基于連桿齒輪機構(gòu)的仿生撲翼飛行器設(shè)計

王文軒

摘要：仿生撲翼飛行器是一種根據(jù)仿生學知識進行設(shè)計的飛行器，其體積小、重量輕、運動方式靈活多變、隱蔽性好，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。基于四連桿機構(gòu)中的曲柄搖桿機構(gòu)進行撲翼飛行器撲翼機構(gòu)的設(shè)計，并計算其自由度；基于齒輪系機構(gòu)進行撲翼飛行器傳動機構(gòu)的設(shè)計并計算其自由度；然后將撲翼機構(gòu)與傳動機構(gòu)結(jié)合，使得一個電機即可驅(qū)動兩側(cè)撲翼上下扇動，實現(xiàn)撲翼功能，所設(shè)計的仿生撲翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：連桿機構(gòu)；齒輪機構(gòu)；仿生撲翼

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.01.095

1引言

早在地球上出現(xiàn)人類之前，各種生物已在大自然中生活了億萬年，他們通過自然選擇進化而具有的能力很多都值得人類去學習。仿生是高科技的代名詞，它是運用尖端科學技術(shù)產(chǎn)品來模仿生物的各種官能感覺和思維判斷功能，更加有效地為人服務(wù)。各國都在不遺余力地加大在仿生學方面的研究。

萊特兄弟于1903年造出世界上第一架飛機后，如今的固定翼飛行器在飛行速度和運載能力上都取得了很大的突破。然而這種固定翼飛行器在起飛和降落時均需要很長的滑行距離，人們還是希望能設(shè)計一種真正像自然界鳥兒那樣通過上下?lián)]動翅膀飛行的飛行器，我們稱這類飛行器為撲翼飛行器。撲翼飛行器具有無需跑道可垂直起落，并且可以用很小的能量進行長距離飛行，具有較強的機動性等優(yōu)點。撲翼飛行器已經(jīng)廣泛的運用在了民用及國防等各個領(lǐng)域。

2研究概要

本研究通過模仿自然界的鳥上下?lián)]動翅膀的動作，進行仿生撲翼飛行器的設(shè)計。仿生撲翼飛行器主要分為仿生撲翼機構(gòu)和電機傳動機構(gòu)兩部分。仿生撲翼機構(gòu)基于四連桿機構(gòu)中的曲柄搖桿機構(gòu)，電機傳動機構(gòu)基于齒輪機構(gòu)，最終實現(xiàn)撲翼飛行器在空中飛行的功能。

（1）仿生撲翼飛行器：撲翼飛行是鳥類靠自身體力和特殊生理構(gòu)造實現(xiàn)的一種較復雜的動力飛行。撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)仿生，是模仿鳥類的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理，從而設(shè)計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。

（2）連桿機構(gòu)：連桿機構(gòu)是將各構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副或移動副連接而成的機構(gòu)，是機械中應(yīng)用非常普遍的機構(gòu)。由于其運動副為面接觸，因此承載能力大，耐沖擊，并且便于加工制造。在四連桿機構(gòu)中，其中一個連架桿為曲柄，可做整周轉(zhuǎn)動；另一連架桿為搖桿，只可在某一角度范圍內(nèi)往復擺動。這樣就可以將曲柄的整周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成搖桿的往復擺動，可用于模擬鳥類翅膀的揮動。

（3）齒輪機構(gòu)：輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動平穩(wěn)、效率高、壽命長等優(yōu)點。平面齒輪傳動機構(gòu)的齒輪軸線相互平行，一個齒輪可以同時與多個齒輪嚙合，即可將一個齒輪的轉(zhuǎn)動傳遞給與之嚙合的多個齒輪。在撲翼飛行器中，兩個撲翼需要兩個電機進行驅(qū)動，但通過齒輪系傳動機構(gòu)，可將一個電機的轉(zhuǎn)動傳遞給兩個撲翼，實現(xiàn)一個電機驅(qū)動兩個撲翼。

3撲翼機構(gòu)設(shè)計

昆蟲和鳥類能夠在空中高效的飛行，主要依賴于它們上下?lián)]動的翅膀。曲柄搖桿機構(gòu)中的曲柄做整周轉(zhuǎn)動時，搖桿做往復運動，搖桿的運動方式和鳥類上下?lián)]動翅膀的動作類似。因此，以曲柄搖桿機構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計了如圖1所示的仿生撲翼飛行器撲翼機構(gòu)。該撲翼機構(gòu)分為左側(cè)撲翼機構(gòu)和右側(cè)撲翼機構(gòu)兩部分，這兩部分完全對稱。接下來以左側(cè)撲翼機構(gòu)為例進行詳細說明。

圖1所示的左側(cè)撲翼機構(gòu)由連桿AB、BC、DE、AD組成，在A、B、C、D處分別通過轉(zhuǎn)動副相連。其中AD為機架，即A處與D處轉(zhuǎn)動副與飛行器機身固連。在該四連桿機構(gòu)中，AB的長度最短，BC的長度最長，AB與BC長度的和小于AD與DC長度的和，因此該四連桿機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)，連桿AB為曲柄，連桿DC為搖桿。即當連桿AB做整周轉(zhuǎn)動時，連桿DC做往復運動，即連桿DE做往復運動，這樣就模擬了鳥類上下?lián)]動翅膀的運動。

接下來對機構(gòu)自由度進行分析，以便于確定原動件數(shù)目，以及需要多少個電機進行驅(qū)動。同樣以左側(cè)撲翼機構(gòu)為例進行詳細說明。左側(cè)撲翼機構(gòu)中，活動構(gòu)件數(shù)為3，運動副中低副的個數(shù)為4，高副的個數(shù)為0，因此該機構(gòu)的自由度為：

F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1

因此機構(gòu)的自由度為1。若要獲得搖桿DE的確定運動，只需將曲柄AB作為原動件，即通過一個電機驅(qū)動AB轉(zhuǎn)動，即可使得DE像鳥類揮動翅膀一樣上下運動。同理，右側(cè)撲翼機構(gòu)也只需采用電機驅(qū)動A1B1轉(zhuǎn)動，即可使得D1E1像鳥類揮動翅膀一樣上下運動。

至此，在模擬鳥類上下?lián)]動翅膀進行飛行的基礎(chǔ)上，完成了仿生撲翼飛行器撲翼機構(gòu)的設(shè)計。

4傳動機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了左側(cè)撲翼和右側(cè)撲翼兩部分后，需要分別對左側(cè)撲翼連桿AB與右側(cè)撲翼連桿A1B1進行驅(qū)動，而需要飛行器重量和體積盡可能小，因此需要一套傳動機構(gòu)，使一個電機能夠同時驅(qū)動兩側(cè)的連桿。

設(shè)計如圖2所示的齒輪傳動機構(gòu)。該機構(gòu)由4個齒輪組成，齒輪1與電機相連進行驅(qū)動；齒輪1與齒輪3嚙合，即可將電機轉(zhuǎn)動傳遞到齒輪3處；齒輪1與齒輪2嚙合，齒輪2與齒輪4嚙合，即可將電機轉(zhuǎn)動傳遞到齒輪4處；這樣通過齒輪傳動機構(gòu)即可將電機轉(zhuǎn)動同時傳遞給兩側(cè)的齒輪3和齒輪4。而添加齒輪2的作用為將齒輪3與齒輪4的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為相反方向，進而使得與撲翼機構(gòu)相連時使得兩側(cè)撲翼機構(gòu)能夠同步的上下運動。只要在齒輪1處安裝一個電機，使得齒輪1作為原動件即可使得齒輪傳動機構(gòu)具有確定的運動。即可通過一個電機使得兩側(cè)齒輪做相反方向運動。

5撲翼飛行器集成設(shè)計

基于上述撲翼機構(gòu)與傳動機構(gòu)的設(shè)計，現(xiàn)將二者進行集成，形成撲翼飛行器完整機構(gòu)。下面進行詳細闡述。

如圖3所示，將連桿AB與齒輪3固連，使得二者一起運動，即齒輪3轉(zhuǎn)動時可帶動連桿AB轉(zhuǎn)動，經(jīng)由桿件BC，最終可使得桿件DE上下擺動；同理，連桿A1B1與齒輪4固連，連桿D1E1與連桿DE一樣同時重復地上下擺動。

只要在齒輪1處安裝一個電機，使得齒輪1作為原動件即可使得齒輪傳動機構(gòu)具有確定的運動，即將轉(zhuǎn)動傳遞到兩側(cè)的齒輪3、4處，并且兩個齒輪做相反方向轉(zhuǎn)動；帶動與之相連的桿件AB、A1B1轉(zhuǎn)動，最終使得桿件DE、D1E1上下擺動，實現(xiàn)撲翼的功能。

6總結(jié)

本文運用仿生學的知識，通過模仿鳥類上下?lián)]動翅膀的動作，設(shè)計了一種仿生撲翼飛行器。該飛行器由撲翼機構(gòu)和傳動機構(gòu)兩部分組成，撲翼機構(gòu)用于實現(xiàn)模仿鳥揮動翅膀的動作，傳動機構(gòu)用于實現(xiàn)電機到撲翼機構(gòu)運動的傳遞?；谒倪B桿機構(gòu)中的曲柄搖桿機構(gòu)和齒輪系機構(gòu)進行撲翼機構(gòu)的設(shè)計，形成完整的撲翼飛行器機構(gòu)。所設(shè)計的仿生撲翼飛行器機構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，能很好的模擬鳥類揮動翅膀的動作；但是本文對整個機構(gòu)只進行了概念原理上的設(shè)計，未進行定量上的設(shè)計，各桿件以及齒輪的參數(shù)還未確定，后續(xù)還需進行此方面的研究。

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