仿蝙蝠機器翅設(shè)計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，蝙蝠是唯一可實現(xiàn)飛行的哺乳動物。盡管目前在撲翼飛行機理及仿生飛行器研究方面已取得階段性進展，但對蝙蝠撲翼飛行機理的認(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)尺寸及運動規(guī)律，開展蝙蝠翅膀及仿蝙蝠機器翅方面理論、仿真計算及實驗研究，對翅膀運動中的受力及功耗等關(guān)鍵問題進行分析，有助于加深對蝙蝠飛行機理的認(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)，研制了一種可實現(xiàn)拍動、揮動、伸縮及扭轉(zhuǎn)運動的仿蝙蝠機器翅，并建立了仿蝙蝠機器翅及蝙蝠翅膀計算模型，通過觀察測量、實驗、理論推導(dǎo)、仿真計算等研究了參數(shù)及運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)及實時運動規(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-指骨角的計算公式。搭建了蝙蝠飛行信息采集實驗平臺，基于高速相機采集的蝙蝠翅膀關(guān)鍵位置標(biāo)記點信息，經(jīng)標(biāo)記點追蹤軟件分析及計算后獲取了翅膀的三維運動數(shù)據(jù)?；隍鸪岚蜻\動數(shù)據(jù)，計算后得到了翅膀運動中七個關(guān)鍵角度的實時變化規(guī)律。根據(jù)蝙蝠實時飛行中，肱骨、橈骨、指骨3、指骨4及指骨5的實時尺寸及各關(guān)節(jié)間實時角度測量結(jié)果，統(tǒng)計了翅膀運動中尺寸、角度所能達到極限值及平均值等。上述測量及計算結(jié)果為仿蝙蝠機器翅的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持。
　　

4、(2)可實現(xiàn)拍動、揮動、伸縮及扭轉(zhuǎn)運動的四自由度仿蝙蝠機器翅設(shè)計。根據(jù)蝙蝠翅膀尺寸、結(jié)構(gòu)及運動數(shù)據(jù)，研制了一種四自由度仿蝙蝠機器翅。在機器翅骨架及翅膜制作方面，采用3D打印技術(shù)制作機器翅骨架，采用加成型硅膠制作翅膜。通過機器翅風(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)性能的影響實驗，驗證了所制作的機器翅骨架及翅膜均滿足設(shè)計及使用要求。在機器翅控制方面，使用電機、控制器、GailTools軟件等實現(xiàn)對機器翅運動的控制

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

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)變化以及不同運動對升力、阻力及功耗的影響。實驗主要結(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，機器翅升力、阻力及功耗會相對增加;當(dāng)傾斜角度增加時，機器翅阻力減小，升力及功耗變化趨勢呈倒U型結(jié)構(gòu)。②拍動運動提供最大的升力及阻力，且所需功耗最大，其它三個運動對力及功耗的影響程度不如拍動運動顯著;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器翅中最重要的兩個運動。
　　(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。基于設(shè)計的仿蝙蝠機器，建立了4DOF計算模型;通過將蝙蝠翅膀分割成不同小塊，并計算每部分的質(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行了分析;在計算結(jié)果與實驗結(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)、實驗及計算結(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。綜合考慮實際

9、蝙蝠的結(jié)構(gòu)尺寸、運動及翅膜的影響，建立了七自由度的蝙蝠翅膀慣性功耗及慣性力計算模型。對7DOF模型、4DOF模型及仿蝙蝠機器翅的運動軌跡進行了分析，并與真實蝙蝠的運動軌跡進行了比較，驗證了機器翅及計算模型運動規(guī)律的準(zhǔn)確性。對正弦運動及仿生運動下慣性功耗及慣性力在不同方向上的變化情況進行了分析，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