基于连杆齿轮机构的仿生扑翼飞行器设计
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摘要：仿生扑翼飞行器是一种根据仿生学知识进行设计的飞行器，其体积小、重量轻、运动方式灵活多变、隐蔽性好，在军事领域和民用领域具有广泛的潜在应用。基于四连杆机构中的曲柄摇杆机构进行扑翼飞行器扑翼机构的设计，并计算其自由度；基于齿轮系机构进行扑翼飞行器传动机构的设计并计算其自由度；然后将扑翼机构与传动机构结合，使得一个电机即可驱动两侧扑翼上下扇动，实现扑翼功能，所设计的仿生扑翼飞行器结构简单、易于实现。
关键词：连杆机构；齿轮机构；仿生扑翼
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.01.095
1引言
早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，他们通过自然选择进化而具有的能力很多都值得人类去学习。仿生是高科技的代名词，它是运用尖端科学技术产品来模仿生物的各种官能感觉和思维判断功能，更加有效地为人服务。各国都在不遗余力地加大在仿生学方面的研究。
莱特兄弟于1903年造出世界上第一架飞机后，如今的固定翼飞行器在飞行速度和运载能力上都取得了很大的突破。然而这种固定翼飞行器在起飞和降落时均需要很长的滑行距离，人们还是希望能设计一种真正像自然界鸟儿那样通过上下挥动翅膀飞行的飞行器，我们称这类飞行器为扑翼飞行器。扑翼飞行器具有无需跑道可垂直起落，并且可以用很小的能量进行长距离飞行，具有较强的机动性等优点。扑翼飞行器已经广泛的运用在了民用及国防等各个领域。
2研究概要
本研究通过模仿自然界的鸟上下挥动翅膀的动作，进行仿生扑翼飞行器的设计。仿生扑翼飞行器主要分为仿生扑翼机构和电机传动机构两部分。仿生扑翼机构基于四连杆机构中的曲柄摇杆机构，电机传动机构基于齿轮机构，最终实现扑翼飞行器在空中飞行的功能。
（1）仿生扑翼飞行器：扑翼飞行是鸟类靠自身体力和特殊生理构造实现的一种较复杂的动力飞行。扑翼飞行器的结构仿生，是模仿鸟类的形态、结构和控制原理，从而设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。
（2）连杆机构：连杆机构是将各构件用转动副或移动副连接而成的机构，是机械中应用非常普遍的机构。由于其运动副为面接触，因此承载能力大，耐冲击，并且便于加工制造。在四连杆机构中，其中一个连架杆为曲柄，可做整周转动；另一连架杆为摇杆，只可在某一角度范围韧复摆动。这样就可以将曲柄的整周转动转换成摇杆的往复摆动，可用于模拟鸟类翅膀的挥动。
（3）齿轮机构：轮机构具有结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿命长等优点。平面齿轮传动机构的齿轮轴线相互平行，一个齿轮可以同时与多个齿轮啮合，即可将一个齿轮的转动传递给与之啮合的多个齿轮。在扑翼飞行器中，两个扑翼需要两个电机进行驱动，但通过齿轮系传动机构，可将一个电机的转动传递给两个扑翼，实现一个电机驱动两个扑翼。
3扑翼机构设计
昆虫和鸟类能够在空中高效的飞行，主要依赖于它们上下挥动的翅膀。曲柄摇杆机构中的曲柄做整周转动时，摇杆做往复运动，摇杆的运动方式和鸟类上下挥动翅膀的动作类似。因此，以曲柄摇杆机构为基础，设计了如图1所示的仿生扑翼飞行器扑翼机构。该扑翼机构分为左侧扑翼机构和右侧扑翼机构两部分，这两部分完全对称。接下来以左侧扑翼机构为例进行详细说明。
图1所示的左侧扑翼机构由连杆AB、BC、DE、AD组成，在A、B、C、D处分别通过转动副相连。其中AD为机架，即A处与D处转动副与飞行器机身固连。在该四连杆机构中，AB的长度最短，BC的长度最长，AB与BC长度的和小于AD与DC长度的和，因此该四连杆机构为曲柄摇杆机构，连杆AB为曲柄，连杆DC为摇杆。即当连杆AB做整周转动时，连杆DC做往复运动，即连杆DE做往复运动，这样就模拟了鸟类上下挥动翅膀的运动。
接下来对机构自由度进行分析，以便于确定原动件数目，以及需要多少个电机进行驱动。同样以左侧扑翼机构为例进行详细说明。左侧扑翼机构中，活动构件数为3，运动副中低副的个数为4，高副的个数为0，因此该机构的自由度为：
F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1
因此机构的自由度为1。若要获得摇杆DE的确定运动，只需将曲柄AB作为原动件，即通过一个电机驱动AB转动，即可使得DE像鸟类挥动翅膀一样上下运动。同理，右侧扑翼机构也只需采用电机驱动A1B1转动，即可使得D1E1像鸟类挥动翅膀一样上下运动。
至此，在模拟鸟类上下挥动翅膀进行飞行的基础上，完成了仿生扑翼飞行器扑翼机构的设计。
4传动机构设计
设计了左侧扑翼和右侧扑翼两部分后，需要分别对左侧扑翼连杆AB与右侧扑翼连杆A1B1进行驱动，而需要飞行器重量和体积尽可能小，因此需要一套传动机构，使一个电机能够同时驱动两侧的连杆。
设计如图2所示的齿轮传动机构。该机构由4个齿轮组成，齿轮1与电机相连进行驱动；齿轮1与齿轮3啮合，即可将电机转动传递到齿轮3处；齿轮1与齿轮2啮合，齿轮2与齿轮4啮合，即可将电机转动传递到齿轮4处；这样通过齿轮传动机构即可将电机转动同时传递给两侧的齿轮3和齿轮4。而添加齿轮2的作用为将齿轮3与齿轮4的转动转换为相反方向，进而使得与扑翼机构相连时使得两侧扑翼机构能够同步的上下运动。只要在齿轮1处安装一个电机，使得齿轮1作为原动件即可使得齿轮传动机构具有确定的运动。即可通过一个电机使得两侧齿轮做相反方向运动。
5扑翼飞行器集成设计
基于上述扑翼机构与传动机构的设计，现将二者进行集成，形成扑翼飞行器完整机构。下面进行详细阐述。
如图3所示，将连杆AB与齿轮3固连，使得二者一起运动，即齿轮3转动时可带动连杆AB转动，经由杆件BC，最终可使得杆件DE上下摆动；同理，连杆A1B1与齿轮4固连，连杆D1E1与连杆DE一样同时重复地上下摆动。
只要在齿轮1处安装一个电机，使得齿轮1作为原动件即可使得齿轮传动机构具有确定的运动，即将转动传递到两侧的齿轮3、4处，并且两个齿轮做相反方向转动；带动与之相连的杆件AB、A1B1转动，最终使得杆件DE、D1E1上下摆动，实现扑翼的功能。
6总结
本文运用仿生学的知识，通过模仿鸟类上下挥动翅膀的动作，设计了一种仿生扑翼飞行器。该飞行器由扑翼机构和传动机构两部分组成，扑翼机构用于实现模仿鸟挥动翅膀的动作，传动机构用于实现电机到扑翼机构运动的传递。基于四连杆机构中的曲柄摇杆机构和齿轮系机构进行扑翼机构的设计，形成完整的扑翼飞行器机构。所设计的仿生扑翼飞行器机构简单、结构紧凑，能很好的模拟鸟类挥动翅膀的动作；但是本文对整个机构只进行了概念原理上的设计，未进行定量上的设计，各杆件以及齿轮的参数还未确定，后续还需进行此方面的研究。
参考文献
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