仿生扑翼飞行器翅翼扭转机构设计

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1、第３５卷第２期西安工业大学学报Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．２２０１５年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＦｅｂ．２０１５ＤＯＩ：１０．１６１８５／ｊ．ｊｘａｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．２０１５．０２．００７仿生扑翼飞行器翅翼扭转机构设计王琨琦，陈世杰，刘颖（西安工业大学机电工程学院，西安７１００２１）摘要：为了解决仿生扑翼飞行器翅翼的扭转机构难于实现悬停和后退动作等问题，建立了扑翼飞行器的空气动力学模型，采用曲柄摇杆机构和滑槽结构分别设计了机翼尾部可滑动调节拉杆机构和翅翼前端的

2、转杆机构，得到了一种可实现悬停与后退复合运动的翅翼扭转机构．仿真结果表明：当扭转机构各杆件长度为５ｍｍ、１２ｍｍ、８６ｍｍ和９０ｍｍ时，扭转机构摇杆角度调节范围为１２０°～２００°，翅翼攻角变动范围为５°，线性度为８．３６％；调节扭转机构摇杆角度实现翅翼扭转．关键词：扑翼飞行器；翅翼扭转机构；空气动力学模型；翅翼攻角中图号：Ｖ２７６文献标志码：Ａ文章编号：１６７３９９６５（２０１５）０２０１２５０５犇犲狊犻犵狀狅犳犜狑犻狊狋犻狀犵犕犲犮犺犪狀犻狊犿狅犳犉犾犪狆狆犻狀犵?犠犻狀犵犕犻犮狉狅犃犻狉犞犲犺

3、犻犮犾犲犠犃犖犌犓狌狀?狇犻，犆犎犈犖犛犺犻?犼犻犲，犔犐犝犢犻狀犵（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｔｗｉｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｆｌａｐｐｉｎｇ?ｗｉｎｇｓｍｉｃｒｏａｉｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＦＭＡＶ）ｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｏｖｅｒａｎｄｒｅｖｅｒｓｅｍｏｖｅｍｅｎｔ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉ

4、ｃｍｏｄｅｌｏｆＦＭＡＶｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｒｏｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｒａｎｋ?ｒｏｃｋｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄａｔｕｒｎｉｎｇｌｅｖｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｌｉｄｉｎｇｓｌｏｔａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｆａｃｉｌｉｔａｔｅａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｔｒａｉｌｉｎｇｏｆｗｉｎｇｓａｎｄｒｏｔａｔｉｎｇｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｏｆｗｉｎｇ．Ｔｈｅｈｏｖｅｒａｎｄｒｅｖｅｒｓｅｍｏｖｅｍｅｎｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｔｈｅｔｗｉｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒ

5、ｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓ：Ｔｈｅｒｏｃｋｅｒ＇ｓａｎｇｌｅｒａｎｇｅｉｓｆｒｏｍ１２０°ｔｏ２００°，ｔｈｅａｎｇｌｅｏｆａｔｔａｃｋｉｓｃｈａｎｇｅａｂｌｅｗｉｔｈｉｎ５°，ａｎｄｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｉｓ８．３６％，ｗｈｉｌｅｔｈｅｌｅｎｇｔｈｓｏｆｂｏｄｉｅｓｏｆｔｈｅｔｗｉｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｒｅ５ｍｍ，１２ｍｍ，８６ｍｍａｎｄ９０ｍｍｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ；Ｗｉｎｇｔｗｉｓｔｉｎｇｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｒｏｃｋｅｒ＇ｓａｎｇｌｅｏｆｔｗｉｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎ

6、ｉｓｍ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＦＭＡＶ；ｔｈｅｔｗｉｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ；ｗｉｎｇｓ’ａｎｇｌｅｏｆａｔｔａｃｋ根据仿生学和空气动力学研究结果预见，在翼已成为当今航空领域研究的热点．Ｒ．Ｓ．Ｆｅａｒ和Ｋ．［３］展小于１５ｃｍ时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更Ｈ．Ｃｈｉａｎｇ研制了一种微机械飞虫（Ｍｉｃｒｏｍｅ［１］具优势．扑翼飞行器（Ｆｌａｐｐｉｎｇ?ＷｉｎｇＭｉｃｒｏ?ＡｉｒｃｈａｎｉｃａｌＦｌｙｉｎｇＩｎｓｅｃｔｓ，ＭＦＩ），采用压电石英驱动［４］Ｖｅｈｉｃｌｅ，

7、ＦＭＡＶ）具有将爬升、推进和悬停功能融飞行器的机翼振动；Ｊ．Ｍｕｅｌｌｅｒ研制了Ｍｉｃｒｏ?［２］于集体等独特优点．因此，对扑翼飞行器的研究Ｂａｔ，采用两套完全一样的曲柄摇杆机构叠加而成，收稿日期：２０１４１１２７基金资助：陕西省科技厅项目（２０１０Ｋ０９?０８）作者简介：王琨琦（１９５５），男，西安工业大学教授，主要研究方向为数字测量与控制技术、数控加工理论与实现．Ｅｍａｉｌ：Ｗａｎｇｋ５５０＠１２６．ｃｏｍ．１２６西安工业大学学报第３５卷机构简单紧凑、易于实现，但运动并非完全对称；文向，犣轴

8、的方向符合右手法则．在非稳态状态下翅献［５］把曲柄滑块机构和双滑块机构相结合设计了膀平面上翼元的空气动力与稳态流的相同，不同的“Ｓｐａｒｒｏｗ”微飞行器（Ｍｉｃｒｏ?ＡｉｒＶｅｈｉｃｌｅ，ＭＡＶ），是，在非稳态的情况下，前一刻的流场对后一刻的其原理简单、结构对称，但结构中有三处滑块，带来流场会产生影响，所以空气动力和流场是随时间变［６］了额外的摩擦，造成机械损耗．魏榛设计了一种化的．在翅膀平面坐标系下，每个翼面元上的空气［７］