仿蝙蝠飞行器扑翼结构设计与运动仿真

王智森 张春涛

【摘   要】   基于大耳蝙蝠飞行时翅膀的飞行姿态和运动轨迹，对翅膀结构进行简化处理，模仿设计了一种二自由度的仿蝙蝠飞行器扑翼，能够实现上下扑动和收放动作。借助MATLAB/UG软件完成扑翼尺寸参数求解、结构三维建模、关键节点运动轨迹生成及上下扑动机构和收放机构的运动仿真分析。结果表明：节点角位移变化曲线连续不间断，未出现角度突变，不会造成瞬时冲击，翼尖关节之间运动不产生干涉，验证了扑翼运动的可行性，同时为后续优化设计提供理论依据。

【关键词】   仿蝙蝠飞行器；扑翼；结构设计；运动仿真

Flapping-wing Structure Design and Motion Simulation of Bat-like Aircraft

Wang Zhisen ， Zhang Chuntao

（Jingdezhen University， Jingdezhen 333400， China）

【Abstract】    This article is based on the flight posture and trajectory of the wings of the large eared bat during flight， simplifying the wing structure and simulating the design of a two degree of freedom bat-like aircraft flapping wings， which can achieve up and down flapping and retracting movements. With the help of MATLAB/UG software， the flapping wing size parameters are solved， the three-dimensional structure is modeled， the key node motion trajectory is generated， and the motion simulation analysis of the up and down flapping mechanism and the retracting mechanism is completed. The results show that the angular displacement curve of the joint is continuous without sudden change of angle， which will not cause instantaneous impact， and the movement between the wingtip joints does not interfere with each other， which verifies the feasibility of the flapping wing movement and provides a theoretical basis for the subsequent optimization design.

【Key words】     bat-like aircraft; flapping wing; structural design; motion simulation

〔中图分类号〕 TP391.9                              〔文献标识码〕  A                   〔文章编号〕 1674 - 3229（2024）02- 0062 - 04

[收稿日期]   2023-11-30

[基金项目]   江西省教育厅科技项目（GJJ2202409）

[作者简介]   王智森（1992-  ），男，硕士，景德镇学院讲师，研究方向：现代设计方法与数值仿真。

0     引言

近年来微型电机技术、新型复合材料及3D打印等领域创新性成果发展迅猛，使得新型仿生扑翼飞行器的设计成为热门的研究方向［1］。仿蝙蝠飞行器作为仿生扑翼飞行器常见三大类之一，以高机动性、高隐蔽性及高环境适应性等特点著称，在军事和民用领域均具有广泛的应用前景［2］。国外针对仿生扑翼飞行器的研究起步较早且技术成熟，其中以美国知名大学研究者研制的一款仿生蝙蝠扑翼飞行器为代表，机翼采用高度可伸缩的硅基薄膜材料，两侧采用直流无刷电机驱动提供动力，形态特征与蝙蝠呈高匹配性，整机质量只有93 g，扑翼拍打频率达到惊人的10 Hz［3］。国内关于仿生扑翼飞行器的实际应用前景广阔，关键理论技术创新不断取得突破，较为先进的如北京航空航天大学研发的仿鸟型扑翼飞行器和西北工业大学研发的仿蝴蝶型扑翼飞行器［4］。本文基于大耳蝙蝠飞行时翅膀的飞行姿态和运动轨迹，模仿并简化设计了一种仿蝙蝠飞行器扑翼结构，针对扑翼进行轨迹分析及运动仿真，验证扑翼结构设计的合理性和可行性。

1     仿蝙蝠飞行器扑翼结构设计

1.1   扑翼机构方案确定

蝙蝠作为唯一能够实现飞行运动的哺乳动物，在漫长的演变过程中前肢逐渐进化成为翼手。蝙蝠的翼手主要由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和5根手指6部分组成。蝙蝠的肩部结构极其复杂，分布着20多块肌肉，一共具有5个自由度，因而能实现5个自由度的运动，应对复杂环境的飞行适应性极强，其中最为显著的运动是肩部的上下扑动与挥摆。研究发现，以常见大耳蝙蝠为例，翅膀上下扑动角大小的变化范围约为-13°～43.8°，扑动角位移随时间以正弦运动规律变化［5］。

本文从蝙蝠飞行过程的运动特点出发，在保留蝙蝠飞行姿态的前提下对仿蝙蝠飞行器扑翼进行机构简化。在扑翼单侧的肩部布置2个自由度，分别模仿蝙蝠翅膀部分用于驱动仿蝙蝠飞行器的扑翼进行上下扑动和收放动作，扑翼两侧整体呈对称布置，单侧机构原理如图1所示。利用曲轴和偏心轮机构实现扑翼部分的上下扑动和收放2个运动的相互关联，同时利用齿轮机构将双翼扑动自由度进行相互关联，使扑翼两侧的各部分运动实现同步。为了简化机构，仅保留蝙蝠翼手部分最长的3根手指，同时将单根手指简化成为一个杆件进行分析。由于蝙蝠在飞行过程中手指间的夹角变化并不显著，故采用转动副连接于同一平面连杆机构中拟合手指之间夹角的变化。

1.2   扑翼机构参数求解

扑翼机构参数求解过程包括上下扑动机构和收放机构两部分，通过解析法结合MATLAB编程实现各杆件参数及关键夹角的快捷求解［6］。首先进行扑翼上下扑动机构参数求解，由偏心轮离心距[d]、偏心轮传动杆[L1]、扑翼杆前段部分[L2]、偏心轮中心到扑翼杆支撑点的距离[L]组成一个平面四杆机构。为了便于列出解析方程，定义偏心轮中心到扑翼杆支撑点的距离[L]的相对坐标为[（a，b）]。根据上文可知，模仿大耳蝙蝠翅膀的扑翼到达最低点时，扑翼与水平线夹角为-13°；到达最高点时，扑翼与水平线夹角为43.8°。定义扑翼到达最低点时[L1]和[L2]的最小夹角为[V1]，扑翼到达最高点时[L1]和[L2]的最大夹角为[V2]。

由上述分析可知，显然对[L]有：

[L=a2+b2]                         （1）

当扑翼到达最低点时，通过几何分析可得：

[a=L2×cos43.8°+（L1+d）×sin（V1-77°）b=（L1+d）×cos（V1-77°）-L2×sin13°L2=（L1+d）2+L22-2×（L1+d）×L2×cosV1] （2）

当扑翼到达最高点时，通过几何分析可得：

[a=L2×cos43.8°+（L1-d）×sin（V2-133.8°）b=（L1-d）×cos（V2-133.8°）-L2×sin43.8°L2=（L1-d）2+L22-2×（L1-d）×L2×cosV2] （3）

对式（2）和式（3）进行整理得到：

[L2=[（L1-d）×sin（V2-133.8°）-（L1+d）×sin（V1-77°）]cos13°-cos43.8°L2=2×L1×dL1×（cosV1-cosV2）+d×（cosV1+cosV2）        （4）]        由式（4）整理可以得到[L1]与[d]的比值关系，令[s=L1d]，通过MATLAB对式（4）进行编程，主干代码如表1所示。初定设计参数值[d=4 mm]、[V1=70°]、[V2=135°]，运行求解可以得到比值[s]，进而确定扑翼上下扑动机构其余杆件参数及关键夹角如表2所示。

扑翼收放机构简图如图2所示，可以拆分为六部分：由Yd、Y1、Y2-1、L2-1组成的曲柄摇杆机构；由L2-2、Y2-2、Y3、Y5-1组成的双摇杆机构1；由Y3-2、Y4、W3-1、Y5组成的双摇杆机构2；包含Y6、W1的翼手机构1；包含Y7、W2的翼手机构2；包含W3的翼手机构3。

对双摇杆机构2、翼手机构1、翼手机构2及翼手机构3进行分析，当扑翼逐渐舒展即W1、W2、W3逐渐张开时，Y4与W3连接点到Y5的距离先增大后减小；Y4与Y6连接点到Y5与W1连接点的距离逐渐增大；Y4与Y7连接点到Y5与W2连接点的距离相对不变，且W2和L2始终保持近乎垂直的姿态；当扑翼收放到最小时，W1、W2、W3处于近乎平行的姿态，因此Y3-2的长度大于W3-1的长度。继续针对双摇杆机构1进行分析，当扑翼收放到最小时，Y5和Y2成锐角且达到最小值，同时Y2和L2呈现垂直姿态，且为了扑翼运动过程中重心保持不变，使L2-2与Y5-1的长度相等。综上分析当扑翼收放到最小时，可得：

[（Yd+Y1）2=Y2-12+L2-12]              （5）

设定初始参数值[Yd=4 mm]、[Y1=10 mm]，代入扑翼杆前段[L2-1=11.7 mm]，由式（5）求得曲柄摇杆机构杆件[Y2-1=8 mm]。双摇杆机构和翼手机构的设计求解过程与上述类似，不再赘述［7］。利用MATLAB编程配合解析法快捷求解其余杆件参数，得到扑翼收放机构其余杆件参数如表3所示。

1.3   扑翼结构设计

由于仿蝙蝠飞行器的扑翼单侧分别具有2个自由度，机构具有确定运动的条件为其所具有的自由度数目等于原动件数目。为了使所设计的仿蝙蝠飞行器扑翼具有确定的运动轨迹，必须设计两个原动件分别驱动扑翼的上下扑动和收放动作。鉴于扑翼双翼拍动的过程中需要很强的同步性，并且在传动过程中所传递的扭矩较大，以实现拍动空气获得升力，因此要求所选择的传动机构能够承受较大载荷及稳定传动比。采用齿轮机构及偏心轮机构对扑翼双翼进行驱动，使整体结构更加紧凑，以满足仿蝙蝠飞行器扑翼双翼的同步性要求。根据1.2中扑翼上下扑动机构和收放机构分别求解得到的尺寸参数，借助UG软件完成仿蝙蝠飞行器扑翼部件、齿轮、偏心轮等结构的三维简化建模并进行装配，得到仿蝙蝠飞行器扑翼简化处理结构如图3所示。

2     仿蝙蝠飞行器扑翼运动仿真分析

2.1   扑翼关键节点运动轨迹

基于UG软件的运动仿真分析功能模块，对仿蝙蝠飞行器扑翼关键节点进行运动特性研究。仿真模拟过程主要包括如下4个阶段：建立扑翼结构UG装配模型，确定上下扑动机构与收放机构装配顺序，避免出现欠约束或过约束情况；创建运动分析方案，根据机构自由度数及运动副关系逐个对各机构连杆添加运动副，如旋转副、球面副等；进行扑翼关键节点运动仿真分析，标识各节点运动轨迹；输出仿真结果数据［8］；利用UG软件中运动模拟设计模块中的轨迹生成器命令，选择仿蝙蝠飞行器扑翼的肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和翼手6个关键节点位置进行运动轨迹模拟，如图4所示。

由图4分析可知：仿蝙蝠飞行器扑翼上下扑动和收放动作均能够实现，扑翼上下扑动轨迹为一段弧形，翼手收放轨迹为一个近似椭圆形，且均未出现运动干涉及冲击突变，实际运动轨迹与理想运动轨迹相拟合，验证了结构设计的合理性。

2.2   扑翼运动仿真分析

设定该飞行器扑翼齿轮轴的角速度为20 rad/s，分析单翼运动仿真流程，选取扑翼杆小臂关节点进行测量，得到扑翼上下扑动机构中扑翼杆小臂关节点的角位移随时间变化曲线，如图5所示。

由图5分析可知：在1个扑动循环周期内，扑翼上下扑动角大小约为55°，角位移曲线随时间近似呈正弦运动规律变化，与大耳蝙蝠翅膀的扑动规律相吻合。角位移变化平稳，未出现角度突变，不会造成瞬时冲击，符合仿蝙蝠飞行器扑翼上下扑动动作的稳定性要求。1个扑动循环周期中下行速度较快，符合机构的急回运动特性，节省空回行程的时间，提高飞行效率。

扑翼收放机构同理上下扑动机构运动仿真分析流程，分别选取2个翼手翼尖关键节点进行分析，借助UG软件中运动模拟设计模块中的监视和图表命令输出运动仿真结果，测得上述2个关键节点的角位移随时间变化曲线，如图6所示。

由图6分析可知：1个收放循环周期时间约为7.5 s，翼尖角位移变化平稳且同步，有利于提高扑翼的机动性。角位移变化曲线连续不间断，不会产生瞬时冲击，翼手翼尖关节之间运动不产生干涉，验证了扑翼收放机构运动的可行性及稳定性。

3     结语

本文对仿蝙蝠飞行器扑翼上下扑动机构和收放机构的方案确定、参数求解、结构设计及运动仿真分析进行了研究。针对扑翼关键节点输出运动轨迹，得到扑翼上下扑动轨迹为一段弧形，翼手收放轨迹为一个近似椭圆形，验证了结构设计的合理性。由扑翼关键节点角位移曲线分析得到：扑翼上下扑动角大小约为55°，角位移曲线随时间近似呈正弦运动规律变化，与大耳蝙蝠翅膀的扑动规律相吻合。1个扑翼收放动作时间约为7.5 s，翼尖角位移变化平稳且同步，有利于提高扑翼的机动性。

［参考文献］

［1］ 周林，张忠海，王建辉，等.扑翼飞行器的研究现状与发展［J］.兵器装备工程学报，2022，43（8）：44-54.

［2］ 钟耀鹏，吴际霖，林之善，等.一种双段式扑翼仿生飞行器设计［J］.机电工程技术，2021，50（S1）：9-12.

［3］ 王文轩.基于连杆齿轮机构的仿生扑翼飞行器设计［J］.现代商贸工业，2017，38（1）：187-188.

［4］ 栾建举，杜茂华.基于ADAMS的机械四连杆机构运动仿真分析［J］.软件，2020，41（2）：162-165.

［5］ 左惟炜，邓援超，魏兵.MATLAB的平面连杆机构运动分析与动态仿真［J］.湖北工业大学学报，2011，26（4）：84-86.

［6］ 余亮，韩芳，王鹏，等.局部闭链码垛机器人运动学分析及运动控制系统设计［J］.廊坊师范学院学报（自然科学版），2020，20（2）：46-49+54.

［7］ 王智森，范云波.行走机械腿部轨迹规划及运动特性分析［J］.黑龙江工业学院学报（综合版），2023，23（1）：79-84.

［8］ 修星晨，朱洪俊，谢铎，等.基于MATLAB与ADAMS对扑翼机构优化仿真分析［J］.机械设计与制造，2017，55（S1）：153-156.