緒論1.1研究背景及其意義在當今科學(xué)與技術(shù)日新月異的社會中，一些新興產(chǎn)業(yè)不僅給人們帶來了便利和好消息，而且還經(jīng)常帶來各種不可避免的災(zāi)難，例如：核輻射和核泄漏事故，生化災(zāi)害等。這些核，生物和化學(xué)事故通常是發(fā)生核事故和化學(xué)污染的高風險地區(qū)，無法找到受害者，因此很難確定災(zāi)害所在。事故現(xiàn)場。調(diào)查并評估事故現(xiàn)場。為了應(yīng)對此類不利情況，我們需要使用可以在高風險環(huán)境中進行監(jiān)視和調(diào)查的機器人。通過收集災(zāi)難現(xiàn)場的視頻圖像，環(huán)境參數(shù)和污染數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，我們必須為救援任務(wù)創(chuàng)建可靠的基礎(chǔ)。有利于控制形勢的演變，減少災(zāi)害造成的損失。同時，近年來發(fā)生的海事災(zāi)難和飛機失事給整個社會造成了不可估量的損失。目前，針對這些事故的主要搜救方法是派遣船只，飛機或衛(wèi)星進行航空照相和搜查。這些方法不僅成本高昂且效率低下，而且在極端惡劣的環(huán)境中也難以完成預(yù)期的任務(wù)[1]。帶有拍打翅膀的步入式仿生機器人可以通過攜帶各種檢測設(shè)備（例如光學(xué)和紅外成像設(shè)備以及核和輻射劑量，溫度，濕度，煙霧）以極低的速度，極低的高度，甚至盤旋飛行。，生命跡象等），檢測設(shè)備等）以提供有關(guān)災(zāi)難和環(huán)境檢測的全面信息，這將使其成為將來最理想的搜索和救援工具。圖1-1所示為帶有擺動翼的步入式仿生機器人的假想圖，該仿生機器人用于檢測核電廠的事故并在地震現(xiàn)場進行災(zāi)難評估，而圖1則顯示了執(zhí)行反恐和戰(zhàn)爭支援的概念圖[2]。圖1-2。圖1-1災(zāi)害評估的假想圖 圖1-2作戰(zhàn)偵查概念圖大型翼展仿生飛鳥機器人使用大型飛鳥作為模仿生物，并在外觀，結(jié)構(gòu)和飛行模式方面模擬自然界中的中型或大型鳥類。與固定翼和旋轉(zhuǎn)翼飛機相比，仿生飛機具有以下優(yōu)勢：（1）良好的空氣動力學(xué)性能，可以根據(jù)氣流的特點調(diào)整自身的機翼，適應(yīng)氣流并有效地利用它；飛行效率高，功耗低。實現(xiàn)飛行；（2）機動性好，在狹窄的空間內(nèi)易于駕駛；（3）低噪音，只有機翼的低頻振動；（4）重量重量比大，可以在相同質(zhì)量的機翼下攜帶更多的檢測裝置；（5）隱身能力強，可以被仿生學(xué)特征掩蓋，有效反射面積小，很難用雷達看到。由于上述特性，研究翼展較大的仿生飛鳥機器人非常重要。但是，由于尚不了解大型仿生飛鳥的飛行機理，因此在仿生設(shè)計和飛行控制方面尚未取得突破，有許多問題需要仔細研究[3]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀撲翼飛行器的想法可以追溯到幾個世紀前。從一開始，當人們將翅膀綁在手臂上并模仿鳥類的飛行時，他們現(xiàn)在就可以使人造昆蟲變得像昆蟲一樣大。大致分為三個階段：第一階段是由手臂或電動機提供動力的載人撲翼飛行器，第二階段是由微型電力驅(qū)動的無人撲翼飛行器，第三階段是微型昆蟲狀機器人，由“人造肌肉”提供動力。常規(guī)航空飛機的雷諾數(shù)約為107，大型撲翼飛行器的雷諾數(shù)為104至105，普通鳥的雷諾數(shù)為102至103。隨著尺寸的進一步小型化，當雷諾數(shù)較小時，空氣動力學(xué)主要表現(xiàn)為層流分離效應(yīng)和不穩(wěn)定性效應(yīng)。流場和空氣動力性能很容易受到湍流和表面粗糙度等因素的影響，因此設(shè)計基于傳統(tǒng)思想。飛機的空氣動力學(xué)性能，穩(wěn)定性和可操縱性已大大降低，而在自然界中，鳥類已經(jīng)成功克服了雷諾數(shù)低的局限性，并通過拍打機翼獲得了與雷諾數(shù)低相適應(yīng)的飛行技能?？梢杂^察到，在飛行過程中昆蟲機翼的高頻拍打和機翼根部上下的扭曲都可能產(chǎn)生升空槍聲并實現(xiàn)懸停。大多數(shù)微型撲翼飛行器通過類似于“人造肌肉”的動力裝置推動機翼的高頻撲翼。傳動機構(gòu)選擇諸如桿的位移放大機構(gòu)而不是連桿機構(gòu)，因為連桿機構(gòu)在高速傳動期間具有非常高的傳動效率。它低，可以承受很大的慣性。但是，選擇具有撓性連桿的杠桿機構(gòu)沒有這樣的問題[4]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究起步較晚。在MAV于1992年提出該概念后，世界掀起了微型飛機研究的熱潮，而撲翼飛行器也處于巨大的發(fā)展階段。國內(nèi)一些大學(xué)和研究機構(gòu)已經(jīng)開始對此進行研究。但是，與其他國家相比，研究結(jié)果仍處于起步階段，差距仍然很大。清華大學(xué)的曾江麗等人對昆蟲運動的機理進行了廣泛的研究。他們使用非線性理論和方法通過驗證測量模型來研究昆蟲運動的機理。通過仿真方法研究了昆蟲的飛行機理，并通過NS方程計算了空氣動力與時間的關(guān)系。結(jié)果與狄金森實驗的結(jié)果一致。南京航空航天大學(xué)的曾瑞和昂海松對撲翼進行了拍打，對其機理進行了深入研究，提出了變速折疊模型，并采用非定常渦旋格子法計算了氣動升力。撲翼的空氣動力學(xué)特性是鳥狀復(fù)合振動，并分析了各種尺寸和形狀的鳥撲翼飛行器試驗機。2002年首次試飛成功（圖1-3）。該飛機可以執(zhí)行手動控制飛行，南京航空航天大學(xué)的胡令新也成功研制了該飛機。可以懸掛在空中的幾個拍打機翼飛機的原型[5]。圖1-3南航的“黃鶯”號撲翼機由美國西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的微型機翼飛機由聚合物電池和微型電動機提供動力。該飛機有一個碳纖維框架和靈活的機翼?？傊亓考s為15g，翼展為200mm，撲翼頻率為15-20Hz，可以自由飛行15?21s可控飛行原型的尺寸稍大，飛行時間可以達到10分鐘（圖1-4）。圖1-4西北工業(yè)大學(xué)的撲翼飛行器撲翼飛行器由東南大學(xué)開發(fā)，由聚合物電池和微型電動機提供動力（圖1-5）。齒輪機構(gòu)使用減速裝置，機身使用碳纖維框架和靈活的機翼，最終實現(xiàn)了遙控飛行控制。圖1-5東南大學(xué)的撲翼飛行器到目前為止，國內(nèi)外對撲翼飛行器的研制已取得初步成果。更實用的撲翼飛行器的翼展為100至500毫米，這在技術(shù)上和理論上都是可行的。因此，這種規(guī)模的撲翼飛行器已經(jīng)成為現(xiàn)實。舞臺設(shè)計和舞臺制作的重點，微傳感器和微控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)也是研究的重點。今天開發(fā)的撲翼飛行器在實用性方面仍有一定距離。除了生產(chǎn)原型，在理論和實驗上也應(yīng)如此。拍打機翼飛行機制。未來的撲翼飛行器將朝著小型化和智能化方向發(fā)展，并將包括更多的MEMS技術(shù)，高效推進技術(shù)，高效能源技術(shù)以及微測控技術(shù)等[6]。2關(guān)鍵技術(shù)分析2.1非定常氣動力和高升力機制撲翼飛行器的空氣動力學(xué)非常復(fù)雜，與傳統(tǒng)飛機的空氣動力學(xué)有很大不同。撲翼飛行器較小，飛行速度較低。在低雷諾數(shù)條件下，它受到空氣粘度力的強烈影響?？諝鈩恿哂信c常規(guī)飛機明顯不同的特性。它們被扭曲和折疊。當大量運動產(chǎn)生與周圍大氣不同的局部不穩(wěn)定氣流時，這種現(xiàn)象稱為不穩(wěn)定的空氣動力效應(yīng)。在飛行中，鳥類的機翼可以拍打，旋轉(zhuǎn)，彎曲機翼平面，改變機翼面積并改變傾斜角度。在這些條件下，鳥類可以產(chǎn)生高水平的升力。人類希望使它們像鳥的翅膀一樣可旋轉(zhuǎn)和伸縮。可折疊的結(jié)構(gòu)也是一項艱巨的任務(wù)，低雷諾數(shù)的撲翼飛行器的空氣動力學(xué)和穩(wěn)定性仍處于測試階段。許多結(jié)論都基于測試和模擬。可以遵循特定的理論和經(jīng)驗公式[7]。2.2飛行器的測控系統(tǒng)飛行控制，導(dǎo)航和通訊是小型飛機中必不可少的重要設(shè)備。由于撲翼飛行器體積小，重量輕，慣性矩低，因此容易受到不穩(wěn)定氣流的影響，并且具有良好的抗干擾能力，其中撲翼控制和機翼穩(wěn)定性控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。小型飛機必須配備高度自動化的飛行控制系統(tǒng)，如圖1.37所示，該系統(tǒng)可以在飛行過程中快速做出反應(yīng)并保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，這種飛機在執(zhí)行需要執(zhí)行的任務(wù)時通常不受控制，具有靈敏通信系統(tǒng)和自主控制能力的飛機以及高效GPS通信設(shè)備的開發(fā)是一種相對創(chuàng)新的通信方法，在撲翼飛行器的發(fā)展是。圖2-1微型飛行器測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為了使微型飛機真正實用，必須構(gòu)建各種傳感器，例如微型相機，聲音檢測器，紅外檢測器和生化檢測器。時間數(shù)據(jù)傳輸。就撲翼飛行器的功能要求而言，微型飛機應(yīng)該是高度集成和復(fù)雜的系統(tǒng)。這些高度集成和復(fù)雜的系統(tǒng)必須使用MEMS技術(shù)進行小型化和集成，集成是未來飛機的必然發(fā)展。但是，MEMS本身也是新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展還不完善。此類要求也是MEMS面臨的主要挑戰(zhàn)[8]。2.3撲冀飛行器氣動力估算方法在撲翼飛行器的空氣動力學(xué)計算方法中，最常用的方法是：非穩(wěn)態(tài)空氣動力學(xué)估計方法，非穩(wěn)態(tài)渦流格子方法，非穩(wěn)態(tài)Euler方程方法和非穩(wěn)態(tài)NS方程方法。使用計算量較大的后三種方法。無疑可以獲得令人滿意的結(jié)果，但是緩慢的計算速度和繁瑣的處理使其不適合實際設(shè)計和使用。然而，基于改進的帶狀理論的非定?？諝鈩恿Φ墓浪惴椒ū挥糜诠浪銠C翼的空氣動力。拍打翼飛機在設(shè)計的早期階段就具有重要的基準[9]。2.3.1非定常氣動力估算方法使用空氣動力估計模型，基于物體在液體中運動的阻力的基本原理，并假設(shè)機翼以正弦定律折疊，可以近似估算機翼在該時間段內(nèi)所經(jīng)歷的空氣動力。該模型可以快速估算克服不穩(wěn)定運動機翼上的空氣動力學(xué)載荷所需的平均升力，推力和輸入功率，還可以計算出平衡飛行中機翼的推進效率?？諝鈩恿Φ墓浪慊诹黧w力學(xué)原理，液體中物體的阻力可以表示為公式（2-1）:(2-1)式中，R為阻力，C為阻力系數(shù)，為空氣密度，A為面積，U為流速。簡化的Delaurier條紋理論用于計算撲翼飛行器的空氣動力升力。為了簡化計算，假設(shè)機翼僅在垂直平面內(nèi)上下擺動，而沒有考慮機翼的扭曲。其原理圖如圖2-2所示:圖2-2氣動中心示意圖則翅翼在任意時刻的氣動力可用下式表示(2-2)所示:（2-2）其中，為翅翼的平均弦長，為空氣密度，b為翅翼的展長，CL()為翅翼升力系數(shù)，(t)為翅翼的拍動角速度。以機翼跨度為400mm，拍翼頻率為6Hz的撲翼飛行器為例，圖2-3顯示了一個周期內(nèi)產(chǎn)生的空氣動力。圖2-3一周期內(nèi)氣動力曲線圖2.3.2非定常渦格法隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，人類通過將損害和偶極子放置在撲翼的表面上，可以計算出通過任何形狀的撲翼的不可壓縮的勢能。這樣就可以影響撲翼的厚度和外傾角。吉辛不是最早的西奧多森薄機翼顫振理論，而是第一個嘗試這種方法的人。它取代了HessandSmith方法計算穩(wěn)定機翼流量的方法，因此可用于瞬態(tài)流量。盡管平板法考慮了翼型厚度的影響并消除了尾流無限薄的假設(shè)，但渦流的奇異點分布將渦流的影響限制在翼型和尾流附近的小區(qū)域[10]。圖2-5面元的劃分和法矢方向2.4飛行動力裝置和能源問題隨著撲翼飛行器的小型化，微型電動機難以提供足夠的功率。表2-1中顯示了許多微型撲翼中使用的電動機的性能參數(shù)[11]。表2-1微型電動機性對比能微型電動機電機型號N20PAMaxonRE10Micro4.5-0.6Micro5-2.4電壓（v）2.534.55轉(zhuǎn)速（1/min）15800102002120021000輸出功率（w）0.230.751.182.24最大效率(%)54606275.3重量（g）57510功率/重量比0.0460.1070.2360.224產(chǎn)地中國瑞士德國日本最常用的能量設(shè)備仍然是電池，例如鎳罐電池，鎳氫電池，康氏電池和固體氧化物燃料電池。在實際設(shè)計和生產(chǎn)過程中，比較了不同類型的微型電池，如表2-2所示。但是，即使由高效電動機和更好的電池組成的光能系統(tǒng)也只能飛行20到30分鐘。如此短的航行時間遠遠不能滿足任務(wù)要求。因此，可以提高小型化耐久性，電源系統(tǒng)也是要解決的中心問題[12]。表2-2微型充電電池性比較能電池類型鎳鉻鎳氫鋰離子電池聚合物鋰電池電壓(V)1.21.2303.7容量(mAh)508070135重量（g）3.63.22.433可行走的撲翼飛行仿生機器人機構(gòu)設(shè)計3.1撲動機構(gòu)設(shè)計撲動機構(gòu)是仿生鳥類機器人的主要執(zhí)行器之一。它直接驅(qū)動機翼上下移動，使仿生禽鳥機器人向前推和向上行程。由于整個機器的重量的限制，撲動機構(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。考慮到機構(gòu)運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，撲動機構(gòu)中RSSR配置的空間四連桿機構(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)的要求進行調(diào)整[15]。圖3-1RSSR構(gòu)型的空間四桿機構(gòu)根據(jù)以上需求，本文基于RSSR構(gòu)型的空間四桿機構(gòu)設(shè)計了一款對稱撲動的空間撲動機構(gòu)，RSSR構(gòu)型的空間四桿機構(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，為撲動機構(gòu)曲軸(主動桿)轉(zhuǎn)動角(即為輸入角)，為撲動機構(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)。在運用矩陣法研究RSSR空間機構(gòu)時，需要通過建立幾個坐標系將機構(gòu)的運動問題抽象成坐標變換的問題，從而進行參數(shù)化分析計算。圖3-1中，固連坐標系aX4Y4Z4,AX1Y1Z1,DX3Y3Z3:分別建立在機架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，因此在機構(gòu)運動時，B,C兩點間的間距始終保持不變，也就是說，B,C兩點的坐標由連桿2的長度l制約，因此，在機構(gòu)運動時，應(yīng)保持下面的幾何關(guān)系式:（3-1）用不共原點的坐標變換法可寫出B,C兩點在參考坐標系aX4Y4Z4中的流動坐標，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，其機理如下：如果連桿長度l增大或增大，則撲翼的最低點，最高點和快速恢復(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，以控制顫振機構(gòu)的設(shè)計和改進[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，軸承等鉸接到機身上，并形成一個完整的對稱的打擊機制[17]。圖3-3撲動機構(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拉伸強度彎曲強度/MPa屈服強度/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，則強度很低，強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?；谏鲜鲆蛩?，選擇碳纖維材料作為大型翼展仿生鳥類飛行機器人的車體材料，并選擇鋁作為拍打機構(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身，這等效于懸臂，懸臂使機身快速前后移動，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)的撲動機構(gòu)搖桿原型的沖擊機理的三維模型如圖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器，因此可以在“細節(jié)”中比較不同的材質(zhì)以選擇最合適的搖臂材質(zhì)。實驗表明，當原型由于應(yīng)力集中等原因飛到地面上時。鋁合金翹板更可能導(dǎo)致機翼的主要碳纖維骨架斷裂。由ABS和尼龍材料制成的蹺蹺板具有更好的柔韌性和對主翼骨架的阻尼作用，并且不容易折斷主翼骨架[19]。圖3-5撲動機構(gòu)三維模型3.2仿鳥腿式步行機構(gòu)設(shè)計3.2.1鳥類腿部結(jié)構(gòu)及步行運動特點無論鳥類的種類，生活環(huán)境和生活方式如何變化，腿骨的結(jié)構(gòu)基本相同，包括三個較長的骨頭：股骨，脛骨附件和骨（如圖3-6所示）。四個關(guān)節(jié)：延髓關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，階梯關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)。人們通常認為鳥類的膝關(guān)節(jié)與人類相比是倒立的。這是錯誤的。由于鳥類的股骨在髓關(guān)節(jié)周圍的較小區(qū)域內(nèi)擺動，因此步行時腿部的擺動主要是通過膝關(guān)節(jié)角度的變化來實現(xiàn)的。同時，人們錯誤地認為鳥類的腳踝是膝蓋關(guān)節(jié)，因為鳥類的真實膝蓋關(guān)節(jié)被羽毛和肌肉包裹著。人類在腳底行走，而鳥類則用腳趾行走[20]。圖3-6鳥類腿部骨骼結(jié)構(gòu)根據(jù)VincentHugel等人的研究，鳥類的骨骼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一些特征。首先，它們的重心位于膝關(guān)節(jié)附近的髓質(zhì)關(guān)節(jié)下方，而較低的重心有助于提高穩(wěn)定性。其次，與人的鳥腳相比，還有另一個關(guān)節(jié)，即鳥的躁狂關(guān)節(jié)（人的腳步關(guān)節(jié)實際上對應(yīng)于鳥的腳趾關(guān)節(jié)）。這種結(jié)構(gòu)允許鳥類走更大的臺階，而與腿的長度無關(guān)。以鶴鵪鶉為例，其步幅與骨骼關(guān)節(jié)高度之比為2.2，而人類僅為1。最后，鳥類在運動過程中將雙腿保持在蹲姿，這使它們在崎ground不平的地面上行走時具有更好的穩(wěn)定性。由于鳥類的運動主要基于飛行，并且大多數(shù)地面運動都是跳躍的，因此選擇行走/奔跑的能力作為參考對象。步行和越過障礙物時步行鳥的步態(tài)受以下規(guī)則約束（1）像鶴和鵪鶉這樣的小平足可以通過大幅度改變其腿部姿勢來邁出更大的步伐，以實現(xiàn)快速行走。步行速度的改變主要是通過改變步幅來實現(xiàn)的，并且人行道隨速度和地形的不同而變化很大，大多數(shù)步行都是以“蹲”的姿勢進行的。（2）比較鶴類，圓錐體，珍珠雞，火雞和鴕鳥等行走鳥類時，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量越大，腿越長，步伐越小，行走時腿部姿勢的變化越小脛骨和meta骨連接。骨長的比例越小。作為比較的兩個極端，鶴鵪鶉的平均重量約為2008，平均步長為0.09m，髓關(guān)節(jié)高度約為0.04m，步長與骨骼關(guān)節(jié)高度之比約為2.2。（3）大鳥使用“直腿”姿勢來減少腿骨的彎矩，并避免導(dǎo)致腿部折斷的大彎曲應(yīng)力。為了降低重心，小鳥助行器“吸引”，以實現(xiàn)更快的行駛速度和更好的地形適應(yīng)性。3.2.2機構(gòu)尺寸選擇為了使機器人快速行走/奔跑，其支腿機構(gòu)必須具有合適的運動學(xué)特性，例如：重量輕，轉(zhuǎn)動慣量小。這要求設(shè)計盡可能減少驅(qū)動器的數(shù)量，并嘗試避免將驅(qū)動器安裝在距離骨骼關(guān)節(jié)較遠的關(guān)節(jié)上。實際上，可以快速奔跑的鳥和貓的腿部結(jié)構(gòu)也符合上述特征。圖3-7機構(gòu)簡圖與三維模型圖從上至下，該機構(gòu)可分為兩部分：用于產(chǎn)生飛行路徑的機構(gòu)和用于加強飛行路徑的機構(gòu)。框架IL，曲柄IJ，L形連桿JKH和搖臂LK形成用于產(chǎn)生舷梯的機構(gòu)?？蚣蹵，附接到骨頭的脛骨附件AC，趾骨MG，連桿HF，連桿EF，彈性帶MN擴大機構(gòu)。由于此處股骨的擺動幅度較小，因此省略了股骨機構(gòu)。當機構(gòu)移動時，電機在I點驅(qū)動曲柄IJ旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動L形連桿JKH，而H點形成閉合曲線，即舷梯。L形連桿JKH推動連桿HF進行平面運動，并推動脛骨和meta骨AC擺動以使腿部來回擺動。同時，F(xiàn)點通過連桿EF繞B點旋轉(zhuǎn)，拉動ED上下擺動，實現(xiàn)腳的收放。趾骨GM鉸接在附件ED上，并由皮帶MN移動，皮帶MN在腳落在地面上時起緩沖作用。整個機構(gòu)只有一個驅(qū)動器，其余的關(guān)節(jié)由連桿驅(qū)動，可以將大部分腿的質(zhì)量集中在框架部分上，并減少了腿的慣性。確定：步幅為15厘米，骨骼高度為11.1厘米，腿長約為14.87厘米，脛骨附件與meta骨的長度比約為1.34。具體的機制設(shè)計如下。3.2.3步態(tài)軌跡生成機構(gòu)產(chǎn)生舷梯的機構(gòu)的實質(zhì)是平面四桿機構(gòu)。L形連桿在平面中移動，并且連桿上的點的軌跡是閉合曲線，該閉合曲線變?yōu)檫B桿曲線。并且其形狀隨每個桿的長度而變化。有不同的連桿曲線。只要每個桿的長度合適，就可以實現(xiàn)任何彎曲形狀。在這一點上，我們可以通過調(diào)整每根鋼筋的長度來獲得理想的人行道。但是，根據(jù)給定的職業(yè)設(shè)計四連桿機構(gòu)非常困難。用解析方法求解時，指定的軌跡點越多，需要的方程式就越多，并且可能無法獲得精確的解。因此，在本設(shè)計中使用一種優(yōu)化方法來根據(jù)指定的連桿曲線求解每個桿的長度，以使求解曲線盡可能與指定的曲線匹配。圖3-8軌跡生成機構(gòu)簡圖建立L型連桿JKH末端H點的運動軌跡與曲柄IJ轉(zhuǎn)過的角度之間的關(guān)系。以工為原點建立如圖3-8示坐標系，利用復(fù)數(shù)矢量法求可求得和。令，，，，（3-5）（3-6）（3-7）根據(jù)幾何關(guān)系可求得:（3-8）（3-9）令，故（3-10）（3-11）其中,均為關(guān)于的函數(shù)，,作為參數(shù)，和均為關(guān)于的一元函數(shù)。理想的人行道應(yīng)處于支撐階段，以使重心的高度盡可能保持恒定，只能水平移動。由于只有一個騎手來驅(qū)動兩條腿，因此兩條腿之間的相位差為180度，因此，每條腿的支撐相位為半個周期，另一半為收縮和伸展的過程。假設(shè)腿部的擺動圍繞穿過骨骼關(guān)節(jié)的垂直線對稱，則理想的步態(tài)軌跡曲線應(yīng)為對稱的面包形閉合曲線，該曲線應(yīng)包含如圖所示的直線段和運動時間直線段應(yīng)占整個循環(huán)的一半。同時，該機構(gòu)保持足夠緊湊并且占用相對較小的空間。使用以下點（表3-2）作為飛行路徑的關(guān)鍵點，并使用三次樣條插值繪制理想的飛行路徑曲線（請參見圖3-9）。表3-2理想軌跡曲線離散點（°）00018001.5180.60198-11.35361.20216-2.10.947541.80234-30.5722.40252-3.2580.1769030270-301083.2580.176288-2.4012630.5306-1.801442.10.947324-1.2016211.35342-0.60圖3-9理想軌跡曲線利用優(yōu)化方法求解各桿長度。以I點坐標，桿長，，，，，L型連桿夾角，機架與坐標軸x軸夾角為變量，設(shè)定優(yōu)化目標函數(shù)為:（3-12）目標函數(shù)越小，實際軌跡與與其軌跡吻合度越高。同時要加入以下約束條件來獲得可行解。約束條件為:(1)桿長條件:傳動角條件：利用MATLAB優(yōu)化工具箱中求解約束非線性優(yōu)化問題的fmincon函數(shù)求解該優(yōu)化問題，解得可行解為、、、、。根據(jù)可行的解決方案，在拉動機構(gòu)的一個循環(huán)中每個桿的位置如圖3-10所示。顯然，實際飛行路徑和理想飛行路徑可以重合，如圖3-11所示，尤其是在直線段中。圖3-10第一次優(yōu)化求解的可行解圖3-11理想軌跡曲線與實際軌跡曲線對比3.2.4緩沖機構(gòu)采取有效的緩沖措施以減緩?fù)炔孔矒舻孛鏁r的撞擊并減少由于地面反作用力而引起的對腿部骨骼的高應(yīng)力，這是鳥類以相對較瘦的腿部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)快速行走的另一個關(guān)鍵因素。腿骨上的高負載主要發(fā)生在粘附的骨骼上，而接觸地面時獲得的彎矩會導(dǎo)致骨骼上的更高負載。緩沖的目的是減少附著的骨頭撞擊地面時的彎曲力矩。受SangbaeKim等人的研究啟發(fā)。對于快跑的貓，彈性的腳跟骨骼和腳趾的設(shè)計可以有效地減少附著骨骼的彎矩。圖3-12跟腆韌帶可有效緩沖地面反力如圖3-12所示，在沒有腳跟扳手的情況下，附著在骨骼上的地面反作用力可分解為沿著骨骼的壓力和垂直于骨骼的力。垂直于骨骼的力會在骨骼中產(chǎn)生彎矩，從而增加骨骼中的最大張力。如圖3-12所示，抬高腳跟和腳趾后，地板反作用力作用在腳趾上，腳趾上的扭矩轉(zhuǎn)換為腳跟扳手上的拉力，從而改善了骨骼承受更大應(yīng)力的情況。同時，彈性構(gòu)件的引入降低了整個腿機構(gòu)的剛度，行走過程中質(zhì)心在垂直方向上的運動幅度較小，并且整個機構(gòu)的操作更加穩(wěn)定，這是在下面的運動仿真中得到了證明。3.2.5電機的選型（1）升力與推力對于一般撲動模型，可利用以下運動方程來描述撲翼的運動。這里優(yōu)先考慮模型巡航平飛時的運動，因此擺動角0。這里關(guān)于撲翼的扭轉(zhuǎn)，假設(shè)扭轉(zhuǎn)幅度延展向符合拋物線規(guī)律，故有:這里表示Lsw/2二分之一翼展，表示翼尖微段扭轉(zhuǎn)角度。同時假設(shè)弦長函數(shù)滿足:表示翼根弦長。這里撲動幅度，撲動頻率5Hz,翼根弦長=0.1m，半翼展長翅=0.36m,翼根翼形為NACA9406,翼尖翼形NACA6401,由翼根向翼尖平緩過度。將上述參數(shù)帶入模型計算，可以獲得如下一個周期內(nèi)作用在機體上的升力、推力以及力矩情況。如圖3-13所示。圖3.13機體所受升力、推力以及力矩變化圖可以看出該模型可以可靠地估算一個周期內(nèi)作用在機體上的升力、推力以及力矩情況。在9.8m/s的平飛速度下，單片撲翼一個撲動周期內(nèi)平均升力約為1.17N，即兩片撲翼的升力可達230g以上，腿部機構(gòu)重約30g的估算結(jié)果，結(jié)合其他部件參考質(zhì)量，機器人起飛重量可以控制在200g你內(nèi)，因此該撲翼設(shè)計可為機器人飛行提供足夠升力。同時，該模型可以根據(jù)撲翼的實際情況修改參數(shù)與運動方程，提高對具體算例的近似精度。（2）動力與電子調(diào)速設(shè)備100g級樣機選用720空心杯電動機為樣機提供動力，200g級樣機采用BC2225型外轉(zhuǎn)子直流無刷電動機，KV值1350。由于接收機輸出的是PRM脈寬調(diào)制信號，無法直接驅(qū)動直流電動機，需要直流電子調(diào)速器來控制電動機的轉(zhuǎn)速。720空心杯電動機重約3.7g，調(diào)速器重約4g。如圖3.14所示。BC2225電動機質(zhì)量約為32g,電子調(diào)速器重約1飩。244g樣機主要為配合三位測力平臺研究撲翼空氣動力學(xué)，未配備伺服設(shè)備與電池，采用外部電源供電。圖3.14直流電子調(diào)速器與空心杯電動機3.2.6ADAMS仿真該機構(gòu)的實際行走情況是通過ADAMS模擬的。將整個機構(gòu)放入坐標系中，如圖3-15所示。由于未引入控制，因此重心僅限于框架在X，Y和Z方向上的旋轉(zhuǎn)，并且其在Z軸方向上的移動受到限制，因此只能在XOY平面中移動。上半身，姿勢保持相對穩(wěn)定。圖3-15仿真模型坐標系及機架質(zhì)心運動軌跡將重力加速度設(shè)置為9.8m/s2，方向為Y，每個桿為剛性桿，密度為1.75g/cm3（碳纖維桿），鞋底與地面之間的摩擦系數(shù)為0.9，曲柄以恒定的速度驅(qū)動，左右腿曲柄之間的角度為1800。將上部車體換成質(zhì)量為180°的車架頂部的立方體。機構(gòu)底部的矩形平板模擬地面，并且機構(gòu)沿X軸方向移動。跟蹤立方體質(zhì)心軌跡的結(jié)果表明，支腿機構(gòu)可以完成快速移動動作。行駛速度為6r/s時如果該機構(gòu)的速度可以達到0.9m/s，則可以看出，在大約0.13m的步長處，質(zhì)心的變化小于在0.01m處，緩沖機構(gòu)有效地起到了緩沖的作用，重心起伏程度很小，如圖3-16所示。圖3-16兩個周期內(nèi)質(zhì)心在XOY平面運動軌跡根據(jù)Solidwork建模數(shù)據(jù)，該機構(gòu)的總體積約為4694.16mm3，并且機構(gòu)材料主要由密度約為1.75g/cm3的碳纖維棒組成。除驅(qū)動馬達外，估計質(zhì)量約為35g。3.2.7最前機架靜應(yīng)力分析圖3-17圖3-18表3-3名稱類型最小最大位移1URES:合位移0.000e+00節(jié):1mm1.252e-02mm節(jié):1496 圖3-19名稱類型最小最大應(yīng)變1ESTRN:對等應(yīng)變1.377e-07單元:80724.019e-04單元:3547圖3-204可行走撲翼飛行機器人設(shè)計4.1翅翼形狀設(shè)計機翼根部的第一關(guān)節(jié)的形狀直接采用飛機機翼的形狀，該部分的拍打幅度并不大。由于它的空速，它在向前飛行時會像飛機機翼一樣產(chǎn)生升力。機翼末梢的第二鉸鏈應(yīng)具有帶有柔性后緣的柔性機翼。研究和實驗表明，后緣一定程度的柔韌性對飛機的空氣動力學(xué)有利，但應(yīng)將柔韌性控制在一定范圍內(nèi)。柔韌性過高會導(dǎo)致拍打時機翼拍打。尾部氣流湍流，不利于飛行。第二關(guān)節(jié)的形狀應(yīng)為下圖所示的形狀，并且機翼表面將添加多個機翼靜脈。為了設(shè)定迎角，將一條靜脈連接到要制造的轉(zhuǎn)向器上，并且其旋轉(zhuǎn)角度是可控制的。圖4-1副翼形狀設(shè)計4.2尾巴形狀設(shè)計鴿子的尾巴形狀是扇形的，改型后的旋轉(zhuǎn)更易于控制，因此可以更好地采用。飛機應(yīng)采用扇形機翼和安裝形狀（請參見圖4-2）。突出部分像飛機的尾巴一樣，可以校正并提高飛機的穩(wěn)定性。圖4-2尾巴形狀設(shè)計船尾計劃使用兩個操舵裝置控制其運動?？刂品椒ㄈ鐖D4-3所示，它可以使尾巴自由旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)飛機的俯仰角，還可以控制左右旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)飛機的偏轉(zhuǎn)角。圖4-3尾巴控制方式4.3翅膀迎角調(diào)節(jié)設(shè)計為了提高撲翼飛行器的機動性并滿足快速，小角度轉(zhuǎn)向和快速上升的要求，設(shè)計了兩種機翼俯仰機構(gòu)。機翼的迎角由安裝在副翼上的兩個舵機調(diào)節(jié)。安裝方法如圖4-4所示。舵機只調(diào)節(jié)副翼的迎角，對主翼沒有影響。圖4-4副翼可調(diào)迎角安裝方式4.4撲翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計4.4.1動力傳動部分結(jié)構(gòu)設(shè)計驅(qū)動電機是無刷模型飛機發(fā)動機，標稱速度為17760rpm，機翼的預(yù)期拍打頻率為4Hz，有必要通過實現(xiàn)多級計算和安裝來降低速度并增加驅(qū)動扭矩。板由碳纖維板制成，其結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。圖4-5驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計4.4.2尾巴的結(jié)構(gòu)設(shè)計尾部的設(shè)計目標是實現(xiàn)左右傾斜的動力模式。它參考圖5-10的示意圖設(shè)計，其機翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4-6所示。圖4-6尾巴的結(jié)構(gòu)設(shè)計4.4.3迎角可調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到減輕重量和強度的問題，將轉(zhuǎn)向器安裝在副翼上。舵機通過兩個連接板連接至主翼。同時，在轉(zhuǎn)向器的旋轉(zhuǎn)軸上增加了一個支撐板，如圖4-7所示。圖4-7副翼舵機結(jié)構(gòu)設(shè)計4.4.4整體