一种二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法技术

本发明专利技术涉及扑翼飞行器技术领域，公开了一种二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法，其包括以下步骤：构建扑翼驱动机构，并对所述扑翼驱动机构进行运动学建模，抽象出数学模型；构建空间曲柄连杆机构的数学模型，求出组成空间曲柄连杆机构的所述曲柄、所述连杆以及所述摇杆的长度；构建平面曲柄连杆机构的数学模型，求出组成平面曲柄连杆机构的所述扭转连杆、所述扭转摇杆以及所述带轮的偏心距；进行仿真与计算，选择出最合适的各个杆件的长度。通过扑翼驱动机构中需要设计的上极限角、下极限角以及极位夹角来反推各个杆件的长度，并且将空间曲柄摇杆机构简化为曲柄滑块机构，使得计算更加简单，计算结果能完全满足设计需求。计算结果能完全满足设计需求。计算结果能完全满足设计需求。

【技术实现步骤摘要】
一种二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法


[0001]本专利技术涉及扑翼飞行器
，特别是涉及一种二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法。

技术介绍

[0002]扑翼飞行器是一种仿照自然界的鸟类、昆虫、蝙蝠等飞行生物采的扑翼方式飞行方式的一种新型仿生飞行器，扑翼飞行器通过机翼的主动运动来产生飞行所需要的升力和推力。相比于旋翼、固定翼飞行器，扑翼飞行器具有易操控、可靠性高、隐蔽性强、噪声小等优点，因而在军用和民用领域有更广阔的应用前景。其中，扑翼驱动机构作为扑翼飞行器的关键部件，其对运动规律的实现大多采用连杆机构，连杆机构将旋转运动转化为输出端的上下扑动运动，从而得到升力和推力。
[0003]目前典型的扑翼驱动机构可以分为单自由度驱动机构和多自由度驱动机构。其中，单自由度驱动机构主要包括单曲柄双摇杆机构、双曲柄双摇杆机构、曲柄滑块机构、凸轮弹簧机构等，其中单曲柄双摇杆驱动机构的两侧摇杆在扑动过程中会产生相位差，造成两边受力不均等，飞行过程中仿生扑翼器易发生栽落现象；曲柄滑块机构摩擦大、效率不高；凸轮弹簧机构制造困难，同样存在摩擦、磨损的问题。以上单自由度驱动机构大多数属于平面机构，通过单驱动能实现翅膀的一维上下拍动，但扭转运动往往靠翅膀的气动柔性变形来实现，不能真实的模仿翅膀运动轨迹。而多自由度扑动驱动机构通过多组连杆进行组合，可以实现翅膀的拍打和扭转运动，往往让飞行更加接近生物真实的飞行状态，同时还能使其翼尖运行轨迹形成一个接近横置的“8”字形。
[0004]然而，目前对于折叠翼机构进行参数设计，大多都关注翅翼的末端轨迹。例如采用当量平面机构的方式对空间曲柄机构的尺寸进行设计，对处在空间上位于不同平面的主动件(曲柄)，和从动件(摇杆)在曲柄运动平面上投影，构造出当量平面机构；之后利用摇杆幅值和连杆与曲柄的比例确定行程速比系数，然后由行程速比系数和当量平面机构中的三角几何关系确定各个杆件的尺寸。该方法只能保证摇杆幅值，不能确定摇杆起始位置，这也就导致无法控制机翼的上下极限位置，与期望运动具有很大的误差。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法。
[0006]本申请实施例提供一种二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法，所述扑翼驱动机构包括机体、空间曲柄连杆机构和平面曲柄连杆机构；所述空间曲柄连杆机构包括曲柄、连杆和摇杆，所述曲柄的一端与所述连杆的一端连接，所述连杆的另一端与所述摇杆连接，所述摇杆用于安装机翼，所述曲柄和所述摇杆安装在机体上；所述平面曲柄连杆机构包括带轮、扭转连杆和扭转摇杆，所述带轮配置为所述扭转连杆传递动力源，所述扭转连杆的一端安装在所述带轮偏离带轮中心的位置上，所述扭转连杆的另一端与所述扭转摇杆的一端
连接，所述扭转摇杆的另一端与机翼安装座连接；
[0007]构建扑翼驱动机构，并对所述扑翼驱动机构进行运动学建模，抽象出数学模型；
[0008]构建空间曲柄连杆机构的数学模型，求出组成空间曲柄连杆机构的所述曲柄、所述连杆、所述摇杆以及所述机体的长度；
[0009]构建平面曲柄连杆机构的数学模型，求出组成平面曲柄连杆机构的所述扭转连杆、所述扭转摇杆以及所述带轮的偏心距；
[0010]进行仿真与计算，选择出最合适的各个杆件的长度。
[0011]在一种实施方式中，所述构建扑翼驱动机构，并对所述扑翼驱动机构进行运动学建模，抽象出数学模型的步骤包括：
[0012]将空间曲柄连杆机构的铰接点以B、C、D、H进行表示，BC段等效为曲柄，CD段等效为连杆，DH等效为摇杆；其中，DH段为安装机翼的杆体；
[0013]将平面曲柄连杆机构的铰接点以E、F、G、I进行表示，FG段等效为扭转连杆，GI段等效为扭转摇杆，则机翼安装座等效为IH段，IE等效为机体；
[0014]建立直角坐标系O
‑
XYZ。
[0015]在一种实施方式中，所述构建空间曲柄连杆机构的数学模型，求出组成空间曲柄连杆机构的所述曲柄、所述连杆以及所述摇杆的长度的步骤包括：
[0016]确定空间连杆机构中DH段的运动幅值，根据运动幅值，确定空间连杆机构中DH段行程值；
[0017]根据行程值的结果，将空间连杆机构简化为平面曲柄滑块机构；
[0018]通过三角函数法和解析法得到各个杆的运动角度与杆长的关系。在一种实施方式中，所述确定空间连杆机构中DH段的运动幅值，根据运动幅值，确定空间连杆机构中DH段行程值的步骤包括：
[0019]在空间连杆机构的当量平面机构图中，利用三角函数可求得空间连杆机构中DH段的行程值：
[0020][0021]式(1)中L3为摇杆的长度，ψ为摇杆的扑动幅值，S为空间连杆机构的行程值。
[0022]在一种实施方式中，通过三角函数法和解析法得到各个杆的运动角度与杆长的关系的步骤包括：
[0023]利用余弦函数得出空间连杆机构中DH段的行程值与曲柄的长度、连杆的长度的几何关系：
[0024]S＝(L2‑
L1)2+(L2+L1)2‑
2(L2‑
L1)(L2+L1)cosθ
ꢀꢀꢀ
(2)
[0025]根据式(2)可求得曲柄或连杆的长度：
[0026]其中，曲柄的长度为：
[0027][0028]连杆的长度为：
[0029][0030]式(2)、(3)和(4)中为θ为极位夹角，L1为曲柄的长度，L2为连杆的长度。
[0031]在一种实施方式中，所述通过三角函数法和解析法得到各个杆的运动角度与杆长的关系的步骤还包括：
[0032]利用勾股定理求得机翼的安装高度的范围：
[0033]其中，机翼的安装高度的最小值为：
[0034]机翼的安装高度的最大值为：
[0035]根据式(5)和式(6)求得机翼安装高度的中点：
[0036][0037]式(5)和(6)中e为曲柄的偏置值，式(7)中h
mid
为机翼安装高度的中点。
[0038]在一种实施方式中，利用正弦定理求得曲柄的偏置值：
[0039][0040]式(8)中e为曲柄的偏置值。
[0041]在一种实施方式中，所述通过三角函数法和解析法得到各个杆的运动角度与杆长的关系的步骤还包括：
[0042]根据得到各个杆的运动角度与杆长的关系，求得机翼上极限角度和下极限角度的比值：
[0043][0044]式(9)中为机翼的上极限角度，为机翼的下极限角度；
[0045]根据式(9)求得机翼的扑动初始角度：
[0046][0047][0047]为扑动初始角度。
[0048]本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：
[0049]通过扑翼驱动机构中需要设计的上极限角、下极限角以及极位夹角来反推各个杆
件的长度，并且将空间曲柄摇杆机构简化为曲柄滑块机构，利用解析本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法，其特征在于，所述扑翼驱动机构包括机体、空间曲柄连杆机构和平面曲柄连杆机构；所述空间曲柄连杆机构包括曲柄、连杆和摇杆，所述曲柄的一端与所述连杆的一端连接，所述连杆的另一端与所述摇杆连接，所述摇杆用于安装机翼，所述曲柄和所述摇杆安装在机体上；所述平面曲柄连杆机构包括带轮、扭转连杆和扭转摇杆，所述带轮配置为所述扭转连杆传递动力源，所述扭转连杆的一端安装在所述带轮偏离带轮中心的位置上，所述扭转连杆的另一端与所述扭转摇杆的一端连接，所述扭转摇杆的另一端与机翼安装座连接；所述尺寸设计方法包括以下步骤：构建扑翼驱动机构，并对所述扑翼驱动机构进行运动学建模，抽象出数学模型；构建空间曲柄连杆机构的数学模型，求出组成空间曲柄连杆机构的所述曲柄、所述连杆、所述摇杆以及所述机体的长度；构建平面曲柄连杆机构的数学模型，求出组成平面曲柄连杆机构的所述扭转连杆、所述扭转摇杆以及所述带轮的偏心距；进行仿真与计算，选择出最合适的各个杆件的长度。2.根据权利要求1所述的二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法，其特征在于，所述构建扑翼驱动机构，并对所述扑翼驱动机构进行运动学建模，抽象出数学模型的步骤包括：将空间曲柄连杆机构的铰接点以B、C、D、H四个端点进行表示，BC段等效为曲柄，CD段等效为连杆，DH等效为摇杆；其中，DH段为安装机翼的杆体；将平面曲柄连杆机构的铰接点以E、F、G、I四个端点进行表示，IE等效为机体，FG段等效为扭转连杆，GI段等效为扭转摇杆，则飞翼安装座等效为IH段；建立直角坐标系O
‑
XYZ。3.根据权利要求2所述的二自由度的扑翼驱动机构的尺寸设计方法，其特征在于，所述构建空间曲柄连杆机构的数学模型，求出组成空间曲柄连杆机构的所述曲柄、所述连杆以及所述摇杆的长度的步骤包括：确定空间连杆机构中DH段的运动幅值，根据运动幅值，确定空间连杆机构中DH段行程值；根据行程值的结果，将空间连杆机构简化为平面曲柄滑块机构；通过三角函数法和解析法得到各个杆的运动角度与杆长...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欣，张通，杨小牛，
申请(专利权)人：广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院，
类型：发明
国别省市：