微型扑翼飞行器扑翼机构优化设计

李玉娟　郑皓

【摘 要】扑翼机构的目的就是把执行机构的运动（包括旋转运动和微位移运动）转换为机翼的扑打运动，从而产生微型扑翼飞行器所需要的空气动力。本文介绍基于运动链再生变换原理的微型扑翼飞行扑翼机构的设计和优化设计。

【关键字】微型扑翼;机构设计

中图分类号： V221文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）26-0026-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.011

1 设计原理

為了提高传动性能、减少摩擦、便于制造，应尽量避免机构中出现高副。在扑翼机构的设计中，如果杆件的连接均采用转动副，连接扑翼的杆件的运动难以达到无滞后，同步对称扑动的要求，如Delfly Ι扑翼机构，右扑翼杆件的扑动相对于左扑翼杆件的扑动存在滞后。解决扑翼机构不对称扑动的问题，可以将曲柄机构替换为滑块机构，将连接左右扑动杆件的转动副替换为移动副。存在滑块机构及移动副，并能够使杆件对称扑动的六杆七副一般化铰链。

再由存在滑块机构移动副的再生运动链逆推，得到衍生机构的运动简图。

在以上所得的满足扑翼机构进本设计条件的几种机构中，可根据设计者的需要，进行分析比较，采用最适合的机构再进行综合和优化设计。为了保证机构结构的简单可靠，我们这里采用滑块机构移动副的再生运动链，进行进一步的优化设计。

由于机构拟采用微型直流电机驱动，其特性为转速大，力矩小，因此扑翼机构的设计还要具有降低转速、增大力矩的功能。基于此类特性，滑块机构移动副的再生运动链机构中增加齿轮减速机构。为了能够在扑翼机构中预留出齿轮减速机构的位置，滑块机构的行程会相应地缩小，为了保证扑翼杆件扑动的角度，在2、6扑翼杆件上增加四杆机构，同时四杆机构的设计也有利于提高输出力矩。然后，将2、6扑翼杆件上的移动副前移，并在3、5杆件的复合铰链位置处形成复合运动副。

2 机构的优化设计

优化设计后的单边扑翼运动简图如图1所示。

其杆件的长度和相应的位置关系在图中用相应的代号表示。运动简图中，可以把设计的机构看作由滑块机构和四杆机构通过移动副连接组成。在对此机构进行运动学研究时，可以将其分为两个阶段。第一阶段的运动学方程为：

为了使扑翼机构得到120°的扑翼角度，以及使上下扑动呈对称的形态，基于（1）至（5），可以优化得到最终的各杆件长度以及相应的位置参数，其参数如表1所示。

翅膀连接在扑翼杆件L6上，扑翼杆件绕固定铰链以120°的角度带动翅膀旋转形成扑翼动作。根（下转第65页）（上接第26页）据扑翼机构的集合参数，在SolidWorks软件中进行几何建模，建模结果如图2（a）所示。

齿轮减速机构的布置如图所示，其减速比为19.75：1。将3D模型采用快速成型技术3D打印，3D打印材料为光敏树脂，其实体模型如图2（b）所示。

3 小结

根据扑翼机构的设计要求及条件对再生运动连进行筛选、优化，最后还原出扑翼机构的运动简图，基于一种运动机构设计一款单对翼扑翼飞行器扑翼机构，并对其运动学进行计算。