基于喜鹊的多鸟类统一运动机构设计与实验

来源:用户上传      作者:张晨星 宋丕伟 岳泽锴 王亮 刘羽婷

　　摘 要：首先概述目前仿生鸟类扑翼飞行器发展缓慢的原因，针对其原因设计一种具有普适性的多鸟类统一运动机构，并对其主要结构进行简单的概述;其次通过inspire对运动部分进行运动分析实验，采集各项实验数据，并可视化处理;然后通过JJ124BC分析天平对模型运动机构整体质量进行抗压实验和质量数据采集，验证材料制造方面可行性;最终形成由提取蓝本参数、代入运算进行设计、虚拟样机仿真和扑翼飞行器制造的完整结构，践行设计制造一体化和微型扑翼飞行器实验研究的严谨性和实践性。
　　关键词：仿生机械学;仿生扑翼飞行器;运动分析;航空航天;飞行器设计
　　中图分类号：TH11 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）23-0053-04
　　Abstract： This paper first outlines the reason for the slow development of bionic bird flapping wing aircraft， and designs a universal multi-bird unified motion mechanism according to its reasons， and a brief overview of its main structure. Secondly， through inspire， the exercise part has conducted exercise analysis experiments， collects various experimental data， and can be treated visually， and then analyzes the overall quality of the model movement institution through JJ124BC analysis. The complete structure of parameters， integrated operations for design， virtual prototype simulation， and fluttering aircraft manufacturing， and practice the rigor and practicality of the integrated design and manufacture and the experimental research of the design and manufacture and the experiment of micro -fluttering aircraft.
　　Keywords： bionic mechanics; bionic flapping wing aircraft; motion analysis; aeronautics and astronautics; aircraft design
　　仿生湟矸尚衅魇且恢滞ü扇动翅膀飞行的机器。其中仿生昆虫飞行器和仿生蝙蝠飞行器发展较好，而仿生鸟类飞行器发展较为缓慢，该领域发展滞后的原因主要是鸟类翼型具有比其他2种飞行器的薄膜类翼型更为复杂的空间结构，并且鸟类物种繁多，运动方式及气动特性具有一定的差异性，从而该类飞行器难以形成一种比较可靠的统一运动方式，本文研究目标是建立一种具备普适性的多鸟类统一运动机构模型。
　　1 基于喜鹊的多鸟类统一运动机构简介
　　基于喜鹊的多鸟类统一运动机构简称XQ-2B，是基于生物工程学、空气动力学、机械工程学、电气工程及自动化多种学科为一体的仿生扑翼飞行器，目前，该运动机构共包含41个零部件，其主要的组成部分有：曲柄摇杆运动机构、动力传递减速系统、尾翼万向杆方向系统、内外翼仿生飞羽、无线控制及电路系统，具有喜鹊超大扑翼角度，并可通过修改构件参数、飞控系统调频及程序设计等方法，实现仿生多种鸟类的扑翼功能。如图1所示。
　　2 生物学分析
　　对于多鸟类统一运动机构的建立，需要选择具有代表性的设计蓝本，蓝本需要具有普适性的飞行方式并具有较大扑翼角度，通过多日对我国脊索动物门鸟纲约1 400种鸟类系统的调查、选型和分析，最终将样本锁定在雀形目鸦科鹊属的喜鹊上。喜鹊除了南美洲、大洋洲和南极洲几乎分布于世界各大陆，并且往往生活在人类集聚地周边，非常适合蓝本数据的采集和研发工作的开展。
　　3 运动机构拟合
　　针对喜鹊仿生运动机构的建立，需要对鸟类骨骼结构进行分析，此外，团队加入了人体骨骼与鸟类骨骼进行对比分析，经过大量的资料查询后发现，鸟类相比于人类骨骼，肱骨较短，尺骨和指骨下侧附有次级和初级飞羽，如图2所示。可以将掌骨、指骨和初级飞羽拟合为一个构件，并结合生物学、仿生机械学对运动机构进行设计，最终运动机构运动简图如图3所示。
　　4 机械运动机构部分
　　4.1 曲柄摇杆机构
　　常规仿生扑翼机构属于一种鸟类对应一种或多种扑翼机构，一直没有一种较为统一的模型供学术参考，从而造成该领域内结构种类繁杂，可参考性不强。因此，通过对仿生扑翼机构进行创新设计，依靠曲柄摇杆机构，利用单级齿轮机构来实现减速及动力传输，通过地面控制电控，调节电池输入电机的电压，进行扑翼速度的调节。电机输出动力，通过单级齿轮减速器进行减速，并将动力传输至曲柄摇杆机构，从而实现扑翼动作。如图4所示。
　　4.2 动力及减速器系统
　　由于在自然界中鸟类飞行的扑翼速度相较于步进电机的转速较低，为此在设计的过程中为电机添加了一级齿轮减速器和双翼齿轮啮合动力传递装置，可以进行传动比为3的减速运动，整体齿轮系统采用镂空设计，大大减少了系统的重量，双翼动力齿轮的啮合设计使得在进行扭矩传递的过程中同时保证了飞行器双翼振频一致。如图5所示。

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