王鵬程，王浩，顧光健

(南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

仿生撲翼飛行器是一種新概念飛行器，仿生撲翼飛行器的研究是一個(gè)多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉研究項(xiàng)目，需要綜合運(yùn)用生物學(xué)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)。其主要仿生研究昆蟲及鳥類的自然飛行機(jī)制，如昆蟲利用其薄如蟬翼的翅膀高頻振動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)前飛、倒飛、側(cè)飛等特技飛行；如鳥類可通過鎖定機(jī)翼保持滑翔姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)不需要外力作用下低耗能的遠(yuǎn)距離飛行。

仿生撲翼飛行器由于體積小巧、便攜、靈活的飛行，優(yōu)良的隱蔽性和高效率低能耗等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注，其可微程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋翼和固定翼，而且沒有螺旋槳或噴射裝置，從而可以迅速地起飛、加速、懸停，在民用和國防上有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。

1 單曲柄撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是撲翼飛行器的核心部分，其作用是把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)翼的拍打運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生撲翼飛行器所需要的空氣動(dòng)力。

單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化如圖1所示，這是把一個(gè)圓周驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，質(zhì)量較輕，較容易微小化；但直接使用存在的缺點(diǎn)是左右兩側(cè)搖桿機(jī)構(gòu)存在相位差，會(huì)使左右機(jī)翼產(chǎn)生的瞬時(shí)升力不等，造成飛行器晃動(dòng)，影響飛行過程中的穩(wěn)定性和操作性[2-4]。

圖1 單曲柄運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化圖

因此，能否有效減少不對(duì)稱搖桿機(jī)構(gòu)的相位差，直接關(guān)系到撲翼飛行器的飛行性能。

已有研究人員對(duì)單曲柄機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，力求改善機(jī)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性。如圖2所示，荷蘭代夫特科技大學(xué)的“DelFly I”[5]和日本東京大學(xué)的“BTO”[6]撲翼飛行器在傳統(tǒng)不對(duì)稱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將兩個(gè)連桿與曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)副分離，用成一定夾角固結(jié)的曲柄連接左右兩連桿，從而提高兩側(cè)搖桿的同步性能，飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

圖2 “DelFly I”飛行器

周凱[7-8]和張亞峰[9]等運(yùn)用MATLAB 優(yōu)化工具箱，通過設(shè)定目標(biāo)函數(shù)和約束條件來優(yōu)化不對(duì)稱搖桿機(jī)構(gòu)的各桿長(zhǎng)度，最終使兩側(cè)搖桿相位差達(dá)到最小。董二寶[10]等則采用解析法求得運(yùn)動(dòng)對(duì)稱機(jī)構(gòu)的理論最優(yōu)解，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)線圖和經(jīng)驗(yàn)公式，可為實(shí)際應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。

本課題為了改善這種撲動(dòng)不對(duì)稱性，在單曲柄撲翼機(jī)構(gòu)上加入Watt連桿機(jī)構(gòu)，利用Watt連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的近似直線運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入Watt連桿機(jī)構(gòu)之后，左右機(jī)翼具有非常好的對(duì)稱性，兩翼之間的相位差可忽略不計(jì)。

2 建立三維模型

設(shè)計(jì)模型依照鳥的質(zhì)量及飛行姿態(tài)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)[11-13]，確定了仿生撲翼飛行器機(jī)身長(zhǎng)度約250mm，整個(gè)翼展長(zhǎng)300mm。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)撲動(dòng)參數(shù)要求且使得結(jié)構(gòu)更加緊湊合理。

首先確定減速裝置。由于微撲翼飛行器撲動(dòng)頻率高，負(fù)載相對(duì)較大，采用直流電機(jī)無法驅(qū)動(dòng)直流撲翼機(jī)構(gòu)。通常的做法是采用齒輪減速器，以犧牲一定的轉(zhuǎn)速作為代價(jià)來增大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。本文選擇了二級(jí)展開式圓柱齒輪減速組，是由一級(jí)齒輪和二級(jí)齒輪組成，其中：一級(jí)齒輪與無刷電機(jī)齒輪相嚙合，二級(jí)齒輪與一級(jí)齒輪相嚙合，無刷電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)一級(jí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)二級(jí)齒輪傳動(dòng)。

然后進(jìn)行整機(jī)建模。通過三維軟件SolidWorks進(jìn)行各個(gè)零部件設(shè)計(jì)以及裝配，圖3為撲翼機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型，圖4為爆炸視圖。該機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)分支(COAE和COBF)，由于鉸接點(diǎn)A和B不重合，導(dǎo)致左右撲動(dòng)不對(duì)稱。

圖3 三維模型

圖4 爆炸視圖

通過Solidworks軟件運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真表明模型各部件之間運(yùn)動(dòng)無干涉。

3 Watt連桿機(jī)構(gòu)

JAMES Watt[14]于1782年發(fā)明了蒸汽機(jī)，其中發(fā)明了平行四邊形機(jī)構(gòu)，該平行四邊形機(jī)構(gòu)還整合了瓦特氏直線機(jī)構(gòu)。在大杠桿左邊外側(cè)是帶動(dòng)比較粗條的蒸汽機(jī)活塞桿件，而在內(nèi)側(cè)則帶動(dòng)比較細(xì)支的氣閥桿件。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能保證同時(shí)提供蒸汽機(jī)活塞桿與氣閥桿正確的垂直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，解決了如何利用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的難題。

圖5所示為Watt連桿的最簡(jiǎn)單形式，它由三連桿所組成，即AB、BC和CD。其中，A和D需要固定在空間中，但是可以自由旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)B和C做圓弧運(yùn)動(dòng)。AB與CD兩連桿具有相同的長(zhǎng)度，耦合連桿BC的中點(diǎn)P在中心位置時(shí)，連桿AB、CD和BC分別水平和垂直。

圖5 最簡(jiǎn)單的Watt連桿

值得注意的是，AB的長(zhǎng)度可能與CD的長(zhǎng)度不相等。一般形式的Watt連桿連接如圖6所示，其中P點(diǎn)符合的比例為：

有用的一段僅是B的小位移，或等效C的小位移。其中P點(diǎn)的完整軌跡是圖6所示的一個(gè)傾斜“8”型軌跡，其中心點(diǎn)附近是可以利用的近似直線軌跡。

圖6 Watt連桿及其耦合軌跡

因真正需要利用到就是P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以關(guān)心的只是如何更好地產(chǎn)生近似直線軌跡。耦合點(diǎn)P的位置可由5個(gè)參數(shù)計(jì)算得到，分別是3個(gè)連桿的桿長(zhǎng)、固定鉸鏈A和D之間距離、從x軸正向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到連桿AB的角度。

通過合適地選擇3個(gè)連桿的長(zhǎng)度和位置(圖7)，為了產(chǎn)生更好的直線軌跡，Watt遵循了以下公式：

圖7 Watt軌跡圖

這種Watt直線機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，利用它的近似直線運(yùn)動(dòng)軌跡，用在單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)中，使得中心鏈接能夠執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)，保證了左右拍動(dòng)完全對(duì)稱，同時(shí)增加了撲動(dòng)的緊湊性和穩(wěn)定性，提高了飛行效率。其三維撲翼機(jī)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 三維撲翼機(jī)構(gòu)

4 加入Watt機(jī)構(gòu)前后比較分析

4.1 Adams仿真分析

在Adams中建立單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型(圖9)，添加運(yùn)動(dòng)副，添加驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)仿真，主要分析左右機(jī)翼的撲翼角度和角速度的變化。

圖9 Adams仿真

4.2 優(yōu)化前后相關(guān)參數(shù)的比較

搖桿與水平線的夾角為撲翼角。當(dāng)搖桿在水平面上方時(shí)，撲翼角為正，反之為負(fù)。當(dāng)搖桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，搖桿角速度為正，反之為負(fù)。優(yōu)化前后相關(guān)參數(shù)的比較如圖10-圖13所示。

圖10 加入Watt前后的撲翼角的比較

圖12 優(yōu)化前后撲翼角度之差的比較

從以上優(yōu)化前后的參數(shù)曲線圖可知：

1) 在沒添加Watt機(jī)構(gòu)之前，在t=3.8s時(shí)，左右撲翼角度之差最大達(dá)到15°；在t=6s時(shí)，左右撲翼角速度之差最大達(dá)到14°/s；

圖13 優(yōu)化前后撲翼角速度之差的比較

2) 當(dāng)在添加Watt機(jī)構(gòu)之后，發(fā)現(xiàn)撲翼角之差和撲翼角速度之差都為0，即左右撲翼運(yùn)動(dòng)完全對(duì)稱；

3) 在加入Watt機(jī)構(gòu)之后，在保證了左右機(jī)翼運(yùn)動(dòng)完全一樣的同時(shí)，缺點(diǎn)是減小了上下?lián)湟斫嵌鹊姆秶?，從之前?0°范圍變成了40°的范圍。

5 結(jié)語

優(yōu)化改進(jìn)了單曲柄雙搖桿撲翼機(jī)構(gòu)的左右不對(duì)稱，在Adams中仿真分析了撲翼角度和撲翼角速度，為同類型的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)其他類型的微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也有很好的借鑒意義。

通過在單曲柄雙搖桿中加入Watt機(jī)構(gòu)之后，左右撲翼角之差和撲翼角速度之差的幅值比加入之前顯著降低，這也驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的正確性和可行性。