王智森 張春濤

【摘?? 要】?? 基于大耳蝙蝠飛行時翅膀的飛行姿態(tài)和運(yùn)動軌跡，對翅膀結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，模仿設(shè)計了一種二自由度的仿蝙蝠飛行器撲翼，能夠?qū)崿F(xiàn)上下?lián)鋭雍褪辗艅幼鳌＝柚鶰ATLAB/UG軟件完成撲翼尺寸參數(shù)求解、結(jié)構(gòu)三維建模、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)動軌跡生成及上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)和收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析。結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)角位移變化曲線連續(xù)不間斷，未出現(xiàn)角度突變，不會造成瞬時沖擊，翼尖關(guān)節(jié)之間運(yùn)動不產(chǎn)生干涉，驗(yàn)證了撲翼運(yùn)動的可行性，同時為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】?? 仿蝙蝠飛行器；撲翼；結(jié)構(gòu)設(shè)計；運(yùn)動仿真

Flapping-wing Structure Design and Motion Simulation of Bat-like Aircraft

Wang Zhisen ， Zhang Chuntao

（Jingdezhen University， Jingdezhen 333400， China）

【Abstract】??? This article is based on the flight posture and trajectory of the wings of the large eared bat during flight， simplifying the wing structure and simulating the design of a two degree of freedom bat-like aircraft flapping wings， which can achieve up and down flapping and retracting movements. With the help of MATLAB/UG software， the flapping wing size parameters are solved， the three-dimensional structure is modeled， the key node motion trajectory is generated， and the motion simulation analysis of the up and down flapping mechanism and the retracting mechanism is completed. The results show that the angular displacement curve of the joint is continuous without sudden change of angle， which will not cause instantaneous impact， and the movement between the wingtip joints does not interfere with each other， which verifies the feasibility of the flapping wing movement and provides a theoretical basis for the subsequent optimization design.

【Key words】???? bat-like aircraft; flapping wing; structural design; motion simulation

〔中圖分類號〕 TP391.9????????????? ?????? ????? ???〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A????? ???????????? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）02- 0062 - 04

[收稿日期]?? 2023-11-30

[基金項(xiàng)目]?? 江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ2202409）

[作者簡介]?? 王智森（1992-? ），男，碩士，景德鎮(zhèn)學(xué)院講師，研究方向：現(xiàn)代設(shè)計方法與數(shù)值仿真。

0???? 引言

近年來微型電機(jī)技術(shù)、新型復(fù)合材料及3D打印等領(lǐng)域創(chuàng)新性成果發(fā)展迅猛，使得新型仿生撲翼飛行器的設(shè)計成為熱門的研究方向［1］。仿蝙蝠飛行器作為仿生撲翼飛行器常見三大類之一，以高機(jī)動性、高隱蔽性及高環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)著稱，在軍事和民用領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景［2］。國外針對仿生撲翼飛行器的研究起步較早且技術(shù)成熟，其中以美國知名大學(xué)研究者研制的一款仿生蝙蝠撲翼飛行器為代表，機(jī)翼采用高度可伸縮的硅基薄膜材料，兩側(cè)采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動提供動力，形態(tài)特征與蝙蝠呈高匹配性，整機(jī)質(zhì)量只有93 g，撲翼拍打頻率達(dá)到驚人的10 Hz［3］。國內(nèi)關(guān)于仿生撲翼飛行器的實(shí)際應(yīng)用前景廣闊，關(guān)鍵理論技術(shù)創(chuàng)新不斷取得突破，較為先進(jìn)的如北京航空航天大學(xué)研發(fā)的仿鳥型撲翼飛行器和西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的仿蝴蝶型撲翼飛行器［4］。本文基于大耳蝙蝠飛行時翅膀的飛行姿態(tài)和運(yùn)動軌跡，模仿并簡化設(shè)計了一種仿蝙蝠飛行器撲翼結(jié)構(gòu)，針對撲翼進(jìn)行軌跡分析及運(yùn)動仿真，驗(yàn)證撲翼結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。

1???? 仿蝙蝠飛行器撲翼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1?? 撲翼機(jī)構(gòu)方案確定

蝙蝠作為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)飛行運(yùn)動的哺乳動物，在漫長的演變過程中前肢逐漸進(jìn)化成為翼手。蝙蝠的翼手主要由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)和5根手指6部分組成。蝙蝠的肩部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，分布著20多塊肌肉，一共具有5個自由度，因而能實(shí)現(xiàn)5個自由度的運(yùn)動，應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的飛行適應(yīng)性極強(qiáng)，其中最為顯著的運(yùn)動是肩部的上下?lián)鋭优c揮擺。研究發(fā)現(xiàn)，以常見大耳蝙蝠為例，翅膀上下?lián)鋭咏谴笮〉淖兓秶s為-13°～43.8°，撲動角位移隨時間以正弦運(yùn)動規(guī)律變化［5］。

本文從蝙蝠飛行過程的運(yùn)動特點(diǎn)出發(fā)，在保留蝙蝠飛行姿態(tài)的前提下對仿蝙蝠飛行器撲翼進(jìn)行機(jī)構(gòu)簡化。在撲翼單側(cè)的肩部布置2個自由度，分別模仿蝙蝠翅膀部分用于驅(qū)動仿蝙蝠飛行器的撲翼進(jìn)行上下?lián)鋭雍褪辗艅幼鳎瑩湟韮蓚?cè)整體呈對稱布置，單側(cè)機(jī)構(gòu)原理如圖1所示。利用曲軸和偏心輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)撲翼部分的上下?lián)鋭雍褪辗?個運(yùn)動的相互關(guān)聯(lián)，同時利用齒輪機(jī)構(gòu)將雙翼撲動自由度進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，使撲翼兩側(cè)的各部分運(yùn)動實(shí)現(xiàn)同步。為了簡化機(jī)構(gòu)，僅保留蝙蝠翼手部分最長的3根手指，同時將單根手指簡化成為一個桿件進(jìn)行分析。由于蝙蝠在飛行過程中手指間的夾角變化并不顯著，故采用轉(zhuǎn)動副連接于同一平面連桿機(jī)構(gòu)中擬合手指之間夾角的變化。

1.2?? 撲翼機(jī)構(gòu)參數(shù)求解

撲翼機(jī)構(gòu)參數(shù)求解過程包括上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)和收放機(jī)構(gòu)兩部分，通過解析法結(jié)合MATLAB編程實(shí)現(xiàn)各桿件參數(shù)及關(guān)鍵夾角的快捷求解［6］。首先進(jìn)行撲翼上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)參數(shù)求解，由偏心輪離心距[d]、偏心輪傳動桿[L1]、撲翼?xiàng)U前段部分[L2]、偏心輪中心到撲翼?xiàng)U支撐點(diǎn)的距離[L]組成一個平面四桿機(jī)構(gòu)。為了便于列出解析方程，定義偏心輪中心到撲翼?xiàng)U支撐點(diǎn)的距離[L]的相對坐標(biāo)為[（a，b）]。根據(jù)上文可知，模仿大耳蝙蝠翅膀的撲翼到達(dá)最低點(diǎn)時，撲翼與水平線夾角為-13°；到達(dá)最高點(diǎn)時，撲翼與水平線夾角為43.8°。定義撲翼到達(dá)最低點(diǎn)時[L1]和[L2]的最小夾角為[V1]，撲翼到達(dá)最高點(diǎn)時[L1]和[L2]的最大夾角為[V2]。

由上述分析可知，顯然對[L]有：

[L=a2+b2]???????????????????????? （1）

當(dāng)撲翼到達(dá)最低點(diǎn)時，通過幾何分析可得：

[a=L2×cos43.8°+（L1+d）×sin（V1-77°）b=（L1+d）×cos（V1-77°）-L2×sin13°L2=（L1+d）2+L22-2×（L1+d）×L2×cosV1] （2）

當(dāng)撲翼到達(dá)最高點(diǎn)時，通過幾何分析可得：

[a=L2×cos43.8°+（L1-d）×sin（V2-133.8°）b=（L1-d）×cos（V2-133.8°）-L2×sin43.8°L2=（L1-d）2+L22-2×（L1-d）×L2×cosV2] （3）

對式（2）和式（3）進(jìn)行整理得到：

[L2=[（L1-d）×sin（V2-133.8°）-（L1+d）×sin（V1-77°）]cos13°-cos43.8°L2=2×L1×dL1×（cosV1-cosV2）+d×（cosV1+cosV2）??????? （4）]??????? 由式（4）整理可以得到[L1]與[d]的比值關(guān)系，令[s=L1d]，通過MATLAB對式（4）進(jìn)行編程，主干代碼如表1所示。初定設(shè)計參數(shù)值[d=4 mm]、[V1=70°]、[V2=135°]，運(yùn)行求解可以得到比值[s]，進(jìn)而確定撲翼上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)其余桿件參數(shù)及關(guān)鍵夾角如表2所示。

撲翼收放機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示，可以拆分為六部分：由Yd、Y1、Y2-1、L2-1組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；由L2-2、Y2-2、Y3、Y5-1組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)1；由Y3-2、Y4、W3-1、Y5組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)2；包含Y6、W1的翼手機(jī)構(gòu)1；包含Y7、W2的翼手機(jī)構(gòu)2；包含W3的翼手機(jī)構(gòu)3。

對雙搖桿機(jī)構(gòu)2、翼手機(jī)構(gòu)1、翼手機(jī)構(gòu)2及翼手機(jī)構(gòu)3進(jìn)行分析，當(dāng)撲翼逐漸舒展即W1、W2、W3逐漸張開時，Y4與W3連接點(diǎn)到Y(jié)5的距離先增大后減小；Y4與Y6連接點(diǎn)到Y(jié)5與W1連接點(diǎn)的距離逐漸增大；Y4與Y7連接點(diǎn)到Y(jié)5與W2連接點(diǎn)的距離相對不變，且W2和L2始終保持近乎垂直的姿態(tài)；當(dāng)撲翼收放到最小時，W1、W2、W3處于近乎平行的姿態(tài)，因此Y3-2的長度大于W3-1的長度。繼續(xù)針對雙搖桿機(jī)構(gòu)1進(jìn)行分析，當(dāng)撲翼收放到最小時，Y5和Y2成銳角且達(dá)到最小值，同時Y2和L2呈現(xiàn)垂直姿態(tài)，且為了撲翼運(yùn)動過程中重心保持不變，使L2-2與Y5-1的長度相等。綜上分析當(dāng)撲翼收放到最小時，可得：

[（Yd+Y1）2=Y2-12+L2-12]????????????? （5）

設(shè)定初始參數(shù)值[Yd=4 mm]、[Y1=10 mm]，代入撲翼?xiàng)U前段[L2-1=11.7 mm]，由式（5）求得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)桿件[Y2-1=8 mm]。雙搖桿機(jī)構(gòu)和翼手機(jī)構(gòu)的設(shè)計求解過程與上述類似，不再贅述［7］。利用MATLAB編程配合解析法快捷求解其余桿件參數(shù)，得到撲翼收放機(jī)構(gòu)其余桿件參數(shù)如表3所示。

1.3?? 撲翼結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于仿蝙蝠飛行器的撲翼單側(cè)分別具有2個自由度，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件為其所具有的自由度數(shù)目等于原動件數(shù)目。為了使所設(shè)計的仿蝙蝠飛行器撲翼具有確定的運(yùn)動軌跡，必須設(shè)計兩個原動件分別驅(qū)動撲翼的上下?lián)鋭雍褪辗艅幼鳌ｈb于撲翼雙翼拍動的過程中需要很強(qiáng)的同步性，并且在傳動過程中所傳遞的扭矩較大，以實(shí)現(xiàn)拍動空氣獲得升力，因此要求所選擇的傳動機(jī)構(gòu)能夠承受較大載荷及穩(wěn)定傳動比。采用齒輪機(jī)構(gòu)及偏心輪機(jī)構(gòu)對撲翼雙翼進(jìn)行驅(qū)動，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，以滿足仿蝙蝠飛行器撲翼雙翼的同步性要求。根據(jù)1.2中撲翼上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)和收放機(jī)構(gòu)分別求解得到的尺寸參數(shù)，借助UG軟件完成仿蝙蝠飛行器撲翼部件、齒輪、偏心輪等結(jié)構(gòu)的三維簡化建模并進(jìn)行裝配，得到仿蝙蝠飛行器撲翼簡化處理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2???? 仿蝙蝠飛行器撲翼運(yùn)動仿真分析

2.1?? 撲翼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)動軌跡

基于UG軟件的運(yùn)動仿真分析功能模塊，對仿蝙蝠飛行器撲翼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動特性研究。仿真模擬過程主要包括如下4個階段：建立撲翼結(jié)構(gòu)UG裝配模型，確定上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)與收放機(jī)構(gòu)裝配順序，避免出現(xiàn)欠約束或過約束情況；創(chuàng)建運(yùn)動分析方案，根據(jù)機(jī)構(gòu)自由度數(shù)及運(yùn)動副關(guān)系逐個對各機(jī)構(gòu)連桿添加運(yùn)動副，如旋轉(zhuǎn)副、球面副等；進(jìn)行撲翼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)動仿真分析，標(biāo)識各節(jié)點(diǎn)運(yùn)動軌跡；輸出仿真結(jié)果數(shù)據(jù)［8］；利用UG軟件中運(yùn)動模擬設(shè)計模塊中的軌跡生成器命令，選擇仿蝙蝠飛行器撲翼的肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)和翼手6個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行運(yùn)動軌跡模擬，如圖4所示。

由圖4分析可知：仿蝙蝠飛行器撲翼上下?lián)鋭雍褪辗艅幼骶軌驅(qū)崿F(xiàn)，撲翼上下?lián)鋭榆壽E為一段弧形，翼手收放軌跡為一個近似橢圓形，且均未出現(xiàn)運(yùn)動干涉及沖擊突變，實(shí)際運(yùn)動軌跡與理想運(yùn)動軌跡相擬合，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

2.2?? 撲翼運(yùn)動仿真分析

設(shè)定該飛行器撲翼齒輪軸的角速度為20 rad/s，分析單翼運(yùn)動仿真流程，選取撲翼?xiàng)U小臂關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量，得到撲翼上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)中撲翼?xiàng)U小臂關(guān)節(jié)點(diǎn)的角位移隨時間變化曲線，如圖5所示。

由圖5分析可知：在1個撲動循環(huán)周期內(nèi)，撲翼上下?lián)鋭咏谴笮〖s為55°，角位移曲線隨時間近似呈正弦運(yùn)動規(guī)律變化，與大耳蝙蝠翅膀的撲動規(guī)律相吻合。角位移變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)角度突變，不會造成瞬時沖擊，符合仿蝙蝠飛行器撲翼上下?lián)鋭觿幼鞯姆€(wěn)定性要求。1個撲動循環(huán)周期中下行速度較快，符合機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動特性，節(jié)省空回行程的時間，提高飛行效率。

撲翼收放機(jī)構(gòu)同理上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析流程，分別選取2個翼手翼尖關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，借助UG軟件中運(yùn)動模擬設(shè)計模塊中的監(jiān)視和圖表命令輸出運(yùn)動仿真結(jié)果，測得上述2個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的角位移隨時間變化曲線，如圖6所示。

由圖6分析可知：1個收放循環(huán)周期時間約為7.5 s，翼尖角位移變化平穩(wěn)且同步，有利于提高撲翼的機(jī)動性。角位移變化曲線連續(xù)不間斷，不會產(chǎn)生瞬時沖擊，翼手翼尖關(guān)節(jié)之間運(yùn)動不產(chǎn)生干涉，驗(yàn)證了撲翼收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可行性及穩(wěn)定性。

3???? 結(jié)語

本文對仿蝙蝠飛行器撲翼上下?lián)鋭訖C(jī)構(gòu)和收放機(jī)構(gòu)的方案確定、參數(shù)求解、結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真分析進(jìn)行了研究。針對撲翼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)輸出運(yùn)動軌跡，得到撲翼上下?lián)鋭榆壽E為一段弧形，翼手收放軌跡為一個近似橢圓形，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。由撲翼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)角位移曲線分析得到：撲翼上下?lián)鋭咏谴笮〖s為55°，角位移曲線隨時間近似呈正弦運(yùn)動規(guī)律變化，與大耳蝙蝠翅膀的撲動規(guī)律相吻合。1個撲翼收放動作時間約為7.5 s，翼尖角位移變化平穩(wěn)且同步，有利于提高撲翼的機(jī)動性。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 周林，張忠海，王建輝，等.撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.兵器裝備工程學(xué)報，2022，43（8）：44-54.

［2］ 鐘耀鵬，吳際霖，林之善，等.一種雙段式撲翼仿生飛行器設(shè)計［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（S1）：9-12.

［3］ 王文軒.基于連桿齒輪機(jī)構(gòu)的仿生撲翼飛行器設(shè)計［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017，38（1）：187-188.

［4］ 欒建舉，杜茂華.基于ADAMS的機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析［J］.軟件，2020，41（2）：162-165.

［5］ 左惟煒，鄧援超，魏兵.MATLAB的平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析與動態(tài)仿真［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，26（4）：84-86.

［6］ 余亮，韓芳，王鵬，等.局部閉鏈碼垛機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析及運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，20（2）：46-49+54.

［7］ 王智森，范云波.行走機(jī)械腿部軌跡規(guī)劃及運(yùn)動特性分析［J］.黑龍江工業(yè)學(xué)院學(xué)報（綜合版），2023，23（1）：79-84.

［8］ 修星晨，朱洪俊，謝鐸，等.基于MATLAB與ADAMS對撲翼機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2017，55（S1）：153-156.