仿生鳥類機(jī)器人撲動機(jī)構(gòu)設(shè)計計算案例撲動機(jī)構(gòu)是仿生鳥類機(jī)器人的主要執(zhí)行器之一。它直接驅(qū)動機(jī)翼上下移動，使仿生禽鳥機(jī)器人向前推和向上行程。由于整個機(jī)器的重量的限制，撲動機(jī)構(gòu)必須盡可能簡單，高效，輕便并且在沖擊區(qū)域內(nèi)可調(diào)節(jié)[13]。通常，大型飛鳥在正常飛行中的沖程幅度在60°內(nèi)相對較小?？紤]到機(jī)構(gòu)運(yùn)動效率的影響以及研究小組的設(shè)計經(jīng)驗，本文將行程幅度設(shè)置為40°至60°[14]。對于緊湊的結(jié)構(gòu)要求，撲動機(jī)構(gòu)中RSSR配置的空間四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄應(yīng)盡可能短，并同時確保沖擊幅度。根據(jù)經(jīng)驗，將曲柄長度設(shè)置為12mm，連桿為變長連桿，兩端帶有魚眼軸承，搖臂尺寸根據(jù)顫振參數(shù)的要求進(jìn)行調(diào)整[15]。圖3-1RSSR構(gòu)型的空間四桿機(jī)構(gòu)根據(jù)以上需求，本文基于RSSR構(gòu)型的空間四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計了一款對稱撲動的空間撲動機(jī)構(gòu)，RSSR構(gòu)型的空間四桿機(jī)構(gòu)包含首末兩個轉(zhuǎn)動副和中間的兩個球面副。如圖3-1所示，為撲動機(jī)構(gòu)曲軸(主動桿)轉(zhuǎn)動角(即為輸入角)，為撲動機(jī)構(gòu)翅膀搖桿(從動桿)轉(zhuǎn)動角(即為輸出角)，本文通過求解和的變化關(guān)系與連桿長度l的關(guān)系，來確定設(shè)計參數(shù)。在運(yùn)用矩陣法研究RSSR空間機(jī)構(gòu)時，需要通過建立幾個坐標(biāo)系將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動問題抽象成坐標(biāo)變換的問題，從而進(jìn)行參數(shù)化分析計算。圖3-1中，固連坐標(biāo)系aX4Y4Z4,AX1Y1Z1,DX3Y3Z3:分別建立在機(jī)架4、主動桿1和從動桿3上。為了求解和的變化關(guān)系與連桿長度l的關(guān)系式，設(shè)定連桿2分離，由于連桿2為剛性連桿，因此在機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，B,C兩點(diǎn)間的間距始終保持不變，也就是說，B,C兩點(diǎn)的坐標(biāo)由連桿2的長度l制約，因此，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，應(yīng)保持下面的幾何關(guān)系式:（3-1）用不共原點(diǎn)的坐標(biāo)變換法可寫出B,C兩點(diǎn)在參考坐標(biāo)系aX4Y4Z4中的流動坐標(biāo)，代入上式并展開整理，可得和的變化關(guān)系與連桿長度l的關(guān)系式如下:（3-2）式中h1——主動桿長度(12mm);l——連桿長度;h3——從動桿長度(26.5mm;h4——機(jī)架長度(42.17mm);S3——從動件軸向位置距離(2.19mm);S4——主動件軸向位置距離((21.70mm);——輸入角;——輸出角;_機(jī)架角度(90°)把己知的設(shè)計參數(shù)帶入式(3-2)中可得:(3-3)整理后可得:（3-4）使用Matlab編程繪制在不同連桿長度l下出口角和入口角之間的關(guān)系，如圖3-2所示。如果連桿長度Z不同，則可以識別出撲翼的中心，其機(jī)理如下：如果連桿長度l增大或增大，則撲翼的最低點(diǎn)，最高點(diǎn)和快速恢復(fù)系數(shù)也會改變因此，拍打周期不會改變。從公式（3-4），還可以解決連桿長度與顫振幅度和快速返回系數(shù)之間的關(guān)系，以控制顫振機(jī)構(gòu)的設(shè)計和改進(jìn)[16]。圖3-2不同連桿長度時輸出角與輸入角之間的變化關(guān)系撲動機(jī)構(gòu)的模型圖如圖3-2所示。曲柄尺寸小，形狀相對復(fù)雜。兩個曲柄的一端分別安裝在主軸的兩端和另一端，并通過螺釘和連桿的魚眼軸承連接。內(nèi)孔已連接。魚眼軸承的內(nèi)孔在連桿的另一端通過螺絲連接到蹺板上的設(shè)定位置，蹺板的一端通過螺釘，軸承等鉸接到機(jī)身上，并形成一個完整的對稱的打擊機(jī)制[17]。圖3-3撲動機(jī)構(gòu)模型表3-1是幾種常用的輕質(zhì)航空材料，表中分別列出了不同材料的密度、硬度、強(qiáng)度等信息，便于比較選擇合適的材料。表3-1幾種常用的航空材料參數(shù)密度/硬度彈性模量/GPa拉伸強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa1.4-290HRM2252.74GPa>700-1.03-1.08116HRM2.850MPa75-2.820-35HBS71524MPa4614551.835HBS44420MPa3433604.560-74HBS1171.4GPa1646≧8701.04-1.0690-110HRM2.638-52MPa68-90-通過比較分析可以得出結(jié)論，碳纖維聚合物材料更適合大型翼展仿生飛鳥機(jī)器人，因為在相同的要求下，碳纖維的重量最輕，體積最小，而尼龍和ABS則是碳纖維，盡管密度是如果將它們加工成薄壁骨架部件，則強(qiáng)度很低，強(qiáng)度太低而無法承受重大沖擊。合金材料的硬度和可塑性非常好。然而，當(dāng)將它們制成較大的骨骼部分時，它們的加工成本相對較高，加工相對較困難，所需時間也相對較長。基于上述因素，選擇碳纖維材料作為大型翼展仿生鳥類飛行機(jī)器人的車體材料，并選擇鋁作為拍打機(jī)構(gòu)曲柄的材料，并選擇一種合金。蹺蹺板必須連接到主翼骨架的根部，并且主翼骨架相對于機(jī)身，這等效于懸臂，懸臂使機(jī)身快速前后移動，并需要一定程度的靈活性以操縱桿為了防止主翼骨架因巨大的撞擊而在根部斷裂，因此選擇了鋁合金，尼龍和ABS作為機(jī)翼搖桿的替代品（見圖3-4）[18]。圖3-4三種不同材質(zhì)的撲動機(jī)構(gòu)搖桿原型的沖擊機(jī)理的三維模型如圖3-5所示。左側(cè)是帶有鋁合金操縱桿的三維模型原型，右側(cè)是帶有尼龍或ABS操縱桿主要組件尺寸的三維模型原型，幾何模型完全相同，可以在同一位置輕松互換機(jī)器，因此可以在“細(xì)節(jié)”中比較不同的材質(zhì)以選擇最合適的搖臂材質(zhì)。