7 机构运动仿真分析
利用Pro／E建立的微扑翼飞行器翅翼驱动机构组件模型。（注：建模时采用的国际标准—英尺，所有机构的尺寸都乘以一个比值，但相对关系并不改变。）
各杆的相对位置如图37所示，其中各杆的长度分别为：lAB?2.94cm、
lBC?8.262cm、lCD?6cm、lAD?8.88cm。
图37 各杆相对位置
运用Pro／E对机构运动仿真分析前，需要设置参数，过程如下： (a) 设置齿轮副 通过点击齿轮选项
，对传动比进行设置，如图所示。一共有三对齿轮副，
传动比分别为1/3；1/4；6/25，如图38所示。
40
图38 齿轮副定义
(b) 定义伺服电机 通过点击
设置伺服电机，如图39所示。设电机在动态分析中作匀速运
A=13600
deg/sec
(电机转速为
动，输入速度的模
13600r/min=13600*360/60=81600(deg/sec)，此处取13600 deg/sec进行仿真)，此伺服电机作用于电机转轴和齿轮1上。
图39 定义伺服电机
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(c) 进行运动仿真 通过点击构运动仿真”。
设置伺服电机，如图40所示。机构运动过程可参看视频“机
图40 运动仿真
(d) 测量CD杆顶点的位置变化 通过点击
设置测量点与参数，如图41所示。最终得到CD杆顶点的位置
变化曲线如图42所示。
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图41 设定测量点与参数
图42 CD杆顶点的位置变化曲线
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(e) 画出CD杆顶点的轨迹曲线
选择“插入”菜单里的“轨迹曲线”菜单，设置“轨迹曲线”对话框，如图43所示。最终得到CD杆顶点的位置变化曲线如图44所示。
图43 轨迹曲线设置
图44 CD杆顶点轨迹曲线
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机器人机构分析与综合
——扑翼飞行机器人的设计与分析
姓名： 班级： 学号： 日期：
扑翼飞行机器人的设计与分析
摘 要
仿生扑翼飞行机器人是一种具有新颖移动方式的、集多种前沿技术于一体的新概念仿生飞行器，目前己成为国际上的研究热点之一，无论在军事还是民用领域都有着广阔的应用前景。本文在总结了国内外最新研究成果基础上，围绕仿生扑翼飞行机理、仿生翼运动模型以及扑翼驱动系统展开了研究与探索。
首先介绍了仿生扑翼飞行的研究背景，分析了仿生扑翼飞行的特点及其可观的应用前景；阐述了仿生扑翼飞行机器人的研究现状，探讨了目前和将来研究中所遇到的一些关键技术。
基于空气动力学理论，对仿生扑翼飞行机器人的可行性进行了分析；探讨了动物飞行方式及其尺度律对仿生扑翼飞行机器人设计的启发，指出采用扑翼布局是解决在低雷诺数下飞行难点的一种可行方案；重点研究了动物扑翼飞行机理，为研制仿生扑翼飞行机器人设计提供了理论依据。
根据动物扑翼系统特点，探讨了仿生翼设计的一些重要因素;重点提出了扑式和洗式运动模型的概念，并分析比较了两者的特点，详细探讨了扑式运动模型的实现。
根据动物飞行尺度律，确定了样机设计参数；就基于连杆机构的扑翼驱动机构设计方案进行了分析比较，探讨了扑翼驱动机构的实现途径和方法，并针对基于四杆机构的扑翼驱动机构进行了优化设计；根据样机功率需求，选择了适合扑翼样机的动力装置、能源，设计了减速机构和控制系统。
对飞行方向控制、扑翼姿态以及柔性翅的模仿提出了自己独特新颖的观点，并把这些观点应用在扑翼式飞行机器人的设计之中。
根据设计参数建立三维模型，并对模型进行了运动仿真和受力分析，得到了较好的仿真和分析结果。
本文所有工作都取得了预期效果，相信随着研究工作的深入及相关技术的完善，仿生扑翼飞行机器人的研究必将取得突破性的进展。
关键词：仿生，扑翼飞行机器人，动物飞行机理，尺度律，扑翼驱动机构，优化设计，三维建模，运动仿真，应力分析
The Design and Analysis of Bionic Flapping-wing Aerial Robot
Abstract
Bionic Flapping-wing Aerial Robot(BFAR) is a aerial vehicle with new concept, which has novel locomotion method and involves and involves advanced technologies. BFAR becomes a hotspot of research recently, and has extensive application in military and civilian. On the basis of summarizing al lkinds of latest research achievements on this field, the flapping-wing flight mechanism、the movement model of bionic wings and the flapping-wing drive system are studied in this paper.
Firstly, the research background of BFAR is introduced; the characteristics and the application prospects are analyzed. It is also concluded that flapping-wing flight has higher efficiency and bigger miniature degree, and the BFAR is the tendency of flight robot. This thesis reviews the development and current research situation of BFAR, also discusses key technologies of BFAR.
Based on the aerodynamics theory, the feasibility of BFAR is analyzed. The design inspiration of BFAR, which comes from the flight mode and scaling rule, is probed into. It is proposed that flapping-wing flight is a doable scheme to solve the difficulty of flight under low Renaud. The flapping-wing flight mechanism of animal is investigated in particular, and the results provide a theory foundation for developing BFAR.
According to the characteristics of animal's flapping-wing system, some important factors of the bionic wing, design flapping-wing and washing-wing are discussed. A new concept of the locomotion is brought forward, and their characteristics analyzed respectively. The approach to realize the flapping-wing mode is studied in details.
On the foundation of animal flight scaling rule, the design parameters of the prototype are worked out. The design of flapping-wing actuators, based on linkage mechanism, is analyzed, the methods and ways of realizing the actuators are also discussed, the design of actuators based on the four-linkage mechanism is optimized. In conformity to the demand power, the motive equipment and energy system are
selected; the gear-down transmission system and control system are framed.
I have put forward my own unique and innovative ideas on direction control, flapping gestures and flexible wings, at last, I use these views in the design of flying robots.
According to the designed parameters, I have built a three-dimensional model, made motion simulation and stress analysis of the model. At last, I got a good simulation and analysis result.
All the work of this thesis shows a good achievement. With the development of research work, we think firmly that the research of BFAR will make a breakthrough in the future.
Key words: Bionics, Flapping-wing aerial robots, Flight mechanism of animals, Scaling rule, Flapping-wing actuators, Optimized design, 3D modeling, motion simulation, stress analysis
目 录
1 绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1 引言.................................................................................................................. 1 1.2 扑翼飞行特点及其应用前景.......................................................................... 1 2 扑翼飞行机器人的研究现状 ................................................................................ 3 2.1早期研究情况................................................................................................... 3 2.2国外研究现状................................................................................................... 3 2.3国内研究现状................................................................................................... 8 3 扑翼机器人研制的关键技术 .............................................................................. 10 3.1空气动力学问题............................................................................................. 10 3.2飞行动力和能源问题..................................................................................... 10 3.3仿生翼、扑翼机构和材料............................................................................. 11 3.4通信和控制系统............................................................................................. 11 4 两类扑翼式飞行方式的比较 .............................................................................. 13 4.1鸟类的飞行机理............................................................................................. 13 4.2昆虫的飞行机理............................................................................................. 15 4.2.1昆虫飞行的非定常特性.............................................................................. 15 4.2.2昆虫翅膀的形状和结构 ......................................................................... 16 4.2.3昆虫飞行的非定常高升力机理............................................................. 17 5 扑翼飞行机器人的设计及分析 .......................................................................... 20 5.1扑翼运动机构的选择..................................................................................... 20 5.2动力装置与能源的选择................................................................................. 24 5.2.1动力装置.................................................................................................. 24 5.2.2能源的选择.............................................................................................. 25 5.3齿轮减速机构的设计..................................................................................... 25 5.4扑翼四杆机构的优化设计及运动分析......................................................... 26 5.5仿生翼、机身、尾翼和控制系统................................................................. 30 6 扑翼飞行机器人的建模 ...................................................................................... 32 6.1机架................................................................................................................. 32 6.2动力源............................................................................................................. 33 6.3运动机构......................................................................................................... 34 6.4飞行方向控制系统......................................................................................... 35 6.5扑翼................................................................................................................. 37 6.6控制系统......................................................................................................... 38
图30 四杆机构三维模型
6.4飞行方向控制系统
扑翼机器人在运动的过程中，我们需要对其飞行的方向进行控制，这就要求我们掌握鸟类飞行方向的控制方法，同时在我们机器人的设计中加入方向控制系统，给扑翼机器人安装上方向控制系统。
本文中设计的飞行方向控制系统的核心思想是运动的合成。方向控制系统由两部分组成：头部控制系统和尾部控制系统。两者控制策略相同，现在拿尾部控制系统进行具体的说明。
控制系统的组成部件主要有：控制辐条、刚性杆、舵机。三者在机架中的相对位置如图31所示。
首先，本文要说明的是这些部件的连接关系：尾部和头部的控制辐条都在机架的两端，和机架的支撑杆采用球面副连接，保证辐条可以多方向的转动；刚性杆用于连接辐条和舵机，刚性杆与辐条是球面副连接，与舵机是销钉连接。刚性杆与舵机的销钉连接保证了刚性杆可以围绕舵机转动而不会卡死，刚性杆与辐条使用球面副连接，保证了辐条在围绕机架转动时，不会和刚性杆产生卡死现象。
其次，本文要重点说明的是运动的合成机理（相对运动示意图如图32所示）：1）当两个舵机向外并向相反方向转过相同角度时，这两个将最终导致辐条向前
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倾斜，导致尾翼向上偏斜，机器人向下运动；2）当两个舵机向外并向相反方向转过不同角度时，辐条向右下方或者左下方倾斜，这时机器人斜向下飞行；3）当两个舵机向内并向相反方向转过相同角度时，辐条向后倾斜，导致尾翼向下偏斜，机器人向上运动；4）当两个舵机向内并向相反方向转过不同角度时，辐条斜向下倾斜，尾翼斜向下偏斜，机器人斜向上运动；5）当两个舵机向外并相同方向转动，辐条斜向前倾斜，尾翼斜向上倾斜，机器人斜向下运动。
图31 飞行方向控制系统三维模型
辐条刚性杆刚性杆向外向内向外 舵机舵机图32 方向控制系统相对运动示意图
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6.5扑翼
在扑翼机器人的设计过程中，扑翼的形状主要采取模仿的形式进行设计，首先测量家鸽的翼型和尺寸，在设计的过程中，模拟家鸽的翼型，然后对其尺寸进行成比例的放大，放大之后，扑翼的性能基本不会有太大的变化，采用可以使用的轻质的材料制作其骨架和蒙皮即可，而且当今扑翼机器人的设计和制作中也主要采用近似模仿的形式进行。
本文与很多参考文献的不同之处在于，在扑翼的设计过程中，不仅仅模仿了扑翼的扑动情况，还在周向添加了航模舵机，用于模拟扑翼扑动过程中扑翼姿态的变化过程。在实际的制作和控制过程中，扑翼姿态的调节和扑翼的扑动是同步的，不同的扑动环节，扑翼的姿态也不相同，两者是相对应的，只需一块控制电路对两者产生同步的控制即可实现两者的协调工作。
四杆机构的摇杆和扑翼末端组成了扑翼机器人的翅膀，在两者之间加入一个弹性合适的弹簧，在上扑的过程中，弹簧压缩，避免翅膀向下折叠；在下扑的过程中，弹簧拉长，避免翅膀向上折叠。除此之外，这样的弹簧机构还可以模仿鸟类飞行过程中两节翅膀的相对运动状态，很好的进行了扑翼的仿生。
扑翼的proe模型如图33所示。
图33 扑翼三维模型
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6.6控制系统
控制系统主要包括以下几个部分：遥控器、控制电子器件和舵机。 遥控器主要是采购的已有的成品航模遥控器，不再进行详细说明和建模；控制电子器件由几块控制电路板组成，模型中采用一块简单的板材代替；舵机在控制系统的末端，负责控制运动机构，实现头部、尾翼和扑翼位姿的控制，在控制系统中起着重大的作用。建立舵机的简易模型，内部构造不再进行详细的建模。
控制系统的模型如图34、35所示。
图34 控制电路板
图35 舵机三维模型
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6.7扑翼机器人整体结构
将上述部分中的机架和驱动机构组合起来，构成扑翼机器人的整体结构框架，如图36所示。从整体结构的三维模型中可以看出，此扑翼机器人的结构紧凑合理，比例和鸟类近似，能够较好的模仿鸟类的身形。
在后面的章节中，本文将对此扑翼机器人进行运动仿真和应变分析，以证明此机构的合理性与可行性。
图36 扑翼机器人的总装配图
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图20 微电机的主体尺寸及主要参数
5.2.2能源的选择
能源的选择在扑翼飞行研究过程中非常重要。对于实验台的试验研究来说，可采用外接电源来供给能量。但对于将来目标是自主飞行的仿生扑翼飞行机器人而言，外接电源必然会使飞行活动受到很大的限制，因此须自身携带电池，为动力装置和控制系统供电。电池不仅要满足飞行设计要求，而且由于受到样机的几何尺寸和重量的限制，其体积和重量要受到严格的控制。在选择时应考虑以下几个方面:(l)电池要体积小、能量高、重量轻;(2)能量要保证飞行时所需拍动时间的需要，且要略大于马达额定电压;(3)为了降低成本，采用可多次充电的电池。
目前可充电电池主要有锂聚合物电池、镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池和锂金属电池。比较各种电池，根据性能比较及微电机的工作电压，试验样机选用1300mA、7.4V锂聚合物电池，其外形尺寸为58x33x19mm，重约60g。
5.3齿轮减速机构的设计
由于微型电机的输出力矩较小、转速较高，所以需要高减速比的齿轮组来增加输出力矩。首先，根据扑翼需求总功率P=8.028瓦，可求得翼扑动所需总力矩为:
8.028?0.959N?m?2?4??/3
式中?、P分别翼扑动角速度和扑翼需求总功率。
M1??
25
P考虑连杆机构的传动效率，取传动效率为??0.85，可得曲柄齿轮输出力矩为:
M2?M1??2??M1?0.959??/3??0.376N?m???0.85??
式中?2、?分别为曲柄齿轮转动角速度、扑翼幅度角。
由于齿轮传动效率很高，这里不考虑齿轮传动能量的损失。下面根据电机输出力矩阴Mmotor和曲柄齿轮输出力矩M2来估减速比i:
M20.376??47.959Mmotor0.00784
可取齿轮组传动比i=50。
i?参考机械设计手册，对于传动比i=50的齿轮组，确定为三级齿轮减速机构。由于微型马达的输出轴直径是2mm，取齿轮的模数m=0.5，取与马达输出轴固连齿轮分度圆直径d1=4mm。综上确定各个齿轮的分度圆直径及其传动方程:
d2d4d6122025i???????50d1d3d5456
由上式可得各齿轮的齿数为:z1=8、z2=24、z3=10、z4=40、z5=12、z6=50。齿轮减速传动示意图如图21所示，齿轮1直接和电机输出轴相固接，齿轮6的转动带动曲柄转动，作为四杆机构的输入，即为曲柄齿轮。
图21 齿轮减速传动示意图
5.4扑翼四杆机构的优化设计及运动分析
针对图18(a)所示机构进行样机研制，两个四杆机构实现双翼的对称、同步扑动。优化设计出具有最佳传动性能的曲柄摇杆机构。
当仅有行程速比K、扑动幅度角?和摇杆长度lCD给定时，机构有无穷多解。
26
如图22所示的图解法中，?即为极位夹角，可作出?C1C2P的外接圆，该外接圆就是曲柄(扑动翼)转轴A的位置，该外接圆上两段圆弧C1AF1和C2AF2就是曲柄转轴A的轨迹圆。随着A点位置选取的不同，所得机构的最小传动角度?min就
不同，机构的传动性能也随着变化。考虑样机要求结构紧凑，以曲柄转轴A到
C1C2的距离(YC?YA)为优化参数，以最小传动角?min趋于最大为目标函数，优化
计算出K、?和lCD条件下具有最佳传动性能的曲柄转轴位置。
优化原理及公式如下:
如图22所示建立一直角坐标系，首先假定lCD=1，则得
K?1? lC1D2?2sin lC1p?lC1D2ctg? K?12??1xC1??sin xC2?sin yC1?yC2?lC1p
2221lC1C2?r?? yD?yC1?cos
2sin?2设(YC?YA)己知，根据图22中各尺寸关系得
??180??yA?YC1?(YC?YA) xA??r2?YA2 lAC1?(xA?xC1)2?(YA?YC1)2 lAC2?(xA?xC2)2?(YA?YC2)2 lAD?xA2?(YA?YD)2 lAB?11(lAC2?lAC1) lBC?(lAC2?lAC1) 22式中YA、YB、YC和YD分别为各坐标点的标量。 曲柄四杆机构的最小传动角由下式确定：
?lBC2?1?(lAD?lAB)2? ?1?arccos??2lBC???lBC2?1?(lAD?lAB)2??2?arccos??
2lBC?? 27
图22 曲柄摇杆机构解析图
??2?90如果下，则令?3??2 ???2?90?2?180??2如果下，则令
机构最小传动角?min是?1、?3中最小者，即
?min?(?1,?3)min
以机构最小传动角?min为最大作目标函数，以(YC?YA)作设计变量，则有:
（1-1）
f(YC?YA)?max?(?1,?3)min? 由于满足设计要求的曲柄转轴A的位置应在两段对称圆弧C1AF1和
C2AF2上，
根据图22的几何关系，经过计算得到(YC?YA)的取值范围为:
(YC?YA)??0,2sin(?/2)?cos(?/2??)/sin?? （1-2）
对方程(1-1)和式（1-2），利用函数的极值求法，(YC?YA)在值域范内连续单调递增，最小传动角?
min也呈抛物线状连续变化，所以在K、?确定后，必有唯
28
一(YC?YA)对应max(?min)。根据(YC?YA)值，即为最佳转轴位置，利用公式计算
出各杆长度。当摇杆实际长度根据样机空间大小确定后，各杆尺寸只要按比例放大即可。
根据前面分析，初步确定样机的急回系数K=1.10、扑动幅度角??60。则计算得曲柄转轴A最佳位置为(YC?YA)?0.258时，有唯一对应最大的最小传动角
??max(?min)?46?40度，符合最小传动角小于许用值。其余杆件长度分别为
?lAB?0.490、lBC?1.377、lAD?1.480。
综合考虑机构总体空间大小，定摇杆长度lCD?6cm。按照以上优化结果，各杆件按比例放大6倍，利用AutoCAD绘制此四杆机构平面示意图，可见其属于I型曲柄摇杆机构。
对于四杆机构的运动分析，就是根据原动件的运动规律求出机构中其它杆件的运动规律，主要通过图解法和解析法来进行。通过分析扑翼驱动四杆机构中输出摇杆(翼)的角位移?、角加速度?、角速度?的变化规律，可以为仿生扑翼运动作出较详细的分析。角位移的变化可以用来分析翼上、下扑动幅度是否一致，是否实现对称扑动;角加速度的分析可以为仿生翼惯性力的计算提供数据。角速度的变化规律可以用来分析扑翼驱动机构是否利用动物飞行的下扑、上提时间不等机制，可为仿生翼的动力学分析提供数据。根据图23所示坐标系及各杆矢量和方位角，利用矢量分析法得出杆件运动，其中输出摇杆(翼)的角速度为:
???1lABsin(?1??2)lCDsin(???2)
式中?1、?1为输入曲柄运动规律，即为曲柄齿轮6的运动规律;
?2?arctanB?lCDsin?A?lCDcos?为连杆角位移规律;
B?A2?B2?C2??2arctanA?C为输出杆件(翼)的角位移规律;
22A?lAD?lABcos?1B??lABsin?1C?(A?B?lCD?lBC)/2lCD。 其中、、
29
图23 连杆扑翼驱动机构各杆矢量方向及方位角
5.5仿生翼、机身、尾翼和控制系统
仿生翼是扑翼飞行机器人的关键所在，这里选取质量轻、弹性好的碳素纤维作为翼脉和支撑架，使用防撕裂尼龙作为翼膜和机身的蒙皮，采用机械和粘结方法制作而成。也可采用轻质的泡沫塑料一体成型机身，在扑翼处采用轻质的可柔性变形的防撕裂尼龙。仿生翼的翼型模仿家鸽的翼型设计，形状与家鸽的翼型基本相同，只是尺寸上成比例的放大。
机身要求要重量轻，样机采用板状结构机身来固定所有部件，材料选用密度小而强度高的树脂纤维板。机身也可采用轻质的铝材打造，为了减少重量，在重量较大的位置打孔来减轻机身的整体重量。
要通过控制两翼的不同扑动幅度和飞行姿态来改变方向，目前实现起来具有很大难度，在样机的研制中，采用航模使用的舵机来控制机头和尾翼的偏转，从而调整飞行方向。舵机选用艾特航模5克舵机，其实物图如图24所示，主要性能参数如下：重量: 5g；堵转扭矩: 0.8kg×cm；角速度: 0.22s/60℃；体积: 长20mm, 宽12mm, 高22mm。它具有重量轻，尺寸小，反应速度快的特点。在整个控制系统中选用5个该种舵机：1个用于控制扑翼机器人头部的姿态（头部姿态影响着飞行器的迎角，影响着升力和阻力的大小），2个用于控制尾翼的姿态（尾翼的姿态直接影响着飞行姿态和飞行方向，因此采用两个舵机进行较为精确的控制），2个用于控制扑翼的位姿（鸟类飞行过程中在不同的阶段扑翼有不同的位姿，因此采用两个舵机对扑翼的位姿进行同步控制）。
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图24 艾特航模5克舵机实物图
在仿生翼结构的设计中，在调节仿生翼的扑翼拍动幅值的同时，在扑翼的周向安装舵机，从而调节扑翼与水平方向的夹角，更好的模仿鸟类实际的飞行动作。
整个控制系统包括电子调速器、方向舵、信号接收机、遥控器和锂聚合物电池和微电机。它们协调工作，共同实现扑翼机器人的仿生动作。
扑翼机器人整体的控制和传动系统如图25所示：
图25 扑翼机器人整体控制传动系统图
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6 扑翼飞行机器人的建模
扑翼飞行机器人模型的建立采用三维建模软件proe，本次建模使用的是proe4.0本版，建模主要分为以下几个方面的建模：机架（扑翼机器人的整体结构布局）、动力源（包括电池、电动机）、运动机构（包括动力传动和连杆机构）、扑翼（包括翼型和支撑架）、控制系统（包括遥控器、控制电子器件和舵机）。
6.1机架
机架的设计中应注意机架的整体布局应尽可能的左右对称，但是很难做到结构的完全对称，那就要求做到重量的左右、前后平衡，防止机器人在飞行过程中产生摆动和初始偏摆。在重量左右相同的前提下，尽可能的减少机架的重量，提高机器人的飞行性能和动力特性。因此，在不影响机架强度的前提下，可以在机架上打孔以减少机架的质量，提高机架的动力特性。
在设计机架的过程中，考虑到尽可能的减小机架的重量，机架只用一个圆柱状的杆构成，和杆装配在一起的还有驱动机构和方向控制机构的支承座，这些支承座的厚度都很薄，尽可能的减少了机架的质量。
在机架的两端，采用类似于车轮的辐条支撑，构成扑翼机器人的整体骨架，在实际制作扑翼机器人的过程中，只需在这些支架上蒙上一层很薄的蒙皮即可构成很好的扑翼机器人的外形，具有良好的流线型，并且减轻了质量，使机器人的整体质量大大减少，动力性能大大提高。
机架的模型如图26所示。
图26 机架三维模型
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6.2动力源
动力源包括电动机、电池，两者的质量相差不大，在整体质量中占的比例较大，因此，在动力源质量的分布中，电动机和电池尽可能的对称分布，以减小不平衡质量的影响。
在proe建模中，电动机、电池内部结构就不再详细建模了，只做出它们的外部尺寸模型，建立的模型如图27、28所示。
图27 电机三维模型
图28 电池三维模型
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6.3运动机构
运动机构包括齿轮减速器和连杆机构，在减速器的设计中，由于扑翼机器人实际运动中的阻力并不是很大，所以采用直齿轮，建模中省去了小型的滚动轴承的建模，在实际的加工过程中应加上小型的滚动轴承来减小摩擦，在此处为了建模和装配的方便，省去了小型轴承的建模。
建模过程中要注意杆件和齿轮之间的相关位置关系，这将直接影响运动的可靠性和运动的精度。
在proe中建模，建立的运动机构的三维模型如图29、30所示。
图29 电机和减速器三维模型
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