微型扑翼飞行器传动机构的研究

2016-11-30北京茵普兰科技发展有限公司北京102299

中国新技术新产品 2016年2期

关键词：展望进程特点

高杰（北京茵普兰科技发展有限公司，北京　102299）

微型扑翼飞行器传动机构的研究

高杰
（北京茵普兰科技发展有限公司，北京102299）

摘要：本文通过对双曲柄机构、曲柄滑块机构、二段式传动机构的优缺点的比较，对微型扑翼飞行器的研究起到推动作用，要做到轻巧、紧凑、效率高，所以传动系统的优化和发展一直是当今微型扑翼飞行器的热点课题。

关键词：微型扑翼飞行器；传动机构；特点；进程；展望

1 微型扑翼飞行器传动机构的特点

仿生学研究表明，动物飞行能力和技巧的多样性多半来源于它们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。要想做到像鸟类的复杂运动模式，或者象昆虫类高频振翅扑动，都是相当困难的，扑翼飞行的特点就是利用动力的旋转运动转化成扑翼的上下扑动，产生升力和推力，由于微型扑翼飞行器将悬停、转向和推进性能的来源都集中到扑翼传动机构上，因此就要有高效、节能的传动系统与之相适应。微型扑翼飞行器传动机构通常包括：机架、动力输入、连杆件、转轴、左右扑翼杆五部分。机架为飞行器支撑机构，动力输入指动力源即电机，连杆件除机架及扑翼杆之外的杆件。动力源输入动力，旋转运动，通过曲柄连杆机构，变成扑翼杆上下扑动的往复直线运动。整体结构要求紧凑、轻巧、节能并能高效地实现象鸟类翅膀的多样复合运动。

动物翅膀复杂的多样运动决定了它们具有较高的升力机制，并能灵活地控制飞行姿态，如果要靠单纯的机械结构实现这些功能，是相当困难的。目前我们能做到的单纯地模仿鸟类上下扑动，主要分为两类，一类是仅仅产生上、下扑动的机构，即平面扑翼驱动机构，翅膀的扭转的力学性能靠扇面的柔性去解决；另一类是能像动物翅膀在扑动时，产生扭转、折叠动作以减小阻力和应用非定常机理的机构，即空间扑翼机构。由于高频扑动的空间扑翼机构的实现具有很大的难度，至今只有Dickinson就空间扑翼模型及其动力特性作了详细研究。本文将就平面扑翼驱动机构的设计进行探讨。

2 微型扑翼飞行器传动机构的进程

纵观扑翼飞行器的发展，微型扑翼飞行器传动机构主要有双曲柄传动、曲柄滑块机构。双曲柄机构由一个电机带动两个齿轮，每个齿轮上装有偏心杆，即曲柄，再通过连杆机构，一个曲柄带动一个扑翼；曲柄滑块机构由电机带动曲柄曲柄连接滑块，滑块在滑轨上下运动，双扑翼安装在滑块的两侧，这样滑块的上下运动就转化成扑翼的上下扑动。这两种机构都只能模仿鸟类单纯的上下扑动，不能满足鸟翼的多功能复杂运动模式，因此在翅膀选材上就要选择合适的柔性材料，靠材料本身的扭转提供扑翼前进所需的动力。

由美国佐治亚理工学院的工程师Michelson等研制的Entomopter微型扑翼飞行器，该机翼有前后两对，它的运动方式上下扇动，由一种往复式化学肌肉RCM （ReciprocatingChemicalMuscle）来驱动，采用特殊结构和材料制成。这种往复式化学肌肉能够将化学能转化为动能，而且不需要燃烧，因此它能量转换效率较高，但对技术方面要求严格、费用较高。在未来火星探测时，研究者期望它能够发挥重要作用。

国内对微型扑翼飞行器的研究近几年已逐渐成为热点，部分高等院校和科研机构已经开展了这方面的研究工作，由于一些相关技术与国外存在较大差距，目前的研究还处于仿制和起步阶段。计算机模拟运动轨迹进行仿真分析，“8”字轨迹运动，根据扑翼机构的运动特点，该机构以两连杆相连接的铰链点C为研究对象，能够实现比较理想的“8”字轨迹，通过改变连杆长度，“8”字轨迹变“水滴”轨迹，扑翼“8”字轨迹的运动能否产生空气动力，还有待于实物验证，单纯从机构的运动上来，能够实现鸟翼的运动轨迹。

纵观国内外仿生扑翼飞行器的研制，翅膀拍动实现方式有：电磁驱动，静电驱动。例如：上海交大的蔡弘等、日本东北大学ShimasakiK和他的研究小组均对微扑飞行器系统均提出采用电磁驱动实现翅膀拍动，把驱动系统和运动系统；融为一体，通过电磁力驱动聚酰亚胺翅膀的微型扑翼机。日本东京大学ShimoyamaI还研制了把运动系统和驱动系统做成一体、以电容为动力源的静电驱动微型飞行器。

仿鸟折叠翼的机构设计，中大型鸟类在飞行时通过调整鸟翼的折叠程度来实现的，例如在下扑时翅膀逐渐伸展开至完全展开来提高升力，上扑时尽量折叠和并拢，为了减少上扑的阻力，从而提高翅膀的扑动效率，节省能量。

Festo的科学家研制出的一款既能够模拟鸟类飞行也能够极逼真地扑动翅膀的机器鸟，即smartbird。这是一项富有革命性的设计，能够自动起飞、飞行和降落。智能鸟通过无线电控制，也可自主飞行。它的重量只有450g，通过摆尾和摇头改变飞行方向。此“聪明鸟”的设计思想来源于海鸥，体内装有两个齿轮，通过齿轮的旋转带动翅膀上下拍动。这两个齿轮相当于偏心轮，与牵引杆相连，通过转动为拍打翅膀提供上下扑动的动力源。扑翼的组成结构有：前后支架，翅膀主骨，翅膀副骨，翅膀外翼主骨，翅膀骨架固定轴，动力齿轮，翅膀付轴，联动板，三合一连杆，支架，前缘，后缘，筋。扑翼的运动不仅有上下扑动，弦向也有扭转运动，

3 微型扑翼飞行器传动机构的展望

总之，鸟类或者昆类都是经过上亿年进化的产物，这类研究虽然也取得了很大进展，但把扑翅运动看成是完全的意识控制，将仿生飞行系统看成是具有多自由度的运动系统和复杂完善的控制系统，目前的材料和技术是前进的主要障碍。昆翅的扑动是靠高频振动的柔性翼来产生推力和升力的，而且大多数昆虫都有悬停的能力，它们在悬停时身体与平面成30～60度角，拍翅与地平面成平行状态，基于这一点，未来的微型扑翼飞行器传动方式必须要采用直接驱动方式，不需要运转转换，可能会由压电驱动、电致伸缩器、人造筋驱动。这样能够提高能量的利用率，降低损耗，传动机构越复杂，重量越大，能耗越大，机动性越差，直接控制扑翼运动的机构能够解决微扑翼的高频振动，同时与控制系统相结合，从而实现扑翼有规律的运动，并能提高它的机动性。