一種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種撲翼飛行機器人的柔性平板翅翼機構(gòu)，特別涉及一種撲翼飛行機 器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 小型鳥類高速拍動翅膀時，其翅膀的運動軌跡是由拍動和扭轉(zhuǎn)運動復合而成的。 翅膀在上拍和下拍時，都會受到空氣阻力。下拍時空氣阻力做正功，上拍時空氣阻力做負 功。為了提高飛行能量效率，鳥類在機動飛行時，自然地在翅膀下拍時使迎風面積變大，上 拍時迎風面積變小，從而提高飛行效率。
[0003] 以往的小型撲翼飛行機器人的翅翼機構(gòu)，雖然多采用柔性薄膜翅形，通過碳纖維 桿作為翅膀骨架，但是翅膀在正反方向拍動時，其剛度是相同的，產(chǎn)生升力只能通過調(diào)整機 器人空中的迎角和加快拍動頻率提高飛行速度實現(xiàn)，使得撲翼飛行機器人的飛行能效性很 低，多數(shù)小型撲翼飛行機器人只能連續(xù)飛行十分鐘左右。
[0004] 提高飛行效率是設(shè)計撲翼飛行機器人的關(guān)鍵技術(shù)指標之一。本發(fā)明提出一種撲翼 飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)為有效減小機器人飛行時的能耗速率，為提高 機器人的飛行效率提供了一種新的機構(gòu)設(shè)計方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)設(shè)計 制作方案，在機器人拍動翅膀的每個周期中，翼膜正、反方向拍動受到空氣阻力的作用，翅 翼正反方向的彎曲剛度不同，形成非對稱剛度柔性平板翅翼。與對稱剛度柔性平板翅翼相 比，非對稱剛度柔性平板翅翼可以提高每個拍動周期中的等效升力，從而有效減小機器人 飛行時的能耗速率，提高機器人的飛行效率以及帶載飛行能力。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平 板翅翼機構(gòu)主要由柔性碳纖維桿主骨架、懸臂柔性輔助骨架、風箏布翼膜組成。
[0007] -種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)設(shè)計方案如下：該撲翼飛行 機器人的非對稱剛度柔性平板翼機構(gòu)的柔性機翼為懸臂板式柔性平板，懸臂梁設(shè)計中最主 要的因素就是因為受力而引起的彎曲變形。柔性平板翼在上拍和下拍過程中，在相對運動 氣流作用下，翼的彎曲變形主要是由于翼梁的彎曲變形所致。
[0008] 該柔性機翼的翼梁和翼肋采用不同的碳纖維桿，翼梁采用內(nèi)徑1mm，外邊長3mm碳 纖維方管，翼肋采用Imm碳纖維棒，翼梁相對于翼肋有較大的剛度，所以翼肋在相對運動氣 流作用下抵抗彈性變形的能力較低，因此該柔性機翼的扭轉(zhuǎn)變形是翼梁的的扭轉(zhuǎn)和翼肋的 彎曲共同作用的結(jié)果。
[0009] 翼梁和翼肋采用細鐵絲捆綁連接，由碳纖維桿組成的機翼上的主骨架相對位置固 定并制作成桁架式機翼骨架。桁架能夠充分利用材料的強度，節(jié)約材料，減輕機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量 和增大剛度。桁架式主骨架上方貼輕質(zhì)風箏布作為翅翼翼膜，風箏布翼膜下方與主骨架上 方采用快速凝固膠粘接，主骨架下方貼風箏布修補帶與風箏布翼膜粘結(jié)固定，保證風箏布 翼膜與主骨架的穩(wěn)定接觸，構(gòu)成柔性平板翅翼。在機器人拍動翅膀的每個周期中，碳纖維主 骨架與風箏布翼膜始終緊密固定，在不采用與翼膜平行接觸的輔助骨架條件下，上拍行程 和下拍行程其剛度是相同的。
[0010] 輔助骨架采用碳纖維管材或棒材進行制作，位于翼膜上方，與翼膜平行接觸，輔助 骨架的一端與主骨架在機翼前緣通過細鐵絲捆綁的方式進行牢固連接，輔助骨架的另一端 自由懸空。
[0011] 在機器人拍動翅膀的每個周期中，柔性平板翅翼上拍行程中，由于相對運動氣流 的作用，輔助骨架只有一端與主骨架進行固定連接，而另一端自由懸空，因此輔助骨架與主 骨架部分分離，輔助骨架對柔性翅翼的影響相對較小，柔性平板翅翼整體也表現(xiàn)出相對較 小的彎曲剛度，翅翼受到相對較小的的空氣阻力。
[0012] 在翅膀下拍行程中，同樣由于相對運動氣流的作用，輔助骨架與主骨架貼合，柔性 平板翅翼整體表現(xiàn)出相對較大的彎曲剛度，機翼受到相對較大的空氣阻力。
[0013] 該非對稱剛度柔性平板翅翼在上拍和下拍受到的空氣阻力不同，撲翼機器人拍動 翅膀的周期運動中，空氣阻力做的正功大于空氣阻力做的負功。因此與對稱剛度柔性平板 翅翼相比，這種非對稱剛度柔性平板翅翼可以為飛行機器人提供相對更大的上升力，提高 每個拍動周期中的等效升力，從而有效減小機器人飛行時的能耗速度，提高撲翼飛行機器 人的飛行效率以及帶載飛行能力。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)平面圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)截面圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)上拍動變形示意 圖。
[0017] 圖4為本發(fā)明撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)下拍動變形示意 圖。
[0018] 圖5為本發(fā)明上拍動變形有限元仿真分析示意圖。
[0019] 圖6為本發(fā)明下拍動變形有限元仿真分析示意圖。
[0020] 圖7為本發(fā)明撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼照片。
[0021] 圖8為本發(fā)明撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼照片。
[0022] 圖9為本發(fā)明非對稱剛度柔性平板翅翼機器人飛行照片。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：如圖1所示，該撲翼飛行機器人的非對稱 剛度柔性平板翅翼機構(gòu)由柔性碳纖維桿主骨架、懸臂柔性輔助骨架、風箏布翼膜組成。該 柔性翅翼為懸臂板式柔性平板，懸臂梁設(shè)計中最主要的因素就是因為受力而引起的彎曲變 形。柔性平板翅翼在上拍和下拍過程中，受到相對運動氣流作用下，翼的彎曲變形主要是由 于翼梁的彎曲變形所致。
[0024] 圖2為非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)截面圖。由碳纖維桿組成的翅翼上的主骨架 相對位置固定，主骨架上方為風箏布翼膜，柔性碳纖維主骨架與輕質(zhì)風箏布翼膜由快速凝 固劑粘接和風箏布修補帶粘接固定，構(gòu)成柔性平板翅翼。該柔性平板翅翼在正反方向拍動 時，碳纖維主骨架與風箏布翼膜始終緊密固定，因此在不采用與翼膜平行接觸的輔助骨架 條件下，其剛度是相同的。
[0025] 輔助骨架位于翼膜上方，與翼膜平行接觸。輔助骨架的一端與主骨架在機翼前緣 通過細鐵絲捆綁的方式進行連接，輔助骨架的另一端自由懸空。
[0026] 圖3為非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)上拍動變形示意圖。在機器人拍動翅膀的每 個周期中，由于相對運動氣流的作用，上拍行程中輔助骨架與主骨架部分分離，平板機翼整 體表現(xiàn)出相對較小的彎曲剛度，機翼受到相對較小的的空氣阻力。柔性平板翅翼切線方向 與水平面的夾角也就是圖中標示的其翼稍變形角為蜱。
[0027] 圖4為非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)上拍動變形示意圖。在翅膀下拍行程中，同 樣由于相對運動氣流的作用，輔助骨架與主骨架貼合，平板機翼體表現(xiàn)出相對較大的彎曲 剛度，翅翼受到相對較大的空氣阻力。柔性平板翅翼切線方向與水平面的夾角也就是圖中 標示的其翼稍變形角為#。
[0028] 對比圖3和圖4翼稍變形角，翼稍變形角每 >翼稍變形角為咚，也就是該非對稱剛 度柔性平板翅翼上拍時翅膀變形比下拍時翅膀變形大，空氣阻力較小。
[0029] 圖5和圖6分別為上拍動變形有限元仿真分析示意圖和下拍動變形有限元仿真分 析示意圖。該翅翼的建模是按照撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)原型構(gòu)建 的，圖中的變量值U3為翅翼在相對運動氣流作用下，Z軸方向的位移變化量。對比圖5和 圖6中U3值，可以看出上拍時位移值比下拍時位移值大，即在相等相對運動氣流作用下，該 非對稱剛度柔性平板翅翼上拍時翅膀變形比下拍時翅膀變形大。因此上拍時平板翅翼整體 表現(xiàn)出的彎曲剛度比下拍時平板翅翼整體表現(xiàn)出的彎曲剛度小，受到的空氣阻力也相對較 小。
[0030] 根據(jù)圖5和圖6的上下拍動變形有限元仿真分析示意圖，得出的結(jié)論與圖3和圖 4的分析一致，該非對稱剛度柔性平板翅翼在上拍和下拍受到的空氣阻力不同，撲翼機器人 拍動翅膀的周期運動中，空氣阻力做的正功大于空氣阻力做的負功。因此與對稱剛度柔性 平板翅翼相比，這種非對稱剛度柔性平板翅翼可以為飛行機器人提供相對更大的上升力， 提高每個拍動周期中的等效升力，從而有效減小機器人飛行時的能耗速度，提高撲翼飛行 機器人的飛行效率以及帶載飛行能力。
【主權(quán)項】
1. 一種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)，主要包括：柔性碳纖維桿主 骨架、懸臂柔性輔助骨架、風箏布翼膜。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)，其特征 在于：對于總體質(zhì)量大約為100克~400克的撲翼飛行機器人，其機翼為懸臂板式柔性平板， 采用碳纖維方管為梁，碳纖維棒為肋，采用細-鐵絲捆綁連接方式制作桁架式機翼骨架，然 后貼輕質(zhì)風箏布作為翅翼翼膜，由快速凝固膠粘接和風箏布修補膠帶粘結(jié)固定。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)，其特征 在于：除機翼具有相對位置固定的主骨架外，在主骨架的上方還有輔助骨架，主骨架和輔 助骨架均采用碳纖維管材或棒材進行制作。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)，其特征 在于：輔助骨架的一端與主骨架在機翼前緣通過細鐵絲捆綁的方式進行連接，輔助骨架的 另一端自由懸空。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種撲翼飛行機器人的柔性平板翅翼機構(gòu)。本發(fā)明提供一種撲翼飛行機器人的非對稱剛度柔性平板翅翼機構(gòu)設(shè)計制作方案，輔助骨架采用碳纖維管材或棒材進行制作，位于翼膜上方，與翼膜平行接觸，輔助骨架的一端與主骨架在翅翼前緣通過細鐵絲捆綁的方式進行牢固連接，另一端自由懸空。在機器人拍動翅膀的每個周期中，翼膜正、反方向拍動受到空氣阻力的作用，翅翼正反方向的彎曲剛度不同，形成非對稱剛度柔性平板翅翼。與對稱剛度柔性平板翅翼相比，非對稱剛度柔性平板機翼可以提高每個拍動周期中的等效升力，從而有效減小機器人飛行時的能耗速率，提高機器人的飛行效率以及帶載飛行能力。
【IPC分類】B64C33/02
【公開號】CN105059543
【申請?zhí)枴緾N201510506765
【發(fā)明人】何廣平, 孫衛(wèi), 王建領(lǐng), 狄杰建, 孫愷, 袁俊杰
【申請人】北方工業(yè)大學, 何廣平
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年8月18日