仿生微扑翼飞行器翅翼机构中弹簧参数的优化设计

在微扑翼飞行器的翅翼机构中加入弹簧,能减小载荷力矩波动对电机的影响。本文研究表明,弹簧参数的选择应与拍打频率相关,才能充分发挥弹簧的作用。因此,选取适当的弹簧参数至关重要。本文提出了弹簧参数的优化设计方法,给出了弹簧刚度系数与拍打频率应当满足的近似关系。

维普资讯 http://doc.guandang.net

机械传动文章编号：04—23 (080 10 59 20 )3一o3 o4—0 4

20年 08

仿生微扑翼飞行器翅翼机构中弹簧参数的优化设计(南交通大机械工程学院，四川成都 6 01王大燕谢进陈永西学 1 3) 0 摘要在微扑翼飞行器的翅翼机构中加入弹簧，能减小载荷力矩波动对电机的影响。本文研究表

明，弹簧参数的选择应与拍打频率相关，才能充分发挥弹簧的作用。因此，选取适"的弹簧参数至关重 3 -要。本文提出了弹簧参数的优化设计方法，出了弹簧刚度系数与拍打频率应当满足的近似关系。给

关键词翅翼机构弹簧弹簧参数

优化设计的前缘涡小，由此产生升力 _ j因此认为昆虫胸部 5。

引言基于仿生学原理的微扑翼飞行器在军事和民用上

肌肉变形和收缩一放松的过程其实是一个能量储存一释放的过程，上拍时储存能量，拍时释放能量。下

有极其重要的用途，近年来，引起了研究者们的特别关注。研究表明，鸟和昆虫飞行借助发达的肌肉群扑动双翼而实现[。从能量角度看，这种飞行是靠消耗鸟或昆虫自身的能量来维持的。从机械仿生角度考虑，

文献 E] 3采用包含弹簧的平面铰链四杆机构来实现扑翼飞行器翅膀的上下拍动，图 2所示。曲柄为如输入构件，曲柄旋转带动摇杆作上下往复摆动，翅膀固定在摇杆上 (杆相当于翅膀前缘 )摇。弹簧 o q一端与固定支座连接，一端与翅膀连接，当于昆虫的胸部另相

其类似于一个由驱动器、柔性机构和仿生翅组成的微扑翼飞行器扑翼系统 l 墙。]为了模仿鸟和昆虫的翅膀一胸部运动，文献[ 3— 4采用了一种包含弹簧的平面铰链四杆机构。铰链四]杆机构相当于骨骼和关节，弹簧相当于胸部肌肉，系是统中的柔性构件和储能元件。当微扑翼飞行器翅膀上拍时，弹簧拉伸，储存能量，拍时，回复力作用下恢下在复原长，放能量。释 研究结果表明 El,加入弹簧后的机构运动更 3[ 8,贴近鸟和昆虫的实际飞行模式，时也能大大减小上同下拍动过程中力矩波动对电机的影响。然而，于如关

肌肉。当翅膀上拍时，弹簧伸长，储存能量；翅膀下拍时，弹簧在

回复力作用下恢复原长，放能量，助翅释帮膀克服空气阻力。

何选择弹簧参数的问题至今还没有公开的研究报道。 本文深入研究了弹簧在机构运动中的作用，现发

图 1昆虫的翅膀和胸部结构E 8 ]

必须根据翅翼机构的拍打频率恰当地选择弹簧的参数，才能够达到在机构中加设弹簧的目的。在此基础上，出了弹簧参数优化设计方法，提并给出弹簧刚度系

数随拍打频率变化的数值拟合公式。

1弹簧在翅翼机构中的作用昆虫飞行依靠控制胸部弹性运动和作用于翅膀上的力实现，飞行相关的结构主要集中于翅膀和胸与

图 2四杆机构参数不意图

部_6, 2螺如图 1 I所示。昆虫翅膀运动由胸部肌肉控制，通过外骨骼、弹性关节、胸部变形以及收缩一放松肌肉向翅膀传递运动。 由昆虫模型翅膀试验和数值模拟研究可知，昆虫翅膀通过拍动时的前缘涡机制，生了足以维持自身产重量的高升力，即下拍时产生的前缘涡大，拍时产生上

11机构的运动分析 .实际的翅翼机构由两个对称的如图 2所示机构组成。本文以一边翅膀机构为例进行分析。以点 0为坐标原点 0(,)水平方向为轴，方向为 Y轴， 00,铅垂 C点坐标为 C( )%,。在闭环 0一A—B—C一0中列矢量方程

http://doc.guandang.net