基于四杆机构对仿生蜻蜓扑翼飞行器的设计优化与仿真

摘要：本文基于四连杆机构提出了一种齿轮连杆运动机构设计方案，用于模仿蜻蜓翅翼的运动，并研究了扑翼机构各参数变化对机构运动轨迹的影响，归纳总结出一些规律，从而为选择出合适的机构参数提供了依据。采用基于优化的机构设计方法对仿生微扑翼机构进行优化设计，确定出各杆件参数和运动参数。然后利用CATIA来对扑翼机构进行运动仿真分析，模拟机构的运动过程，仿真结果与设计要求基本吻合，验证了机构的可行性。

关键词：仿生 蜻蜓 扑翼飞行器 数学模型 仿真分析

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）09（c）-0059-04

自古以来人们就梦想着在天空自由翱翔，对鸟的生理结构和飞行原理等方面所做的研究和获得的灵感，使人类乘着飞机上了天。昆虫与鸟相比，具有更大的机动灵活性。对昆虫生理结构和飞行机理的研究，将仿制出具有更大飞行灵活性和自由度的新型飞行器。最近几年，在昆虫空气动力学和电子机械技术快速发展的基础上，各国纷纷开始研究拍翅飞行的仿昆飞行机器人，使得仿生昆虫飞行机器人成为机器人研究最为活跃的前沿领域。仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造出来的新型飞行器。该类飞行器与固定翼和旋翼飞行器相比，它具有独特的优点，如：原地或小场地起飞；较强的机动性能，尺寸小，便于携带，飞行灵活，隐蔽性好等。因此，在国民经济各领域尤其是国防领域有着十分重要而广泛的应用。本文根据蜻蜓飞行时的运动特性设计出一种由齿轮连杆机构组成的微型扑翼驱动机构，对机构进行了数学建模设计优化，并基于Catia进行了仿真分析。

1 基于四杆机构对仿生蜻蜓扑翼飞行器的动力设计

仿生学研究表明，动物飞行能力和技巧的多样性多半源于它们的翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。扑翼飞行器是借助机翼的上下扑动来产生升力和推力，这需要设计出高效可靠的扑翼驱动机构本设计采用了对称齿轮杆机构来实现机翼的上下往复运动。仿生昆虫飞行器通常具有小尺寸、便于携带、行动灵活和隐蔽性好等特点，仿昆飞行器的飞行性能和物理特性是雷诺数极小，表面积与体积之比很大，总质量严格受限。而动力装置所占体积会直接影响到飞行器的大小，所以本设计从动力装置出发。

1.3 基于Catia运动仿真并测量分析

2 动力模块的实现

考虑实际功率以及驱动效率，选定齿轮连杆机构进行驱动，并将连杆L1对称设计，如图6、7所示。

3 仿生蜻蜓扑翼飞行器的整体结构及模拟运动

运用catia对设计的扑翼飞行器的零件进行装配，得到完整的设计如图9所示。

4 结论

微型扑翼驱动机构的设计优化与仿真研究是微型扑翼飞行器设计中的关键环节。对蜻蜓扑翼运动进行了研究，设计出一种齿轮连杆驱动机构做了以下工作：（1）提出了一种齿轮连杆机构模仿蜻蜓运动的微型扑翼驱动机构设计方案。（2）采用基于优化的机构设计方法对四连杆驱动机构进行优化设计，建立了数学模型，得到了驱动机构各杆件及传动角等参数和运动参数。（3）利用CATIA完成的仿生蜻蜓扑翼机构的设计并对其进行了仿真分析。得到的结论与数学模型分析结论一致，验证了该机构的可行性。

仿生扑翼飞行器处于不断的探索过程中。用机械装置去实现扑翼飞行的复杂运动模式是一项挑战，我们要不断的尝试与探讨。随着新材料、新工艺、计算机技术、先进制造技术的不断发展，在不久的将来仿生蜻蜓扑翼飞行器可以在空中翱翔。

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