仿生鸟类的扑翼机构机械结构设计开题报告

1. 研究目的与意义

在某些领域中，如野外科考、救援，勘探以及军事领域中，往往需要使用小型飞行装置，利用这些装置进行信息或小型物品的传送，传统的飞行装置多为螺旋桨式，这类飞行装置存在的问题是升力有限，结构复杂，成本高昂，特别是用于特殊的勘探或侦察时，作为一种典型的人工飞行装置，非常容易被发现，随着生产生活的需要，仿生机械鸟作为一种外形酷似鸟类的飞行器，不仅可以飞行，而且能够扇动翅膀，模拟鸟类动作，外形逼真，通常，仿生机械鸟包括机身以及扑翼机构，通过扑翼机构模拟鸟类翅膀的扇动实现飞行，目前，仿生机械鸟的扑翼机构，虽然可以模拟鸟类翅膀的煽动实现飞行，但是其翅膀上下摆动时会产生较大的惯性，惯性力会使机械鸟的机身产生晃动，进而影响了机械鸟飞行时的稳定性。

2. 课题关键问题和重难点

(1) 仿鸟型扑翼机器人机械设计:包含总体机械参数的设计，驱动结构、翅膀结构与机身结构的三维建模与选材，驱动机构的设计与电机选型，在满足扑翼机器人总质量要求、刚度与强度要求的情况下，合理选则整机结构的材料并装配样机。

(2) 目前一些文献资料中所设计的扑动机构有曲柄滑块机构,凸轮弹簧机构、单曲柄双摇杆机构等,这些机构都存在一些问题,不是质量较重就是存在扑翼角差,或者设计加工较为复杂。要设计出一种质量较轻、尺寸较小、且结构简单的扑翼机构就显得特别重要了。

(3) 目前市面上已经有了成熟的四旋翼、固定翼以 及直升机飞行器产品，而有关扑翼的相关产品大多还停留在低载荷、短续航、 遥控距离近的玩具水平，因此，良好的扑翼机器人平台是实现理论方法的实物验证的基石。

3. 国内外研究现状（文献综述）

扑翼飞行的生物鸟类及昆虫的飞行机理较为复杂，科研人员在科研探索中遇到了很多问题的同时，也产生了一定的研究成果[1-3]。在此之前，专家学者对多种螺旋翼型和固定翼型飞行器进行了大量研究!，但是扑翼型飞行器的研究成果就远不及这两类型飞行器。一直到本世纪初才出现了一定的研究成果，但是仍有较大的进步空间与发展。微型扑翼机器人在一个低雷诺数、非定常气流环境中通过拍打翅膀实现飞行，这种飞行方式在机动效率方面胜于旋翼型与固定翼型飞行器。早在1870年，古斯塔夫成功试飞了第一台通过扑翼方式飞行的扑翼飞机，该扑翼机利用内燃机作为当时的动力源，可飞行较长的距离，飞行效果良好。扑翼机器人相比传统飞行器伪装性突出，质量轻便，效率高和机动灵活等突出特点，应用领域宽。几十年来发展的速度迅猛，各大科研机构与院校也十分重视该领域的发展，诞生了从各种不同质量的仿生扑翼机器人。[4]

仿生扑翼机器人因具备飞行机动性强、质量轻便、伪装性好、低噪声和低能耗等优点，使其可以应用在军事侦查、环境检测和反恐作战等领域的应用前景广阔。国际上已研制多种仿生扑翼机器人，如仿鸟类、仿苍蝇类、仿蝴蝶类和仿蝙蝠类，并在非定常气动环境下扑翼气动理论进行了相关理论研究与实验分析，积累了一定的研究成果与经验。其中以德国festo公司于美国科研机构为代表的研制成果具有代表性，部分样机不仅能够现实基本的飞行动作，还具有多种起飞方式、飞行状态信息感知、寻迹飞行、完成一些简单的飞行任务。而我国只有近三十年国内一些科研机构和相关高校才开始研究扑翼机器人的气动理论、结构设计和控制系统，虽然在起步阶段，但是也取得了一定的研究成果与技术迭代，但还有较大的进步改良空间。且国内研制的飞行效果良好的仿生扑翼机器人，绝大部分为相对体型较大的仿鸟扑翼机器人，样机种类单一，集成度较低，飞行效果不尽人意，与国外的飞行效果优秀的仿生扑翼机器人还有较大的技术差距,也是国内扑翼机器人的机遇与挑战。[5]

要研制一款小型仿鸟类扑翼机器人的样机，应设计其微型结构，研究仿生翅膀柔性形变的扑动气动力学理论与飞行参数规律，研制一款专用的微小型高度集成的控制器,并对该扑翼机器人的样机进行组装调试与试飞实验。综合考虑微机械结构、非定常气动力学原理、微电子技术与传感技术等现代科学技术手段，合理利用现有技术并成功研制一款可以完成各种飞行动作的小型仿鸟扑翼机器人，本文急需解决的问题主要有: [6]

4. 研究方案

扑翼微型机器人是模仿自然界中飞行的鸟类或昆虫的空气动力学原理，通过有规律地拍打翅膀来实现飞行的仿生机器人。微型仿生扑翼机器人与传统的固定翼和旋翼机器人相比，具有飞行机动性高、重量轻、伪装性好、噪声低、能耗低等优点，非常适用于伪装探测、自然环境探测和反恐军事行动等相关领域。已研制的微型仿生扑翼机器人大多为体型较大的仿鸟机器人及实用性不强的仿昆虫机器人，尚缺乏一款体型较好、隐蔽性强的小型仿鸟扑翼机器人。

国外一些研究学者通过统计自然界鸟类身体尺寸与飞行指标的数据，总结得到自然鸟类的总质量与翅膀翼展、翅膀翼面积和扑动频率等参数存某种函数关系。本文目标是设计一台微型仿鸟扑翼机器人，根据仿生学原理的自然界生物尺寸率公式得到部分设计指标，结合扑翼气动力学的飞行指标，得到各个部分的结构参数，设计翅膀扑动机构、齿轮传动机构，设计柔性翅膀结构与机身结构。经加工装配。在样机研制之前，应首先确定扑翼机器人的主要机械设计参数，例如质量、扑动频率、翼展长度、翼面面积和展弦比等参数。本文将设计一款整机微型仿鸟扑翼机器人，将质量作为原始指标，利用尺度率对其他指标进行设计。所谓尺度率为当所设计产品的某一个参数发生改变，该产品的机械参数与物理性能随之规律性改变的一种变化规律，这种特性可以用在仿鸟扑翼机器人的设计中，将质量作为原始指标。

5. 工作计划

第一周：阅读文献，学习相关设计软件的使用及撰写开题报告。

第二周：查阅国内外相关资料完成外文翻译。

第三周：绘制产品零件图，完成产品图的三维造型。