基于 ProE 的空间四连杆仿鸟扑翼机构的受力分析方法
梁俊杰;黄文恺;伍冯洁;朱静
【摘要】According to the strict requirements of air drag and the strength of mechanical parts of the design of bird -like flapping-wing mechanism , we propose a method for Force Analysis of spatial four bar linkage flapping-wing mechanism based on ProE.Firstly, make a necessary simplification for the bird-like flapping-wing mechanism and the bird-like.Next, analyze the move-ment of the mechanism and the moment of resistance caused by air drag , and find out the moment function of follower motion speed . Finally, set parameter values in ProE to realize the force analysis , and then obtain the data which can be helpful to checking the strength of mechanical parts .The results show that this method for force analysis of spatial four bar linkage bird-like flapping-wing mechanism can simplify the design process and improve the design efficiency .%针对仿鸟扑翼机构设计中对空气阻力以及机构零件强度的严格要求，提出了一种基于ProE的对空间四连杆扑翼机构的受力分析方法。首先，对仿鸟扑翼机构及翅翼进行必要的简化；其次，将机构运动情况和空气阻力引起的阻力矩进行耦合，得出阻力矩关于从动件运动速度的函数；最后在ProE中设置参数，实现受力分析，并得出可用于校核零件强度的受力分析数据。结果表明，该方法应用于仿鸟扑翼机构的受力分析可以简化设计流程，提高设计效率。
【期刊名称】《东莞理工学院学报》
【年(卷),期】2016(023)003
【总页数】7页(P100-105,114)
【关键词】Pro/ENGINEER;扑翼机构;仿鸟扑翼飞行器;受力分析
【作者】梁俊杰;黄文恺;伍冯洁;朱静
【作者单位】广州大学机械与电气工程学院，广州 510006;广州大学实验中心，
广州 510006;广州大学实验中心，广州 510006;广州大学实验中心，广州 510006【正文语种】中文
【中图分类】TH122
近年来，随着无人机的军用及民用价值不断被挖掘，各种新型无人机相继问世。其中，仿生扑翼无人机因具有尺寸小、重量轻、隐蔽性好等特点[1]，受到中外学者
普遍关注。仿生扑翼无人机可分为两类：一类是仿昆扑翼飞行器[2](Entomopter)，另一类是仿鸟扑翼飞行器[3](Ornithopter)。由于仿昆扑翼飞行器负载有限，在无人机承担侦察[4]、搜寻[5]、救援[6]、航拍等多种任务的时代背景下，该类扑翼机暂时不能满足使用的需求，因此其发展受到了一定的限制。相比之下，仿鸟扑翼机具有负载较大、控制灵活、结构简单、基础技术成熟等优点，并随着图像传输、飞行控制器、增稳云台等领域的技术的发展，仿鸟扑翼机的使用前景愈发广阔[7]。
实现仿鸟扑翼运动的机构有曲柄摇杆机构、滑块摇杆机构以及齿轮连杆机构，其中较为常用的是齿轮连杆机构[8]，该机构为平面机构，占用一个垂直于扑翼机前进
方向的平面的较大面积，对扑翼飞行器外壳形状造成较大影响，增加飞行阻力。使用的空间四连杆机构，有效地减小机构对扑翼机外形的影响，因其为三维机构，为运动仿真及分析增加了难度，而传统的手工计算法不但不切合实际，且一般的编程仿真方法也相当耗时[9]。
ProE是现今主流的CAD软件之一，具有强大的建模功能及机构仿真和分析功能
[10]，适合对空间四连杆扑翼机构进行优化设计。扑翼机为新型飞行器，其设计涉及空气动力学、机构动力学、材料力学等多个学科[11]。仿鸟扑翼机构设计对机构简化有极严格的要求，简化过程中需要校核各零件强度，因此需要简单便捷的受力分析方法。运用ProE可对机械结构进行快速仿真及修改，大大提高设计和验证效率[12]。文中对ProE在仿鸟扑翼机构受力分析中的应用进行阐述，以期为将来的仿鸟扑翼机构优化设计提供新的有效途径。
仿鸟扑翼飞行器的扑翼驱动机构为空间四连杆机构，由机架AD、曲柄AB、连杆BC、摇杆CD四部分组成，曲柄AB和摇杆CD分别在两个互相垂直的平面内作旋转运动和往复摇摆运动。扑翼机构以曲柄为原动件，摇杆为从动件，连杆把曲柄的旋转运动转化为扑翼机翅翼的上下扑动。机构正等轴测图、正视图、左视图分别如图1、图2、图3所示。
仿鸟扑翼飞行器的翅翼与摇杆CD相连，可视为绕通过铰链D且平行于y轴的轴作往复摆动，其中翅翼与扑翼机构的连接关系如图4。
仿鸟扑翼机飞行时机身重心随翅翼上下扑动而上下移动，此时机构各零件的最大受力比机身固定时更小，扑翼机达到最大扑翼频率后至起飞前这一阶段时间内机构各零件有最大受力，笔者针对此阶段对机构进行受力分析。
1.1 扑翼机构的简化
ProE机构仿真及分析功能中的“动态”类型只能在机构自由度为1时才能启用，而模型中连杆绕自身轴向的转动运动的确定较为困难，需设计者灵活变动模型，以笔者的分析方法为例，将空间四连杆机构简化为平面四连杆机构，各零件尺寸均不变，改变曲柄旋转运动所在平面(机构简化后正等轴测图如图5所示，机构简图如图6所示)。
原机构中，铰接点B、C、D在同一竖直平面上，CD长度与A、D在x方向上的距离相同，将此空间四连杆机构按上述方法简化为平面四连杆机构，所得受力分析
结果有如下特征。
1)各零件z方向上的受力最大值均不变；
2)若忽略各零件自身质量，零件在空间四连杆机构中y方向上的受力最大值等于该零件在平面四连杆机构中x方向的受力最大值。
为了降低第三维度对传动角的影响，设计空间四连杆仿鸟扑翼机构时，应将铰接点D、C、A放置于同一竖直平面上，并使CD长度与A、D在x方向上的距离相近，以使连杆轴向与连杆在摇杆上的铰接点的瞬时运动方向夹角减小，以增大传动角。因此，该简化方法对仿鸟空间四连杆扑翼机构具有普遍适用性。
1.2 翅翼的简化
图7为笔者设计的仿鸟翅翼，该翅翼翼形由3条直线边，一条曲线边组成。设
l/m为表示翅翼长度方向位置的变量，h/m为翅翼宽度。
由于翼形有曲边，直接求解h关于l的函数h(l)的过程较为复杂，为方便求解，需把仿鸟翅翼简化。具体方法为：用若干条直边拟合曲边，使h(l)可分为若干个可用一次函数表示的区间，最终将h(l)表示为如式(1)所示形式(简化后翅翼形状如图8，具体尺寸如图9)。
由图9所示尺寸可得，h与l关系式如下。
由于受力分析阶段为扑翼机达到最大扑翼频率后且起飞前，此时视仿鸟翅翼附近空气处于静止状态，则对翅翼运动速度与翅翼所受阻力矩进行分析计算的具体方法如下。
由空气阻力公式得
F为空气阻力；C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S物体迎风面积；v为物体与
空气的相对运动速度。
根据速度与角速度关系，有
ω为扑翼角速度。
根据力与力矩关系，有
T为翅翼扑动时所受阻力矩。
将(4)式及(5)式代入(3)式，并对两边进行微分，得
代入dS=hdl得
对(7)式积分，则有
设，根据式(2)，对式(8)分段求积分，得：
将该式代入(8)式，并代入C=1.0，ρ=1.29 kg/m3，解得：
1)在ProE中建立仿鸟扑翼机构模型，如图10所示。
2)设置机构运行速度。打开pore“机构”功能，在曲柄与机架的铰接处设置伺服
马达(Servo Motor)，伺服马达速度可根据扑翼机振翅最大频率设定，速度定为720 deg/s。
3)应用上述T与ω关系式为机构添加阻力矩。添加测量机架AD与摇杆CD铰接
点D的位置测量，并设置其名称为“ω1”(单位：deg/s)。添加力(Force Motor)，设置模为“用户定义的”，根据(10)式编写其关于ω1关系式为：
4)定义各构件材料或密度。定义连杆及曲柄材料为steel，机架及摇杆密度为3
g/cm3。
5)建立机构分析。定义分析类型为“动态”。由于曲柄的旋转速度恒定，曲柄的旋转运动位置与时间为线性关系，因此通过上述参数与时间的函数亦可得出其与曲柄旋转运动位置的函数。
6)创建测量对象。不难得出，摇杆与机架在x方向与z方向受力为大小相同，方向相反，则只需要测量连杆与摇杆铰接点在x方向与z方向受力，即可得出摇杆与机架在该方向的受力。创建新测量，测量链接为铰链C处，类型为“连接反作用”，分量分别选择“径向力x”与“径向力z”，为保持坐标系一致，表示为“主体2
连接坐标系”(绝对坐标系)。
7)运行机构得出仿鸟扑翼机构受力分析结果如图11、12所示。
得出在简化的平面四连杆机构中，x方向上和z方向上铰接点C对连杆CD的径向作用力，由第1点的推导可得，y方向上和z方向上铰接点D对机架AD的径向
作用力，如图13、14所示。
由以上受力分析结果可得：y方向上铰接点D对机架AD的径向作用力最大值Fdymax=2.0 N，z方向上铰接点D对机架AD的径向作用力Fdzmax=17.3 N，均在合理范围之内。同理可得其他零件在各方向上的受力。设计者可根据该数据校核摇杆、连杆、机身主体的强度，可在进行相关实验前优化设计，降低研发成本和研发周期。
该项基于ProE的仿鸟扑翼机构受力分析方法，可以在仿鸟扑翼机构的设计研发中，实现无纸化参数化设计，并便捷地进行受力分析，简化了流程，提高了效率。其中，机构本身和翅翼的简化以及空气阻力分析是受力分析的前提条件，将阻力矩与摇杆往复摆动角速度进行关联是分析的关键。笔者一步步突破技术难关，为仿鸟扑翼飞行器的核心机械结构——空间四连杆机构的仿真分析提供了新的方法，并通过实
例验证了其可行性。
【相关文献】
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目录 摘要...................................................................... 错误!未定义书签。第1章仿生机构概述 ............................................ 错误!未定义书签。 引言 ................................................................... 错误!未定义书签。 仿生机构的概念及组成 .................................... 错误!未定义书签。 仿生机构的基本类型 ........................................ 错误!未定义书签。第2章四种仿生机构分类介绍............................. 错误!未定义书签。 仿生扑翼飞行机构结构简介 ............................ 错误!未定义书签。 仿昆飞行机器人结构简介 .............................................. 错误!未定义书签。 扑翼三维运动的新型扑翼机构结构简介 ...................... 错误!未定义书签。 仿蛇蠕动爬行机构结构简介 ............................ 错误!未定义书签。 多关节仿蛇机器人结构简介 .......................................... 错误!未定义书签。 一种蠕动爬行方案结构简介 .......................................... 错误!未定义书签。 多足步行机构结构简介 .................................... 错误!未定义书签。 一种新型四足机器人机构构型设计 .............................. 错误!未定义书签。 具有手脚融合功能的多足步行机器人结构 .................. 错误!未定义书签。 尾鳍推进机构结构简介 .................................... 错误!未定义书签。结论.......................................................................... 错误!未定义书签。参考文献.................................................................. 错误!未定义书签。
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2.自二十世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断成熟和微电子技术的大幅进步，微型飞行器被提出并快速发展。微型飞行器由于具有体积小、重量轻和机动性强等特征，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，适用于复杂环境下的侦查、勘 探和协助救援等工作。 3.同时，随着人们对自然生物飞行的不断探索，仿生学设计被越来越多的应用于微型飞行 器领域，开始出现模仿生物飞行的扑翼微型飞行器。尽管现有大多数扑翼飞行器在布局形 式上模仿生物翅，但大多数飞行器翼的升力效率低于生物翅。如何能有效提高扑翼飞行器 的气动效率对于其未来的实用化起着关键作用，也是众多研究机构研究的热点问题之一。 4.过去设计的仿生扑翼微型飞行器通常仅有一对翼，翼高升力产生主要利用了翼拍动的非 定常延迟失速机制和打开合拢机制。事实上，自然界中还存在其它类型的翼运动形式，这 其中的流动机理可以应用在飞行器设计中用来提高翼的气动效率，其中一种便是自然界中 雁阵飞行。通过对自然界中大雁迁徙行为观察发现，大雁迁徙时结队飞行时呈现人字形， 后面的大雁可以充分利用头雁飞行产生的涡实现低耗能飞行。此外，大雁在飞行时也并非 始终在拍动翅膀，当来流速度快或者飞行高度较高时，大雁和其他鸟类一样也会固定翅膀进行滑翔以减少能量消耗。受此启发，如果在仿生扑翼微型飞行器中，增加扑翼数量并合理布置多对扑翼位置，使得多对扑翼在拍动时能够利用雁阵飞行的省能飞行原理，并在高 速时能够固定滑翔，这样的设计是势必可以显著提升多扑翼微型飞行器的气动性能。 技术实现要素： 5.受雁阵飞行的省功飞行原理启发，本发明设计了一种多扑翼微型飞行器，解决传统微型 飞行器升力不足和气动效率低的问题。 6.本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，为六扑翼布局形式，由机 体和三对扑翼组成。 7.所述机体通过3d打印整体成型，为左右对称结构，用于固定三对扑翼并布置拍动运动 系统、扑翼姿态锁紧机构和扑翼运动控制系统。其中，拍动运动系统用于驱动三对扑翼同 相位拍动，锁紧机构用于滑翔时固定扑翼姿态，扑翼运动控制系统用于改变翼的运动状态，实现飞行器在滑翔和高推力/高升力状态间的切换，与此同时，在飞行过程中通过控制分 别改变前后翼、左右翼的姿态进行纵向和横行向飞行控制。 8.第一扑翼、第三扑翼、第五扑翼位于所述机体右侧，第二扑翼、第四扑翼、第六扑翼分 别与所述第一扑翼、第三扑翼、第五扑翼关于所述机体的轴线呈左右对称，布置在所述机
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目前，国内外对扑翼飞行器的研究主要集中在2个方面：一方面是仿生扑翼飞行器的结构设计与运动学分析，通过观察鸟类翅膀的运动规律，建立扑翼运动学与动力学模型，设计高效驱动机构，结合新型柔性致动材料，多种形式的仿生扑翼飞行器应运而生[5]。如加利福尼亚工学院MicroBat、Aero Vironment公司研制的“蜂鸟”、哈佛大学研制的RoboBee X-Wing、荷兰Delft大学研制的BatBot(B2)的仿蝙蝠扑翼飞行器等。另一方面对扑翼飞行机翼非定常气动力特性开展研究，通过理论分析、数值模拟和实验测试相结合的方式展开。Tuncer等[16]对扑翼拍动过程中的升阻力变化进行了分析。Delaurier等[7-12,14]采用改进的条带理论建立了对称扑翼在飞行过程中翅翼运动的空气动力学模型。国内的研究人员对扑翼的非定常理论也展开了深入研究，昂海松等采用非定常涡格方法对扑翼复合运动的气动力特性展开研究。孙茂[13]通过Navier-Stokes equations(N-S)方程与涡动力学分析昆虫翅翼的非定常运动气动力特性。 目前对扑翼非定常运动的空气动力特性的研究有很多，且形成了一定的理论基础。但在气动分析时，机翼大多为上下对称扑动。而通过观察鸟类翅膀的运动规律，飞行过程中翅膀下拍和上拍的时间占比不同，下拍时间较短速度较快，而上扑占整个扑动周期的时间较长速度较慢。本文针对扑翼非对称拍动的运动特定，建立扑翼非对称运动控制方程，构建三维扑翼气动分析模型，研究采用动态混合