一种分布柔度式扑翼驱动机构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种分布柔度式扑翼驱动机构及其设计方法，属于扑翼飞行器技术领域。分布柔度式扑翼驱动机构，包括扑翼驱动机构安装架及设置在扑翼驱动机构安装架上的压电双晶片驱动器和分布柔度式传动链；分布柔度式传动链包括一对竖向弹片和一个横向弹片，分布柔度式传动链具有两个扑动臂和一个扑动传动部；压电双晶片驱动器的固定端固定在分布柔度式传动链的后端；方法包括a.将压电双晶片驱动器简化为等效单自由度二阶直线振动系统；b.分布柔度式传动链简化为等效“多刚体—扭簧”系统；c.求取扑动翼气动阻力与力矩；d.进行模型组装；e.建立受迫振动方程组；f.取优化问题的目标函数；g.优化设计。它具有工作寿命长，飞行效率高等特点。等特点。等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种分布柔度式扑翼驱动机构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及扑翼飞行器


技术介绍

[0002]扑翼驱动机构是仿生扑翼飞行器的动力系统，其构型方案与动力学性能对扑翼飞行器的飞行能力具有重要影响。传统扑翼驱动机构均采用刚性连杆与摩擦式运动副相结合的构型方案，在大尺度与厘米级的扑翼飞行器中得到了广泛应用。但是当扑翼飞行器的尺寸缩小至毫米量级时，这类“刚性连杆—摩擦运动副”式扑翼驱动机构将出现构件强度下降、运动副磨损剧烈、运动频率难以提升等多种问题。因此人们不得不继续探索其他新型的机构构型方案。
[0003]哈佛大学的Wood团队研发了一种由聚酰亚胺薄膜柔性铰链一体连接而成的碳纤维刚性薄板式滑块—摇杆扑翼驱动机构，用于装备硬币大小的“Robobee”和“HMF”系列微型压电扑翼飞行器，其运动频率可达到100Hz以上。但是这类集中柔度式扑翼驱动机构在高频运动过程中，其柔性铰链位置会出现明显的应力集中现象，从而大幅度缩短了其使用寿命。武汉科技大学利用柔性支撑杆设计了一种空间四连杆机构，从而减少了传动链中构件与运动副的数目，起到了减重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布柔度式扑翼驱动机构，其特征在于：所述分布柔度式扑翼驱动机构包括扑翼驱动机构安装架(3)及设置在所述扑翼驱动机构安装架(3)上的压电双晶片驱动器(4)和分布柔度式传动链；所述分布柔度式传动链为左右对称结构，其包括一对竖向弹片和一个横向弹片(7)，一对所述竖向弹片分别为左侧弹片(5)和右侧弹片(6)，所述左侧弹片(5)和所述右侧弹片(6)左右相向对称设置，它们的连接结构为：首先将所述左侧弹片(5)的上端部位与所述右侧弹片(6)的上端部位分别向外侧对称预弯曲变形，将所述横向弹片(7)的左端部位与其右端部位分别向上预弯曲变形，之后再将所述横向弹片(7)的左端部位与所述左侧弹片(5)的上端部位固定粘接在一起，将所述横向弹片(7)的右端部位与所述右侧弹片(6)的上端部位固定粘接在一起，从而形成具有预应弹力的所述分布柔度式传动链；所述分布柔度式传动链具有两个扑动臂和一个扑动传动部(8)，两个所述扑动臂分别为左侧扑动臂(9)和右侧扑动臂(10)，所述左侧弹片(5)与所述横向弹片(7)的交汇处形成左侧扑动臂支撑部，所述左侧扑动臂支撑部外端的所述左侧弹片(5)与所述横向弹片(7)连接部位形成所述左侧扑动臂(9)；所述右侧弹片(6)与所述横向弹片(7)的交汇处形成右侧扑动臂支撑部，所述右侧扑动臂支撑部外端的所述右侧弹片(6)与所述横向弹片(7)连接部位形成所述右侧扑动臂(10)；所述左侧扑动臂(9)与所述右侧扑动臂(10)在所述分布柔度式传动链的预应弹力作用下由内端至外端向上倾斜，从而使所述分布柔度式传动链形成左右对称结构；所述横向弹片(7)的中间部位形成所述扑动传动部(8)；所述压电双晶片驱动器(4)的固定端固定在所述分布柔度式传动链的后端，其自由端与所述分布柔度式传动链的扑动传动部(8)固定连接；所述压电双晶片驱动器(4)通过其自由端驱动所述扑动传动部(8)上下震动，在所述预应弹力的作用下，所述分布柔度式传动链驱动所述左侧扑动臂(9)与所述右侧扑动臂(10)做同频同幅扑动运动。2.根据权利要求1所述的一种分布柔度式扑翼驱动机构，其特征在于：在所述分布柔度式传动链中，所述横向弹片(7)的所述扑动传动部(8)为横向弹片大刚度段，所述横向弹片(7)位于所述扑动传动部(8)两侧的部位为横向弹片小刚度段，所述横向弹片大刚度段的刚度大于所述横向弹片小刚度段的刚度，其中，位于所述扑动传动部(8)左侧的横向弹片小刚度段为横向弹片左侧小刚度段，位于所述扑动传动部(8)右侧的横向弹片小刚度段为横向弹片右侧小刚度段；所述左侧弹片(5)及所述右侧弹片(6)的下部为竖向弹片大刚度段，所述左侧扑动臂(9)及所述右侧扑动臂(10)上部为竖向弹片小刚度段，所述竖向弹片大刚度段的刚度大于所述竖向弹片小刚度段的刚度；其中，所述左侧弹片(5)的竖向弹片大刚度段为左侧弹片大刚度段，所述左侧弹片(5)的竖向弹片小刚度段为左侧弹片小刚度段，所述右侧弹片(6)的竖向弹片大刚度段为右侧弹片大刚度段，所述右侧弹片(6)的竖向弹片小刚度段为右侧弹片小刚度段；所述左侧弹片大刚度段的下部与所述右侧弹片大刚度段的下部分别通过传动链固定板(11)固定在所述扑翼驱动机构安装架(3)上，以在所述扑动传动部(8)震动时，使其保持竖直方向。3.根据权利要求2所述的一种分布柔度式扑翼驱动机构，其特征在于：所述扑翼驱动机构安装架(3)采用编织碳纤维层合板材质制作，所述扑翼驱动机构安装架(3)的折弯处由编
织碳纤维层合板中间层的柔性折弯薄膜连接形成折叠缝，并在所述编织碳纤维层合板的折叠缝及所述编织碳纤维层合板的对接缝处涂胶固定，从而使所述扑翼驱动机构安装架(3)形成一体化结构；所述左侧弹片(5)，所述右侧弹片(6)和所述横向弹片(7)均由三层宽度相同的聚丙烯薄板相互层叠粘接组成，其中外侧两层聚丙烯薄板的厚度相同，其刚度的大小通过中间层的聚丙烯薄板的厚度大小实现。4.一种分布柔度式扑翼驱动机构的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a.依据集中质量法原理，将所述压电双晶片驱动器(4)简化为一个同时含有等效质量块M
act,e
，等效直线阻尼C
act,e
，等效直线弹簧K
act,e
和等效压电驱动力F
p
的等效单自由度二阶直线振动系统；通过沿竖直方向的移动副将等效质量块M
act,e
与大地相连：等效直线弹簧K
act,e
与等效直线阻尼C
act,e
沿竖直方向相互并联，其上端均与等效质量块M
act,e
固联，下端均与地固联；等效压电驱动力F
p
沿竖直方向作用在等效质量块M
act,e
上，在线性范围内，等效压电驱动力F
p
与沿压电陶瓷片厚度方向的电场强度E
V
成正比；即：F
p
＝λ
p
E
V
式中：λ
p
为力—电比例系数；E
V
则是压电双晶片驱动电压U和驱动频率f
elec
的函数；将等效质量块M
act,e
沿竖直方向的位移定义为所述压电双晶片驱动器(4)的等效直线位移输出x
act
；b.所述分布柔度式传动链依据大变形柔性梁的1R与2R伪刚体模型理论简化为由多段刚性连杆与扭簧连接而成的等效“多刚体—扭簧”系统，则：a).在所述横向弹片(7)中，所述扑动传动部(8)等效为连杆l
11
；在所述横向弹片左侧小刚度段中，所述左侧扑动臂支撑部对所述横向弹片(7)形成支撑，在所述扑动传动部(8)的左端与所述左侧扑动臂支撑部之间的部位等效为扭簧K
11
，所述左侧扑动臂支撑部等效为扭簧K
13
；所述扑动传动部(8)的左端与所述扭簧K
11
之间等效为连杆l
12
，所述扭簧K
13
与所述扭簧K
11
之间部位等效为连杆l
14
，所述左侧扑动臂(9)部位等效为连杆l
16
；将所述扑动传动部(8)与所述横向弹片左侧小刚度段的固定连接等效为连杆l
11
与连杆l
12
之间的固定副；在所述横向弹片右侧小刚度段中，与所述扭簧K
11
，所述扭簧K
13
，所述连杆l
12
，所述连杆l
14
，所述连杆l
16
相对应的部位分别等效为扭簧K
12
，扭簧K
14
，连杆l
13
，连杆l
15
，连杆l
17
；将所述扑动传动部(8)与所述横向弹片右侧小刚度段的固定连接等效为连杆l
11
与连杆l
13
之间的固定副；b).在所述左侧弹片(5)中；所述左侧弹片大刚度段中，通过所述传动链固定板(11)与所述扑翼驱动机构安装架(3)固连以保持竖直方向的所述左侧弹片大刚度段部位等效为连杆l
21
，紧邻所述连杆l
21
的上部等效为扭簧K
21
，位于所述扭簧K
21
以上部位等效为连杆l
22
；所述左侧弹片小刚度段中，所述左侧扑动臂支撑部等效为扭簧K
23
；在所述扭簧K
23
与所述连杆l
22
之间的部位等效为扭簧K
22
，所述扭簧K
22
以下部位等效为连杆l
23
，所述扭簧K
22
与所述扭簧K
23
之间部位等效为连杆l
24
，所述左侧扑动臂(9)部位等效为连杆l
25
；所述左侧弹片大刚度段与所述左侧弹片小刚度段之间的固定连接等效为连杆l
22
与连杆l
23
之间的固定副；在所述右侧弹片(6)中，与所述连杆l
21
，所述扭簧K
21
，所述连杆l
22
，所述扭簧K
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弘志，孙中超，宣建林，宋笔锋，杨晓君，汪亮，稂鑫雨，张明昊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：