两自由度仿生扑翼飞行机器人设计与运动分析

根据鸟类的飞行特性,设计了一种两自由度仿生扑翼飞行机器人。扑翼飞行机器人采用单电机驱动,能够实现扑动、扭转两自由度耦合运动,结构紧凑、运动高效,且机翼的运动形式接近鸟类。首先根据总体设计目标提出扑动-扭转耦合机构的运动特性要求,基于Adams建立了扑动-扭转耦合扑翼机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑动和扭转运动的变化规律,并得到了翼尖轨迹曲线。扑动-扭转耦合机构的参数与设计结果达到了扑翼机构的运动要求,为仿生扑翼飞行机器人的设计和研究奠定了基础。     

可变幅扑翼飞行器设计及多飞行模式实现

针对目前扑翼飞行器飞行模式单一,无法灵活调整飞行姿态的问题,设计了一款可变幅扑翼飞行器,通过调节翅翼扑动幅值,实现扑翼运动姿态和飞行模式切换.建立可变幅扑翼飞行器机构运动学模型,基于Adams和Matlab进行联合仿真,对扑翼飞行器进行运动特性分析.建立多飞行模式下的气动模型,通过XFLR5软件分析可变幅扑翼飞行器的气动特性,通过设定相关参数,实现了起飞、快速飞行、慢速巡航等多种飞行模式,提高了扑翼飞行器的灵活性,为未来扑翼飞行器的进一步发展提供了研究基础.     

柔性空间扑翼机构的刚柔耦合动力特性分析

针对目前扑翼驱动机构无法以简单结构实现复杂仿生运动问题,由空间四杆机构出发,引入柔性杆件设计思路,设计了一种柔性空间扑翼驱动机构。在单驱动条件下,实现了翅翼的扑动-扭转-挥摆耦合运动。建立了机构的运动学和气动力计算模型,求解了机构在运动过程中扑动角、扭转角、挥摆角以及翅翼所受的气动力变化。根据机构特性,在Adams中建立了考虑动力学特性与机构强度的刚柔耦合模型,分析了机构的运动轨迹、运动特性及柔性杆件的应力变化情况。结果表明,该驱动机构具有运动对称性与稳定性,翅翼实现了扑动-扭转-挥摆的耦合仿生运动,同时又满足了柔性机构的强度设计要求。     

基于CPG的扑翼飞行节律运动控制

生物的扑翼飞行本质上是一种具有时间和空间对称性的节律运动,由中枢模式发生器(CPG)所产生和控制.根据昆虫扑翼飞行的原理,设计了一个两自由度扑翼机构,在构建基于非线性振子的扑翼飞行CPG模型的基础上,研究了系统的响应,分析了模型中各参数变化对系统特性的影响.通过对扑翼飞行控制模型的工程模拟,选择出系统的第一阶模态振动,并调节各参数,使扑翼飞行器实现不同的飞行模式.这种仿生控制策略提高了扑翼飞行的运动能力和控制水平,探索了关于扑翼节律运动产生与控制的新思路.     

仿生扑翼结构优化设计及动力学仿真分析

针对目前飞行器结构复杂、效率低下及动作单一等问题,设计一种新型仿生扑翼飞行机构,仅通过单驱动装置即可实现机构扑翼的扑动、折叠、扭转等运动。依据生物尺度率设计扑翼机构的结构尺寸并对机构参数进行优化;通过SolidWorks构建仿生三维模型并基于ANSYS Workbench对扑翼机构进行有限元分析,得到扑翼齿轮组、曲柄、主翼杆等主要部件的总形变、应力、等效应变及主、副翼动力学运动参数,为仿生样机研制提供理论支持。     

微型扑翼飞行器仿生悬停原理研究

根据现有微型扑翼飞行器悬停技术的不足,研究了基于蜂鸟扑翼运动的仿生翻转翼悬停方式,提出了实现该种悬停方式的运动机构和控制方式,为实现微型扑翼飞行器高效悬停飞行及有效控制提供了依据.     

扑翼飞行器驱动机构的优化设计与仿真

针对目前双曲柄双摇杆结构应用在扑翼飞行器设计上较少,研究分析了扑翼驱动机构基于最小传动角最大的优化设计方法。在对传统四杆机构图解法的基础上,建立最小传动角与扑翼机架长度的关系模型。根据鸟类扑翼飞行的仿生条件,导出了机架安装角与扑翼扑动幅值、曲柄驱动角运动方程。利用MATLAB进行求解,确定驱动机构最优设计方案。建立扑翼驱动机构的虚拟样机,在ADAMS平台上进行虚拟运动仿真。结果表明,驱动机构的优化设计模型与扑翼扑动理论参数模型一致,此优化设计方法可行实用。     

扑翼节律运动的产生与控制

根据昆虫扑翼飞行节律运动的原理，设计一个压电驱动的两自由度扑翼机构。在建立扑翼物理模型的基础上，研究了其模态特征，并结合主动控制构建了一个范德波尔（van der Pol）类型的自激振动扑翼系统，使扑翼产生稳定的极限环运动。通过研究系统的响应，分析了控制力中各参数变化对系统特性的影响。在此基础上，利用交叉反馈选择出系统的第一阶模态振动，并调节各参数使扑翼飞行器实现不同的飞行模式。     

蜂鸟扑翼飞行器传动机构的实现与分析

仿鸟扑翼飞行器是一种模仿鸟类的飞行方式的飞行器,它的推进、举升和悬停等都依靠扑翼机构来实现,具有体积小、重量轻、灵活性高、隐身性好、能耗低等优点。本文主要通过对仿蜂鸟扑翼飞行器的传动机构进行分析,设计并3D打印装配实现。为进一步验证气动力加载情况下传动机构的性能,采用Adams软件进行仿真,结果表明,翅翼加载的气动力与电机输出力矩成正比关系。     

微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法

以微型扑翼飞行器研制为背景,从系统的角度提出了一种仿生扑翼驱动系统的工程设计方法。根据仿生尺度率原理,对微型扑翼飞行器的总体参数进行了初步设计,提出了驱动系统的设计目标。进行了扑动翼风洞实验,以实际能达到的飞行状态为标准对实验数据进行分析处理,获得了扑动参数的可行范围和功耗需求。对微型无刷电机进行了工作特性测试,得到了电机转速、转矩、输出功率、效率等的拟合关系。综合考虑扑动参数可行范围、功耗需求和电机特性等多个因素,对驱动系统的减速比分配、减速器优化和四连杆扑动机构计算等方面进行了设计,得到了具有良好系统匹配性能的微型扑翼驱动系统,并通过样机研制和飞行实验证明了设计方法的有效性与可行性。所得研究结论对微型扑翼飞行器的工程设计和研制有一定指导意义。     

基于扑翼式飞行器机构的研究

本文通过对鸟类骨骼和四种传统扑翼式飞行器机构的研究,针对单曲柄双摇杆传动机构扑翼运动的不对称性,从而影响运动的稳定性,以及双曲柄双摇杆传动机构虽然扑翼运动对称,但是只能简单的做上下扑动动作,而鸟类飞行翅膀还伴随着扭转动作,基于以上问题,本文设计出一可以模仿鸟类飞行时复杂扑翼运动的飞行器,扑翼既可上下扑动又可扭转,并分析了该飞行器的传动原理,利用三维软件Pro/E给出了扑翼式飞行器扑翼机构的三维模型,为未来全方位模仿扑翼运动提供一定技术支持。     

一种仿生微扑翼机构的动力学分析和模拟

通过尺度律分析初步确定仿生翼的基本参数.运用计算流体动力学(CFD)方法,对仿生翼进行数值模拟,计算出气动力特性和使飞行器能够在空中悬停的拍打频率.基于Pro/E的微扑翼机构系统动力学分析,研究了运动副的约束反力,为选择和设计轴承,以及计算零件的强度等提供了依据.     

受生物启发的扑翼飞行器弹跳机构概念设计

针对扑翼飞行器自主起降能力缺失、严重影响其适用场景的问题，开展了仿生弹跳机构设计研究。对鸟类跳跃起飞过程中典型的运动状态进行分析，结合其各阶段的后肢骨骼结构、重心、力、速度等运动变化规律，对扑翼飞行器弹跳起飞动态过程进行了设计。基于鸟腿的骨骼解剖学结构，设计了闭链齿轮-五杆仿鸟腿弹跳机构，并基于D-H法推导出弹跳机构运动学方程，利用拉格朗日方程建立了弹跳机构起跳阶段的动力学方程。对弹跳机构进行了详细结构设计，采用ADAMS对简化的弹跳模型进行了仿真分析。仿真结果显示，借助该仿生弹跳机构，扑翼飞行器系统质心速度达到8.4 m/s，大于“信鸽”飞行器起飞所需的速度7.9 m/s，具备弹跳起飞的可能性。     

仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的研究现状及展望

随着仿生扑翼飞行器的微型化，当扑翼飞行器达到昆虫置级的时候，任何复杂的运动系统都将面临难以实现的问题，翅翼的驱动方式也将面临新的挑战。本文从仿生飞行的历史与现状出发，论述了国内、外各类仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的研究状况。基于将昆翅视为柔性翅的观点，提出了仿生扑翼飞行器未来的研究前景翅翼在自适应变形状态下施以简单的节律运动将是仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的发展趋势之一。     

仿生扑翼飞行简化力学模型及其实验研究

在研究鸟飞行机制的基础上，通过对扑翼飞行翅的简化和分析，建立了仿生扑翼飞行的简化力学模型，结合翼形导出了在一个扑动周期中翅上所产生的平均前进力和升力公式。实验证明了该简化力学模型及相应力学分析的可靠性和正确性。研究成果为进一步研制仿生扑翼飞行器提供了理论依据。     

微扑翼飞行器总体设计及实验

提出了适合工程实际的微扑翼飞行器的设计方法.利用几何相似原理,拟合了以翼展为基本参数的仿生公式,并确定了飞行参数、结构参数和动力参数.根据初步的仿生设计结果,进行传动结构、翅翼尾翼等总体结构设计,并按照运动学分析、气动力分析、动力学分析相结合的动态分析方法研究了扑翼样机理论上产生的升力.与风洞实验结果比较表明,平均升力误差为0.61 g,基本满足设计要求,为微扑翼飞行器的研制提供了理论和实验依据.     

仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计

实验研究表明,昆虫(如鹰蛾)在作特定的飞行时,它的翅尖作8字形运动,并伴有翅翼的翻转.为了设计微扑翼飞行器的翅翼机构,深入研究了8字形曲线的形状谱特征,发现了形状谱及其相似度计算公式无法有效识别不同8字形曲线的问题.针对该问题,提出了一种基于形状谱提取8字形连杆曲线特征参数和区分8字形连杆曲线的新方法,并用此方法进行了仿鹰蛾微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计.     

一种攻角可调的双段翼仿生扑翼飞行器设计

基于机械设计技术与仿生学原理及空气动力学原理设计出一种可调节攻角的仿生双段翼扑翼飞行器.以无刷直流电机作为原动机,经过三级直齿轮减速器减速后,带动曲柄摇杆机构实现扑动动作,通过翅骨架上的舵机并配合各种传感器可在飞行过程中实时调节攻角.该仿生扑翼飞行器可以集起飞、加速、滑翔降落等飞行方式于一体,飞行方式灵活,仿真度高,隐蔽性好,续航时间长,在军事和民用等领域有着广阔的应用前景.     

仿生扑翼机构的优化设计

建立了扑翼飞行器四连杆扑动机构的数学模型,运用遗传算法对该模型中的机构参数进行了优化设计.优化后的结果显示相对于原有机构其优化机构左右扑动角的不对称性降低为原先的17.07%.采用优化机构的扑翼飞行试验表明飞行中扑翼左右机翼的运动不对称性得到极大改善.从而为扑翼机构的设计提供了一定的理论和工程指导.     

一种基于空间连杆机构的仿生海龟模型设计

针对海洋敌对势力入侵问题，根据海龟扑翼运动机理，设计一种基于空间连杆机构的海龟扑翼仿生机构，并以此为主体，构思仿生海龟模型，仿生海龟模型主要由底盘及框架、扑翼机构、传动机构、监测及控制装置4部分组成，利用慧鱼创意组件搭建了原理模型。实践表明，空间连杆机构中的输出构件可实现转动和摆动两种运动，初步模拟海龟扑翼的动作，实现仿生海龟的自由游动。在原理上，该设备配以红外传感器、摄像头等装置，可以实现海上监测敌情、打击敌方有生力量等功能，维护海洋和平。