航空航天大学的曾瑞和昂海松对扑翼进行了拍打，对其机理进行了深入研究，提出了变速折叠模型，并采用非定常涡旋格子法计算了气动升力。扑翼的空气动力学特性是鸟状复合振动，并分析了各种尺寸和形状的鸟扑翼飞行器试验机。2002年首次试飞成功（图1-3）。该飞机可以执行手动控制飞行，南京航空航天大学的胡令新也成功研制了该飞机。可以悬挂在空中的几个拍打机翼飞机的原型[5]。图1-3南航的“黄莺”号扑翼机由美国西北工业大学开发的微型机翼飞机由聚合物电池和微型电动机提供动力。该飞机有一个碳纤维框架和灵活的机翼。总重量约为15g，翼展为200mm，扑翼频率为15-20Hz，可以自由飞行15〜21s可控飞行原型的尺寸稍大，飞行时间可以达到10分钟（图1-4）。图1-4西北工业大学的扑翼飞行器扑翼飞行器由东南大学开发，由聚合物电池和微型电动机提供动力（图1-5）。齿轮机构使用减速装置，机身使用碳纤维框架和灵活的机翼，最终实现了遥控飞行控制。图1-5东南大学的扑翼飞行器到目前为止，国内外对扑翼飞行器的研制已取得初步成果。更实用的扑翼飞行器的翼展为100至500毫米，这在技术上和理论上都是可行的。因此，这种规模的扑翼飞行器已经成为现实。舞台设计和舞台制作的重点，微传感器和微控制系统的协调也是研究的重点。今天开发的扑翼飞行器在实用性方面仍有一定距离。除了生产原型，在理论和实验上也应如此。拍打机翼飞行机制。未来的扑翼飞行器将朝着小型化和智能化方向发展，并将包括更多的MEMS技术，高效推进技术，高效能源技术以及微测控技术等[6]。2关键技术分析2.1非定常气动力和高升力机制扑翼飞行器的空气动力学非常复杂，与传统飞机的空气动力学有很大不同。扑翼飞行器较小，飞行速度较低。在低雷诺数条件下，它受到空气粘度力的强烈影响。空气动力具有与常规飞机明显不同的特性。它们被扭曲和折叠。当大量运动产生与周围大气不同的局部不稳定气流时，这种现象称为不稳定的空气动力效应。在飞行中，鸟类的机翼可以拍打，旋转，弯曲机翼平面，改变机翼面积并改变倾斜角度。在这些条件下，鸟类可以产生高水平的升力。人类希望使它们像鸟的翅膀一样可旋转和伸缩。可折叠的结构也是一项艰巨的任务，低雷诺数的扑翼飞行器的空气动力学和稳定性仍处于测试阶段。许多结论都基于测试和模拟。可以遵循特定的理论和经验公式[7]。2.2飞行器的测控系统飞行控制，导航和通讯是小型飞机中必不可少的重要设备。由于扑翼飞行器体积小，重量轻，惯性矩低，因此容易受到不稳定气流的影响，并且具有良好的抗干扰能力，其中扑翼控制和机翼稳定性控制是整个控制系统的关键。小型飞机必须配备高度自动化的飞行控制系统，如图1.37所示，该系统可以在飞行过程中快速做出反应并保持系统稳定性。此外，这种飞机在执行需要执行的任务时通常不受控制，具有灵敏通信系统和自主控制能力的飞机以及高效GPS通信设备的开发是一种相对创新的通信方法，在扑翼飞行器的发展是。图2-1微型飞行器测控系统结构图为了使微型飞机真正实用，必须构建各种传感器，例如微型相机，声音检测器，红外检测器和生化检测器。时间数据传输。就扑翼飞行器的功能要求而言，微型飞机应该是高度集成和复杂的系统。这些高度集成和复杂的系统必须使用MEMS技术进行小型化和集成，集成是未来飞机的必然发展。但是，MEMS本身也是新兴产业，其发展还不完善。此类要求也是MEMS面临的主要挑战[8]。2.3扑冀飞行器气动力估算方法在扑翼飞行器的空气动力学计算方法中，最常用的方法是：非稳态空气动力学估计方法，非稳态涡流格子方法，非稳态Euler方程方法和非稳态NS方程方法。使用计算量较大的后三种方法。无疑可以获得令人满意的结果，但是缓慢的计算速度和繁琐的处理使其不适合实际设计和使用。然而，基于改进的带状理论的非定常空气动力的估算方法被用于估算机翼的空气动力。拍打翼飞机在设计的早期阶段就具有重要的基准[9]。2.3.1非定常气动力估算方法使用空气动力估计模型，基于物体在液体中运动的阻力的基本原理，并假设机翼以正弦定律折叠，可以近似估算机翼在该时间段内所经历的空气动力。该模型可以快速估算克服不稳定运动机翼上的空气动力学载荷所需的平均升力，推力和输入功率，还可以计算出平衡飞行中机翼的推进效率。空气动力的估算基于流体力学原理，液体中物体的阻力可以表示为公式（2-1）:(2-1)式中，R为阻力，C为阻力系数，为空气密度，A为面积，U为流速。简化的Delaurier条纹理论用于计算扑翼飞行器的空气动力升力。为了简化计算，假设机翼仅在垂直平面内上下摆动，而没有考虑机翼的扭曲。其原理图如图2-2所示:图2-2气动中心示意图则翅翼在任意时刻的气动力可用下式表示(2-2)所示:（2-2）其中，为翅翼的平均弦长，为空气密度，b为翅翼的展长，CL()为翅翼升力系数，(t)为翅翼的拍动角速度。以机翼跨度为400mm，拍翼频率为6Hz的扑翼飞行器为例，图2-3显示了一个周期内产生的空气动力。图2-3一周期内气动力曲线图2.3.2非定常涡格法随着CFD技术的发展，人类通过将损害和偶极子放置在扑翼的表面上，可以计算出通过任何形状的扑翼的不可压缩的势能。这样就可以影响扑翼的厚度和外倾角。吉辛不是最早的西奥多森薄机翼颤振理论，而是第一个尝试这种方法的人。它取代了HessandSmith方法计算稳定机翼流量的方法，因此可用于瞬态流量。尽管平板法考虑了翼型厚度的影响并消除了尾流无限薄的假设，但涡流的奇异点分布将涡流的影响限制在翼型和尾流附近的小区域[10]。图2-5面元的划分和法矢方向2.4飞行动力装置和能源问题随着扑翼飞行器的小型化，微型电动机难以提供足够的功率。表2-1中显示了许多微型扑翼中使用的电动机的性能参数[11]。表2-1微型电动机性对比能微型电动机电机型号N20PAMaxonRE10Micro4.5-0.6Micro5-2.4电压（v）2.534.55转速（1/min）15800102002120021000输出功率（w）0.230.751.182.24最大效率(%)54606275.3重量（g）57510功率/重量比0.0460.1070.2360.224产地中国瑞士德国日本最常用的能量设备仍然是电池，例如镍罐电池，镍氢电池，康氏电池和固体氧化物燃料电池。在实际设计和生产过程中，比较了不同类型的微型电池，如表2-2所示。但是，即使由高效电动机和更好的电池组成的光能系统也只能飞行20到30分钟。如此短的航行时间远远不能满足任务要求。因此，可以提高小型化耐久性，电源系统也是要解决的中心问题[12]。表2-2微型充电电池性比较能电池类型镍铬镍氢锂离子电池聚合物锂电池电压(V)1.21.2303.7容量(mAh)508070135重量（g）3.63.22.433可行走的扑翼飞行仿生机器人机构设计3.1扑动机构设计扑动机构是仿生鸟类机器人的主要执行器之一。它直接驱动机翼上下移动，使仿生禽鸟机器人向前推和向上行程。由于整个机器的重量的限制，扑动机构必须尽可能简单，高效，轻便并且在冲击区域内可调节[13]。通常，大型飞鸟在正常飞行中的冲程幅度在60°内相对较小。考虑到机构运动效率的影响以及研究小组的设计经验，本文将行程幅度设置为40°至60°[14]。对于紧凑的结构要求，扑动机构中RSSR配置的空间四连杆机构的曲柄应尽可能短，并同时确保冲击幅度。根据经验，将曲柄长度设置为12mm，连杆为变长连杆，两端带有鱼眼轴承，摇臂尺寸根据颤振参数的要求进行调整[15]。图3-1RSSR构型的空间四杆机构根据以上需求，本文基于RSSR构型的空间四杆机构设计了一款对称扑动的空间扑动机构，RSSR构型的空间四杆机构包含首末两个转动副和中间的两个球面副。如图3-1所示，为扑动机构曲轴(主动杆)转动角(即为输入角)，为扑动机构翅膀摇杆(从动杆)转动角(即为输出角)，本文通过求解和的变化关系与连杆长度l的关系，来确定设计参数。在运用矩阵法研究RSSR空间机构时，需要通过建立几个坐标系将机构的运动问题抽象成坐标变换的问题，从而进行参数化分析计算。图3-1中，固连坐标系aX4Y4Z4,AX1Y1Z1,DX3Y3Z3:分别建立在机架4、主动杆1和从动杆3上。为了求解和的变化关系与连杆长度l的关系式，设定连杆2分离，由于连杆2为刚性连杆，因此在机构运动时，B,C两点间的间距始终保持不变，也就是说，B,C两点的坐标由连杆2的长度l制约，因此，在机构运动时，应保持下面的几何关系式:（3-1）用不共原点的坐标变换法可写出B,C两点在参考坐标系aX4Y4Z4中的流动坐标，代入上式并展开整理，可得和的变化关系与连杆长度l的关系式如下:（3-2）式中h1——主动杆长度(12mm);l——连杆长度;h3——从动杆长度(26.5mm;h4——机架长度(42.17mm);S3——从动件轴向位置距离(2.19mm);S4——主动件轴向位置距离((21.70mm);——输入角;——输出角;_机架角度(90°)把己知的设计参数带入式(3-2)中可得:(3-3)整理后可得:（3-4）使用Matlab编程绘制在不同连杆长度l下出口角和入口角之间的关系，如图3-2所示。如果连杆长度Z不同，则可以识别出扑翼的中心，其机理如下：如果连杆长度l增大或增大，则扑翼的最低点，最高点和快速恢复系数也会改变因此，拍打周期不会改变。从公式（3-4），还可以解决连杆长度与颤振幅度和快速返回系数之间的关系，以控制颤振机构的设计和改进[16]。图3-2不同连杆长度时输出角与输入角之间的变化关系扑动机构的模型图如图3-2所示。曲柄尺寸小，形状相对复杂。两个曲柄的一端分别安装在主轴的两端和另一端，并通过螺钉和连杆的鱼眼轴承连接。内孔已连接。鱼眼轴承的内孔在连杆的另一端通过螺丝连接到跷板上的设定位置，跷板的一端通过螺钉，轴承等铰接到机身上，并形成一个完整的对称的打击机制[17]。图3-3扑动机构模型表3-1是几种常用的轻质航空材料，表中分别列出了不同材料的密度、硬度、强度等信息，便于比较选择合适的材料。表3-1几种常用的航空材料参数密度/硬度弹性模量/GPa拉伸强度弯曲强度/MPa屈服强度/MPa1.4-290HRM2252.74GPa>700-1.03-1.08116HRM2.850MPa75-2.820-35HBS71524MPa4614551.835HBS44420MPa3433604.560-74HBS1171.4GPa1646≧8701.04-1.0690-110HRM2.638-52MPa68-90-通过比较分析可以得出结论，碳纤维聚合物材料更适合大型翼展仿生飞鸟机器人，因为在相同的要求下，碳纤维的重量最轻，体积最小，而尼龙和ABS则是碳纤维，尽管密度是如果将它们加工成薄壁骨架部件，则强度很低，强度太低而无法承受重大冲击。合金材料的硬度和可塑性非常好。然而，当将它们制成较大的骨骼部分时，它们的加工成本相对较高，加工相对较困难，所需时间也相对较长。基于上述因素，选择碳纤维材料作为大型翼展仿生鸟类飞行机器人的车体材料，并选择铝作为拍打机构曲柄的材料，并选择一种合金。跷跷板必须连接到主翼骨架的根部，并且主翼骨架相对于机身，这等效于悬臂，悬臂使机身快速前后移动，并需要一定程度的灵活性以操纵杆为了防止主翼骨架因巨大的撞击而在根部断裂，因此选择了铝合金，尼龙和ABS作为机翼摇杆的替代品（见图3-4）[18]。图3-4三种不同材质的扑动机构摇杆原型的冲击机理的三维模型如图3-5所示。左侧是带有铝合金操纵杆的三维模型原型，右侧是带有尼龙或ABS操纵杆主要组件尺寸的三维模型原型，几何模型完全相同，可以在同一位置轻松互换机器，因此可以在“细节”中比较不同的材质以选择最合适的摇臂材质。实验表明，当原型由于应力集中等原因飞到地面上时。铝合金翘板更可能导致机翼的主要碳纤维骨架断裂。由ABS和尼龙材料制成的跷跷板具有更好的柔韧性和对主翼骨架的阻尼作用，并且不容易折断主翼骨架[19]。图3-5扑动机构三维模型3.2仿鸟腿式步行机构设计3.2.1鸟类腿部结构及步行运动特点无论鸟类的种类，生活环境和生活方式如何变化，腿骨的结构基本相同，包括三个较长的骨头：股骨，胫骨附件和骨（如图3-6所示）。四个关节：延髓关节，膝关节，阶梯关节和脚趾关节。人们通常认为鸟类的膝关节与人类相比是倒立的。这是错误的。由于鸟类的股骨在髓关节周围的较小区域内摆动，因此步行时腿部的摆动主要是通过膝关节角度的变化来实现的。同时，人们错误地认为鸟类的脚踝是膝盖关节，因为鸟类的真实膝盖关节被羽毛和肌肉包裹着。人类在脚底行走，而鸟类则用脚趾行走[20]。图3-6鸟类腿部骨骼结构根据VincentHugel等人的研究，鸟类的骨骼结构表现出一些特征。首先，它们的重心位于膝关节附近的髓质关节下方，而较低的重心有助于提高稳定性。其次，与人的鸟脚相比，还有另一个关节，即鸟的躁狂关节（人的脚步关节实际上对应于鸟的脚趾关节）。这种结构允许鸟类走更大的台阶，而与腿的长度无关。以鹤鹌鹑为例，其步幅与骨骼关节高度之比为2.2，而人类仅为1。最后，鸟类在运动过程中将双腿保持在蹲姿，这使它们在崎ground不平的地面上行走时具有更好的稳定性。由于鸟类的运动主要基于飞行，并且大多数地面运动都是跳跃的，因此选择行走/奔跑的能力作为参考对象。步行和越过障碍物时步行鸟的步态受以下规则约束（1）像鹤和鹌鹑这样的小平足可以通过大幅度改变其腿部姿势来迈出更大的步伐，以实现快速行走。步行速度的改变主要是通过改变步幅来实现的，并且人行道随速度和地形的不同而变化很大，大多数步行都是以“蹲”的姿势进行的。（2）比较鹤类，圆锥体，珍珠鸡，火鸡和鸵鸟等行走鸟类时，发现质量越大，腿越长，步伐越小，行走时腿部姿势的变化越小胫骨和meta骨连接。骨长的比例越小。作为比较的两个极端，鹤鹌鹑的平均重量约为2008，平均步长为0.09m，髓关节高度约为0.04m，步长与骨骼关节高度之比约为2.2。（3）大鸟使用“直腿”姿势来减少腿骨的弯矩，并避免导致腿部折断的大弯曲应力。为了降低重心，小鸟助行器“吸引”，以实现更快的行驶速度和更好的地形适应性。3.2.2机构尺寸选择为了使机器人快速行走/奔跑，其支腿机构必须具有合适的运动学特性，例如：重量轻，转动惯量小。这要求设计尽可能减少驱动器的数量，并尝试避免将驱动器安装在距离骨骼关节较远的关节上。实际上，可以快速奔跑的鸟和猫的腿部结构也符合上述特征。图3-7机构简图与三维模型图从上至下，该机构可分为两部分：用于产生飞行路径的机构和用于加强飞行路径的机构。框架IL，曲柄IJ，L形连杆JKH和摇臂LK形成用于产生舷梯的机构。框架A，附接到骨头的胫骨附件AC，趾骨MG，连杆HF，连杆EF，弹性带MN扩大机构。由于此处股骨的摆动幅度较小，因此省略了股骨机构。当机构移动时，电机在I点驱动曲柄IJ旋转并驱动L形连杆JKH，而H点形成闭合曲线，即舷梯。L形连杆JKH推动连杆HF进行平面运动，并推动胫骨和meta骨AC摆动以使腿部来回摆动。同时，F点通过连杆EF绕B点旋转，拉动ED上下摆动，实现脚的收放。趾骨GM铰接在附件ED上，并由皮带MN移动，皮带MN在脚落在地面上时起缓冲作用。整个机构只有一个驱动器，其余的关节由连杆驱动，可以将大部分腿的质量集中在框架部分上，并减少了腿的惯性。确定：步幅为15厘米，骨骼高度为11.1厘米，腿长约为14.87厘米，胫骨附件与meta骨的长度比约为1.34。具体的机制设计如下。3.2.3步态轨迹生成机构产生舷梯的机构的实质是平面四杆机构。L形连杆在平面中移动，并且连杆上的点的轨迹是闭合曲线，该闭合曲线变为连杆曲线。并且其形状随每个杆的长度而变化。有不同的连杆曲线。只要每个杆的长度合适，就可以实现任何弯曲形状。在这一点上，我们可以通过调整每根钢筋的长度来获得理想的人行道。但是，根据给定的职业设计四连杆机构非常困难。用解析方法求解时，指定的轨迹点越多，需要的方程式就越多，并且可能无法获得精确的解。因此，在本设计中使用一种优化方法来根据指定的连杆曲线求解每个杆的长度，以使求解曲线尽可能与指定的曲线匹配。图3-8轨迹生成机构简图建立L型连杆JKH末端H点的运动轨迹与曲柄IJ转过的角度之间的关系。以工为原点建立如图3-8示坐标系，利用复数矢量法求可求得和。令，，，，（3-5）（3-6）（3-7）根据几何关系可求得:（3-8）（3-9）令，故（3-10）（3-11）其中,均为关于的函数，,作为参数，和均为关于的一元函数。理想的人行道应处于支撑阶段，以使重心的高度尽可能保持恒定，只能水平移动。由于只有一个骑手来驱动两条腿，因此两条腿之间的相位差为180度，因此，每条腿的支撑相位为半个周期，另一半为收缩和伸展的过程。假设腿部的摆动围绕穿过骨骼关节的垂直线对称，则理想的步态轨迹曲线应为对称的面包形闭合曲线，该曲线应包含如图所示的直线段和运动时间直线段应占整个循环的一半。同时，该机构保持足够紧凑并且占用相对较小的空间。使用以下点（表3-2）作为飞行路径的关键点，并使用三次样条插值绘制理想的飞行路径曲线（请参见图3-9）。表3-2理想轨迹曲线离散点（°）00018001.5180.60198-11.35361.20216-2.10.947541.80234-30.5722.40252-3.2580.1769030270-301083.2580.176288-2.4012630.5306-1.801442.10.947324-1.2016211.35342-0.60图3-9理想轨迹曲线利用优化方法求解各杆长度。以I点坐标，杆长，，，，，L型连杆夹角，机架与坐标轴x轴夹角为变量，设定优化目标函数为:（3-12）目标函数越小，实际轨迹与与其轨迹吻合度越高。同时要加入以下约束条件来获得可行解。约束条件为:(1)杆长条件:传动角条件：利用MATLAB优化工具箱中求解约束非线性优化问题的fmincon函数求解该优化问题，解得可行解为、、、、。根据可行的解决方案，在拉动机构的一个循环中每个杆的位置如图3-10所示。显然，实际飞行路径和理想飞行路径可以重合，如图3-11所示，尤其是在直线段中。图3-10第一次优化求解的可行解图3-11理想轨迹曲线与实际轨迹曲线对比3.2.4缓冲机构采取有效的缓冲措施以减缓腿部撞击地面时的撞击并减少由于地面反作用力而引起的对腿部骨骼的高应力，这是鸟类以相对较瘦的腿部结构实现快速行走的另一个关键因素。腿骨上的高负载主要发生在粘附的骨骼上，而接触地面时获得的弯矩会导致骨骼上的更高负载。缓冲的目的是减少附着的骨头撞击地面时的弯曲力矩。受SangbaeKim等人的研究启发。对于快跑的猫，弹性的脚跟骨骼和脚趾的设计可以有效地减少附着骨骼的弯矩。图3-12跟腆韧带可有效缓冲地面反力如图3-12所示，在没有脚跟扳手的情况下，附着在骨骼上的地面反作用力可分解为沿着骨骼的压力和垂直于骨骼的力。垂直于骨骼的力会在骨骼中产生弯矩，从而增加骨骼中的最大张力。如图3-12所示，抬高脚跟和脚趾后，地板反作用力作用在脚趾上，脚趾上的扭矩转换为脚跟扳手上的拉力，从而改善了骨骼承受更大应力的情况。同时，弹性构件的引入降低了整个腿机构的刚度，行走过程中质心在垂直方向上的运动幅度较小，并且整个机构的操作更加稳定，这是在下面的运动仿真中得到了证明。3.2.5电机的选型（1）升力与推力对于一般扑动模型，可利用以下运动方程来描述扑翼的运动。这里优先考虑模型巡航平飞时的运动，因此摆动角0。这里关于扑翼的扭转，假设扭转幅度延展向符合抛物线规律，故有:这里表示Lsw/2二分之一翼展，表示翼尖微段扭转角度。同时假设弦长函数满足:表示翼根弦长。这里扑动幅度，扑动频率5Hz,翼根弦长=0.1m，半翼展长翅=0.36m,翼根翼形为NACA9406,翼尖翼形NACA6401,由翼根向翼尖平缓过度。将上述参数带入模型计算，可以获得如下一个周期内作用在机体上的升力、推力以及力矩情况。如图3-13所示。图3.13机体所受升力、推力以及力矩变化图可以看出该模型可以可靠地估算一个周期内作用在机体上的升力、推力以及力矩情况。在9.8m/s的平飞速度下，单片扑翼一个扑动周期内平均升力约为1.17N，即两片扑翼的升力可达230g以上，腿部机构重约30g的估算结果，结合其他部件参考质量，机器人起飞重量可以控制在200g你内，因此该扑翼设计可为机器人飞行提供足够升力。同时，该模型可以根据扑翼的实际情况修改参数与运动方程，提高对具体算例的近似精度。（2）动力与电子调速设备100g级样机选用720空心杯电动机为样机提供动力，200g级样机采用BC2225型外转子直流无刷电动机，KV值1350。由于接收机输出的是PRM脉宽调制信号，无法直接驱动直流电动机，需要直流电子调速器来控制电动机的转速。720空心杯电动机重约3.7g，调速器重约4g。如图3.14所示。BC2225电动机质量约为32g,电子调速器重约1饨。244g样机主要为配合三位测力平台研究扑翼空气动力学，未配备伺服设备与电池，采用外部电源供电。图3.14直流电子调速器与空心杯电动机3.2.6ADAMS仿真该机构的实际行走情况是通过ADAMS模拟的。将整个机构放入坐标系中，如图3-15所示。由于未引入控制，因此重心仅限于框架在X，Y和Z方向上的旋转，并且其在Z轴方向上的移动受到限制，因此只能在XOY平面中移动。上半身，姿势保持相对稳定。图3-15仿真模型坐标系及机架质心运动轨迹将重力加速度设置为9.8m/s2，方向为Y，每个杆为刚性杆，密度为1.75g/cm3（碳纤维杆），鞋底与地面之间的摩擦系数为0.9，曲柄以恒定的速度驱动，左右腿曲柄之间的角度为1800。将上部车体换成质量为180°的车架顶部的立方体。机构底部的矩形平板模拟地面，并且机构沿X轴方向移动。跟踪立方体质心轨迹的结果表明，支腿机构可以完成快速移动动作。行驶速度为6r/s时如果该机构的速度可以达到0.9m/s，则可以看出，在大约0.13m的步长处，质心的变化小于在0.01m处，缓冲机构有效地起到了缓冲的作用，重心起伏程度很小，如图3-16所示。图3-16两个周期内质心在XOY平面运动轨迹根据Solidwork建模数据，该机构的总体积约为4694.16mm3，并且机构材料主要由密度约为1.75g/cm3的碳纤维棒组成。除驱动马达外，估计质量约为35g。3.2.7最前机架静应力分析图3-17图3-18表3-3名称类型最小最大位移1URES:合位移0.000e+00节:1mm1.252e-02mm节:1496 图3-19名称类型最小最大应变1ESTRN:对等应变1.377e-07单元:80724.019e-04单元:3547图3-204可行走扑翼飞行机器人设计4.1翅翼形状设计机翼根部的第一关节的形状直接采用飞机机翼的形状，该部分的拍打幅度并不大。由于它的空速，它在向前飞行时会像飞机机翼一样产生升力。机翼末梢的第二铰链应具有带有柔性后缘的柔性机翼。研究和实验表明，后缘一定程度的柔韧性对飞机的空气动力学有利，但应将柔韧性控制在一定范围内。柔韧性过高会导致拍打时机翼拍打。尾部气流湍流，不利于飞行。第二关节的形状应为下图所示的形状，并且机翼表面将添加多个机翼静脉。为了设定迎角，将一条静脉连接到要制造的转向器上，并且其旋转角度是可控制的。图4-1副翼形状设计4.2尾巴形状设计鸽子的尾巴形状是扇形的，改型后的旋转更易于控制，因此可以更好地采用。飞机应采用扇形机翼和安装形状（请参见图4-2）。突出部分像飞机的尾巴一样，可以校正并提高飞机的稳定性。图4-2尾巴形状设计船尾计划使用两个操舵装置控制其运动。控制方法如图4-3所示，它可以使尾巴自由旋转，调节飞机的俯仰角，还可以控制左右旋转以调节飞机的偏转角。图4-3尾巴控制方式4.3翅膀迎角调节设计为了提高扑翼飞行器的机动性并满足快速，小角度转向和快速上升的要求，设计了两种机翼俯仰机构。机翼的迎角由安装在副翼上的两个舵机调节。安装方法如图4-4所示。舵机只调节副翼的迎角，对主翼没有影响。图4-4副翼可调迎角安装方式4.4扑翼飞行器结构设计4.4.1动力传动部分结构设计驱动电机是无刷模型飞机发动机，标称速度为17760rpm，机翼的预期拍打频率为4Hz，有必要通过实现多级计算和安装来降低速度并增加驱动扭矩。板由碳纤维板制成，其结构如图4-5所示。图4-5驱动机构设计4.4.2尾巴的结构设计尾部的设计目标是实现左右倾斜的动力模式。它参考图5-10的示意图设计，其机翼的结构设计如图4-6所示。图4-6尾巴的结构设计4.4.3迎角可调结构设计考虑到减轻重量和强度的问题，将转向器安装在副翼上。舵机通过两个连接板连接至主翼。同时，在转向器的旋转轴上增加了一个支撑板，如图4-7所示。图4-7副翼舵机结构设计4.4.4整体