仿蝙蝠機(jī)器翅設(shè)計(jì)與蝙蝠翅膀受力及功耗研究.pdf

1、既不屬于鳥類也不屬于昆蟲類，蝙蝠是唯一可實(shí)現(xiàn)飛行的哺乳動物。盡管目前在撲翼飛行機(jī)理及仿生飛行器研究方面已取得階段性進(jìn)展，但對蝙蝠撲翼飛行機(jī)理的認(rèn)識尚不充分，且關(guān)于仿蝙蝠飛行器的研究尚處于起步階段。因此，深入了解蝙蝠翅膀的結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動規(guī)律，開展蝙蝠翅膀及仿蝙蝠機(jī)器翅方面理論、仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究，對翅膀運(yùn)動中的受力及功耗等關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，有助于加深對蝙蝠飛行機(jī)理的認(rèn)識，為未來仿蝙蝠飛行器的研制提供參考等。
　　本文根據(jù)實(shí)際測量的蝙

2、蝠翅膀結(jié)構(gòu)尺寸及角度數(shù)據(jù)，研制了一種可實(shí)現(xiàn)拍動、揮動、伸縮及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動的仿蝙蝠機(jī)器翅，并建立了仿蝙蝠機(jī)器翅及蝙蝠翅膀計(jì)算模型，通過觀察測量、實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)、仿真計(jì)算等研究了參數(shù)及運(yùn)動變化對蝙蝠翅膀升力、阻力及功耗的影響等問題。本文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)大棕蝠翅膀的尺寸結(jié)構(gòu)及實(shí)時運(yùn)動規(guī)律研究。以大棕蝠（Eptesicus fuscus）為研究對象，建立了蝙蝠翅膀坐標(biāo)系統(tǒng)，推導(dǎo)了實(shí)時變化的拍動角、揮動角、伸縮角、扭轉(zhuǎn)角及三

3、個橈骨-指骨角的計(jì)算公式。搭建了蝙蝠飛行信息采集實(shí)驗(yàn)平臺，基于高速相機(jī)采集的蝙蝠翅膀關(guān)鍵位置標(biāo)記點(diǎn)信息，經(jīng)標(biāo)記點(diǎn)追蹤軟件分析及計(jì)算后獲取了翅膀的三維運(yùn)動數(shù)據(jù)?；隍鸪岚蜻\(yùn)動數(shù)據(jù)，計(jì)算后得到了翅膀運(yùn)動中七個關(guān)鍵角度的實(shí)時變化規(guī)律。根據(jù)蝙蝠實(shí)時飛行中，肱骨、橈骨、指骨3、指骨4及指骨5的實(shí)時尺寸及各關(guān)節(jié)間實(shí)時角度測量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了翅膀運(yùn)動中尺寸、角度所能達(dá)到極限值及平均值等。上述測量及計(jì)算結(jié)果為仿蝙蝠機(jī)器翅的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。
　　

4、(2)可實(shí)現(xiàn)拍動、揮動、伸縮及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動的四自由度仿蝙蝠機(jī)器翅設(shè)計(jì)。根據(jù)蝙蝠翅膀尺寸、結(jié)構(gòu)及運(yùn)動數(shù)據(jù)，研制了一種四自由度仿蝙蝠機(jī)器翅。在機(jī)器翅骨架及翅膜制作方面，采用3D打印技術(shù)制作機(jī)器翅骨架，采用加成型硅膠制作翅膜。通過機(jī)器翅風(fēng)洞內(nèi)外測試及不同翅膜樣本、不同加載速度、不同加載循環(huán)對翅膜力學(xué)性能的影響實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所制作的機(jī)器翅骨架及翅膜均滿足設(shè)計(jì)及使用要求。在機(jī)器翅控制方面，使用電機(jī)、控制器、GailTools軟件等實(shí)現(xiàn)對機(jī)器翅運(yùn)動的控制

5、;采用‘PVT’控制模式，通過定義目標(biāo)點(diǎn)的位置、速度及到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的時間實(shí)現(xiàn)了對蝙蝠骨骼運(yùn)動的準(zhǔn)確模擬。此外，還分別研究了不同頻率、不同運(yùn)動對機(jī)器翅拍動、揮動、伸縮及扭轉(zhuǎn)角度的影響，驗(yàn)證了機(jī)器翅運(yùn)動的準(zhǔn)確性。
　　(3)風(fēng)洞中仿蝙蝠機(jī)器翅升力、阻力及功耗實(shí)驗(yàn)。在風(fēng)洞中搭建了機(jī)器翅實(shí)驗(yàn)平臺，采用測力傳感器測量機(jī)器翅的升力及阻力，采用電機(jī)編碼器、控制器等測量及計(jì)算機(jī)器翅的功耗。對傳感器的標(biāo)定、誤差產(chǎn)生的原因及消除、負(fù)功耗等問題進(jìn)行了分析

6、;研究了拍動幅度、拍動頻率、風(fēng)速、下拍比、傾斜角等參數(shù)變化以及不同運(yùn)動對升力、阻力及功耗的影響。實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論包括:①增加拍動幅度、拍動頻率及飛行速度可以增加機(jī)器翅的升力、但阻力及功耗也會相應(yīng)增加;當(dāng)下拍比偏離對稱中心時，機(jī)器翅升力、阻力及功耗會相對增加;當(dāng)傾斜角度增加時，機(jī)器翅阻力減小，升力及功耗變化趨勢呈倒U型結(jié)構(gòu)。②拍動運(yùn)動提供最大的升力及阻力，且所需功耗最大，其它三個運(yùn)動對力及功耗的影響程度不如拍動運(yùn)動顯著;上拍過程中的翅膀折疊有

7、利于提高升力及減少功耗，翅膀拍動及折疊是仿蝙蝠機(jī)器翅中最重要的兩個運(yùn)動。
　　(4)基于4DOF模型，研究蝙蝠翅膀骨架的慣性功耗及慣性力等問題?；谠O(shè)計(jì)的仿蝙蝠機(jī)器，建立了4DOF計(jì)算模型;通過將蝙蝠翅膀分割成不同小塊，并計(jì)算每部分的質(zhì)量、速度、加速度等得到了蝙蝠翅膀的慣性功耗及慣性力。在理論研究方面，基于正弦拍動運(yùn)動，推導(dǎo)了蝙蝠翅膀正弦拍動時的慣性功耗及慣性力公式;在仿真計(jì)算方面，研究了正弦拍動時、不同拍動角度下，慣性功耗及慣性

8、力在不同分量上的變化趨勢，并對變化趨勢及原因進(jìn)行了分析;在計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較方面，分析了拍動幅度、拍動頻率、質(zhì)量、下拍比等參數(shù)對慣性功耗及慣性力的影響程度。理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果均表明，當(dāng)拍動頻率及拍動幅度增加時，慣性功耗及慣性力均增加;當(dāng)下拍比偏離對稱中間位置時，慣性功耗及慣性力也會變大;翅膀折疊有利于減少翅膀骨架的慣性功耗及慣性力。
　　(5)基于7DOF模型，研究多種因素對蝙蝠翅膀慣性功耗及慣性力的影響。綜合考慮實(shí)際

9、蝙蝠的結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動及翅膜的影響，建立了七自由度的蝙蝠翅膀慣性功耗及慣性力計(jì)算模型。對7DOF模型、4DOF模型及仿蝙蝠機(jī)器翅的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了分析，并與真實(shí)蝙蝠的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了機(jī)器翅及計(jì)算模型運(yùn)動規(guī)律的準(zhǔn)確性。對正弦運(yùn)動及仿生運(yùn)動下慣性功耗及慣性力在不同方向上的變化情況進(jìn)行了分析，表明蝙蝠翅膀在拍動方向的慣性功耗較大，而在拍動、揮動及伸縮方向的慣性力基本相同，同時翅膀的折疊可減少慣性功耗及慣性力。此外，研究了拍動、揮動、伸縮