04.仿生扑翼飞行器驱动结构设计

上图为单曲柄双摇杆机构，其工作原理是：曲柄l1绕支点 O 作整周回转运动，通过连杆 l2、l

3的连接作用进而带动摇臂 l4、l5绕 O1、O2作周期性往复摆动。缺点是左右两边机翼的扑动不同步，存在相位差，导致仿生扑翼飞行器的两侧机翼在飞行时受到的气动力不对等，极易引起栽落、摔机现象。

上图为曲柄滑块机构简图，其工作原理是：曲柄 l1绕支点O 作整周回转运动，通过连杆 l2带动滑块在滑道内滑动，两边的机翼与滑块铰接，滑块的运动使两边的机翼 l3、l4绕 O1、O2作周期性往复摆动。相比于单曲柄双摇杆机构，采用曲柄滑块机构的扑翼机两侧机翼不存在相位差，不会发生机翼受力不均等的现象，但是，该机构最大的问题摩擦阻力太大，尤其是高速扑动时，由摩擦所带来的磨损难以控制。

上图为空间曲柄摇杆（RSSR）机构简图，其工作原理是：曲柄 l1、l2与轴 OO1固连在一起作整周回转运动，通过连杆 l3、l4的连接作用，带动机翼 l5、l6绕轴 O2、O3作周期性往复摆动。该机构的优点是连杆两端分别有球副与主动件和从动件相连，使得机构紧凑、运动可靠灵活；该机构的缺点是求解方法复杂、设计过程繁琐，主要用于单段式仿生扑翼飞行器的驱动结构。

 上图为平面双曲柄双摇杆机构简图，其工作原理是：双曲柄 l1、l5分别绕着支点 O1、O2作逆方向的整周回转运动，通过连杆 l2、l6的连接带动摇杆 l3、l7绕着支点 O3、O4作周期性往复摆动。该机构的优点是两边机翼的扑动完全对称，相比于空间曲柄摇杆机构，平面双曲柄双摇杆机构的设计及优化更为简单。 

以上三种驱动机构各有优缺点，大家在设计自己扑翼飞行器的时候可以根据自己的设计条件选择合适的驱动机构，对于有良好数学基础的同学可以尝试一下空间曲柄摇杆机构的设计，完成数学建模和分析的部分，本次设计选择了平面双曲柄双摇杆机构。

在△B2CO 中，有公式

机架长度 d 的取值范围可以得到：

在 l3长度为单位 1 时，关于Ⅰ型平面曲柄摇杆机构，存在如下的关系：

求解公式（3-4）后，可以得到曲柄、摇杆如下关系： 

作出四杆机构的最小传动角可能出现的位置，如图所示。

可以发现最小传动角出现在 B3位置，此时，有如下关系：

便可以求出了最小传动角与机架长度的关系：

其中：

为了保证机械系统传力性能良好，一般要求最小传动角 γmin≥40°，极位夹角θ 取 15°，设计扑动角度 60°，其中上扑角度 45°，并将摇杆长度 l3取为 1，将设计参数代入到公式（3-3）、（3-8）中，得到：

将上述数值代入到公式（3-7）中，得到最小传动角与机架长度间的关系 

用MATLAB绘图可以得出：

从图 3.11 中可看出，机架长度 d 为 1.255 时，最小传动角γmin取最大值41.23°>40°，符合传动角设计要求。将结果代入到公式（3-5）中，得到连杆长度的比例： 

将上述结果代入到公式（3-1）中，得到 δ=77.64°。在扑翼扑动过程中，摇杆带动整个翅膀扇动，从杠杆原理出发，在满足部件正常运转、互不干涉的情况下，应该尽可能地使摇杆的尺寸尽可能地大，选定摇杆c长度 l3为 15mm，由此计算出其它各杆的长度尺寸a=7.209，b=17.4075，c=15，d=18.84。

在Solidworks中根据各连杆的长度建立仿真运动模型：

对摇杆进行角度跟踪，可以得出其角位移时间曲线：

鸟类和昆虫的主要不同之处在于鸟类的翅膀在扑动过程中可以进行主动折弯即“展开-折叠”运动。研究表明，单次扑动的情况下，鸟类翅膀的扑动效率比昆虫翅膀的扑动效率更高、气动性能更好。为了实现机翼在扑动过程中的“展开-折叠”功能，设计了四杆机构。

以曲柄转动圆心为原点建立坐标系，其余各点全部以坐标的形式表达，令 l1、l2、l3、d 分别代表曲柄 OA、连杆 AB、摇杆 BC 以及机架 OC的长度，l4、l5分别为内外扑动杆长度，l7、l8分别为辅助杆 EF、DF 的长度，上述各杆与水平线的夹角分别以ϕ1 ~ϕ 7及 α 表示，正负符号约定为：从水平线逆时针转至与杆重合为正、反之为负，杆 DG 与杆 DF 固连，夹角为 β，曲柄 OA、内扑动杆 CD 的转动角速度分别以 w1、w2表示。

（1）求ϕ3 、ϕ4 、ϕ5 与 α 的关系 

A、C 点的坐标表示为： 

E 点坐标表示为：

B 点坐标表示为：

ϕ3可表示为： 

在三角形BEC中有：

ϕ4 、ϕ3 与∠BEC 间存在关系： 

将公式（3-16）代入到公式（3-13）中，得到：

D点坐标可表示为：

求ϕ 1、ϕ2 、ϕ6 与 α 的关系 由 B、E 两点，可得： 

在三角形DEF中：

ϕ1 、ϕ2 与∠DEF 间存在关系：

F点坐标可以表示为：

从3-22可以得出：

那么G点的坐标就是：

从以上的分析计算可以看出，在扑翼驱动机构确定的前提下，D 点位置只与内翼杆 CD 的长度 l4有关；G 点的位置与杆长 l5、l6、l7、l8及夹角 β 都有关。参考鸟类体型尺寸，选定上述各设计参数如下：  l4=150，l5=150，l6=6.78，l7=160，l8=15，β=75°

同样在Solidworks中绘制运动简图：