毕业设计（论文）-仿生分布式驱动扑翼设计-机械鸟.docx

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1、仿生分布式驱动扑翼设计与商2ABSTRACT3第一章绪论41.1 课题背景及意义41.2 扑翼式飞行机器人国内外研究现状51.2.1 扑翼式飞行机器人国外研究现状51.2.2 扑翼式飞行机器人国内研究现状6第二章扑翼式机器人方案设计92.1 鸟类飞行机理分析92.2 鸟类的飞行情况分析92.3 扑翼式飞行机器人的尺度率分析及飞行参数的确定112.3.1 仿生分布式驱动扑翼器的尺度率分析112.3.2 扑翼式飞行机器人的飞行参数的初步确定11第三章 扑翼式机器人传动方案设计143.1 扑动结构方案设计143.2 传动方案的设计173.3 尾翼方案设计213.4 内外翼扭转控制机构设计22第四章

2、三维建模设计241.2 建立模型24参考文献27致谢29仿生分布式驱动仿生分布式驱动扑翼机器人是模拟鸟类、蝙蝠和昆虫等自然生物飞行姿态的一类飞行器。由于仿生分布式驱动扑翼相对旋翼和固定翼有着显著优点，故扑翼式飞行机器人人在许多领域有着广阔的应用前景。目前国内外对扑翼式飞行机器人人的研究仍然集中在单段和两段式刚性翼样机方面,往往忽略大鸟飞行时内翼的扭转运动，导致样机气动性能较差。针对此种状况,本文设计了一种两段式扑翼式飞行机器人人，可以在展向和内外翼弦向上进行两个自由度的运动，设计制作了扑翼样机，进行了相应的实验研究及结构分析。为了设计出仿生性能优越的扑翼式飞行机器人人，本文对大鸟如海鸥等的飞行

3、机理进行了研究，分析了鸟类的翅膀构造和鸟类飞行时的运动和受力情况，明确了设计要求。建立了不同鸟类飞行参数之间的数学关系。鉴于仿生扑翼式飞行机器人人的核心运动是其扑动机构实现的，在确定了扑动方案和扑翼样机的外形参数基础上，对扑动机构进行了尺寸设计。建立了机构运动学方程，直观的分析了扑动机构的角位移、角速度和角加速度的变化特性。利用条带理论估算了扑翼样机的气动力，对扑动机构进行了三维建模分析。基于扑动机构的尺寸设计，对扑翼样机进行了整体的结构设计，并对样机进行了加工制作。在扑动方案确定的基础上，对扑动机构进行了详细的结构设计，包括内外翼之间的连接方式等：对扑翼样机的内外翼扭转机构、翼型和尾翼进行了

4、详细的结构设计；对各个部件选择合适的材料进行了零件加工，对扑翼样机进行装配成型。并运用三维数模软件软进行三维数模的构建，希望通过本次设计对未来的小型龙门式机械手的设计提供设计参考依据.关键词：仿生分布式驱动扑翼，结构分析，三维数模?ABSTRACTFlapping wing aircraft man is a kind of aircraft which simulates the flightposture of birds, bats and insects-Because flapping wing flight has significantadvantages over rotor

5、and fixed wing, flapping wing aircraft has a broad applicationprospect in many fields.At present, the research on flapping wing robots at homeand abroad is still focused on the single-stage and two-stage rigid wing prototype,which often ignores the torsional motion of the inner wing during the fligh

6、t of thebig bird, resulting in poor aerodynamic performance of the prototype.In view of thissituation, this paper designs a kind of two-stage flapping wing UAM which canmove two degrees of freedom in the span direction and in the chord direction of theinner and outer wings- A prototype of the flappi

7、ng wing is designed and made, andthe corresponding experimental research and structural analysis are carried out.Inorder to design the flapping wing aircraft with superior bionic performance, thispaper studies the flight mechanism of large birds such as seagulls, analyzes thewing structure of large

8、birds and the movement and force of birds during flight, andmakes clear the design intuitively.The aerodynamic force of flapping wingprototype was estimated by strip theory, and the flapping mechanism was analyzedby 3D modeling.Based on the size design of the flapping mechanism, the wholestructure d

9、esign of the flapping wing prototype scheme, the structure of the flappingmechanism is designed in detail, including the connection mode between the innerand outer wings, etc.The torsion mechanism of the inner and outer wings, the airfoiland the tail of the flapping wing prototype are designed in de

10、tail.Select theappropriate materials for each part of the parts processing, the flapping wingprototype assembly molding.And the use of 3D mathematical modeling softwaresoftware for the construction of 3D mathematical modeling, hope through thisdesign for the future of small gantry manipulator design

11、 to provide a designreference.Key words: flapping wing aircraft man, structural analysis, three dimensionalmodel第一章绪论1.1 课题背景及意义仿生分布式驱动扑翼机器人是一类无人驾驶的飞行器,模拟鸟类、蝙蝠和昆虫等自然生物的飞行特性，以达到最大的飞行效率和机动性。在过去这些年中，对这一领域的许多研究己经在实施了，由于它适合许多潜在的应用，特别是在开阔地带的建筑物的搜索和救援、在工业中感测化学品的泄露和对核电站的辐射的监视和视察。从机械仿生学的角度来看，鸟类的飞行可以看作是由驱动器、传

12、动结构和仿生翅翼组成的系统运动。目前多数机构的研究主要集中在仿昆柔性翅和仿鸟单段翅，其样机的翅膀的材料一般会选择碳纤维、石墨-环氧树脂复合材料等来制作翅翼。而在仿鸟多段柔性翼方面的研究不够全面，刚性扑动机构所设计的样机难以模拟真实鸟类的翅膀在不同风速下的弯折、变形、张开和收拢的过程，这使得扑翼样机在气动方面的性能下降。与刚性机构不同，柔性机构通常包含弯曲关节、节段或其他弹性元件）它们可以通过柔性元件的变形来改变运动、力和能量。与刚性机构相比，柔性机构有数个优点，例如减少磨损，没有摩擦和间隙，以及与微电子机械系统加工技术的兼容性。基于以上研究背景，本课题提出两段式柔性仿鸟扑翼式飞行机器人样机设计

13、及实验研究。两段式柔性仿鸟扑翼式飞行机器人是一种采用两段翼结构形式的扑翼式飞行机器人，在翅膀扑动过程中，由柔性材料制作的翅翼在弦向和展向上存在着姿态的主动变化，该样机可以模拟鸟类在外界不同的气动力矩模式下导致扑翼发生柔性变形以及此时鸟类的运动规律。通过巧妙的机械结构设计，在适当的部位安装扭转舵机，从而实现对扑翼式飞行机器人内外翼翅膀的主动控制，此举可以更好的模拟。鸟类飞行时的真实姿态，增强样机飞行时的稳定性。从而为研制出具有优良飞行气动性能的扑翼式飞行机器人提供有意义的参考。1.2 仿生分布式驱动仿生分布式驱动扑翼机器人国内外研究现状1.2.1 仿生分布式驱动扑翼机器人国外研究现状最近数十年，

14、国外研究者在仿生扑翼样机的仿昆和仿鸟方面都取得了许多进展，仿昆一般都是单段翅，其中“Microbaf?是一种通过模仿蜜蜂的扑翼运动来实现飞行的小型飞行器，如图1-1所示，其设计者对蜜蜂飞行和非定常空气动力学进行了深入的研究，最终研制成功了很小尺寸的扑动机构，其可以同时产生升推力，在之后进行的样机试飞实验中，该小型扑翼样机最长飞行了。在柔性扑动机构方面，国外研究者提出了一种线性弹簧作为弹性储能单元的能量储存机制。如图1-2町所示，当一个翅膀接近一次上升冲程结束时，两个线性弹簧被充分拉伸，翅膀的动能转化为弹簧的弹性势能在随后的下行冲程中，储存的弹性势能被释放。是另一种解决方案，采用的是用一个扭力弹

15、簧来连接摇臂和机翼。另外，如图1.3所示，Beak等人通过联轴器将线性弹簧直接连接到四杆传动机构和机架上。他们的实验表明，通过将线性弹簧与扑翼机构相结合,平均功率可减少30%o此外，国外研究人员还研制成功了一种微型仿生分布式驱动扑翼器，其机翼采用单向柔性机构实现了像大鸟一样的折叠方式。还有一种鸟巢式飞行器，其中翅膀的前缘翼梁由柔性材料制成。扑翼样机的出现基本上都是上世纪90年代开始的，这是由工业技术和扑翼空气动力学的发展水平决定的。其中有一些国家还进行了载人扑翼的研咒加拿大多伦多大学研制的载人扑翼机，在1991年进行了该机14模型概念机的试飞，并“取得成功美国FAI组织认为这是第一次遥控机械驱动扑奥机的成功飞行2021此后随着微型飞行器概念的提出，各国纷纷展开了小尺寸扑翼的研究。在仿生鸟仿生分布式驱动扑翼器方面，最优越的成果出自德国科技公司Festo,其研制的一款名为“智能鸟” (SmartBird)是迄今为止仿鸟飞行器中最优秀、仿生程度最高的产品，如图1-4所示，其体重450 g,翼展2 m,与其仿生对象鲜鱼银鸥的大小相差无儿，其翅翼可以上下拍动，同时可以扭转机身一定的角度、摆动尾翼来改变方向。SmartBird的设计灵感来源于