[發明專利]一種分布柔度式撲翼飛行器及撲翼驅動機構的設計方法

在審

• 申請號: 202211432775.7
• 申請日: 2022-11-16
• 公開（公告）號: CN115649437A
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 張弘志;孫中超;宣建林;宋筆鋒;楊曉君;汪亮;稂鑫雨;張明昊
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B64C33/02
• 分類號: B64C33/02
• 代理公司: 河北中科律政知識產權代理事務所(普通合伙) 13182
• 代理人: 嚴加亮

本發明公開了一種分布柔度式撲翼飛行器及撲翼驅動機構的設計方法，屬于撲翼飛行器技術領域。一種分布柔度式撲翼飛行器，分布柔度式撲翼驅動機構包括撲翼驅動機構安裝架及設置在撲翼驅動機構安裝架上的壓電雙晶片驅動器和分布柔度式傳動鏈；分布柔度式傳動鏈包括一對豎向彈片和一個橫向彈片，壓電雙晶片驅動器的固定端固定在分布柔度式傳動鏈的后端；方法包括a.將壓電雙晶片驅動器簡化為等效單自由度二階直線振動系統；b.分布柔度式傳動鏈簡化為等效“多剛體—扭簧”系統；c.求取撲動翼氣動阻力與力矩；d.進行模型組裝；e.建立受迫振動方程組；f.取優化問題的目標函數；g.優化設計。它具有工作壽命長，飛行效率高等特點。

技術領域

本發明涉及撲翼飛行器技術領域。

背景技術

撲翼驅動機構是仿生撲翼飛行器的動力系統，其構型方案與動力學性能對撲翼飛行器的飛行能力具有重要影響。傳統撲翼驅動機構均采用剛性連桿與摩擦式運動副相結合的構型方案，在大尺度與厘米級的撲翼飛行器中得到了廣泛應用。但是當撲翼飛行器的尺寸縮小至毫米量級時，這類“剛性連桿—摩擦運動副”式撲翼驅動機構將出現構件強度下降、運動副磨損劇烈、運動頻率難以提升等多種問題。因此人們不得不繼續探索其他新型的機構構型方案。

哈佛大學的Wood團隊研發了一種由聚酰亞胺薄膜柔性鉸鏈一體連接而成的碳纖維剛性薄板式滑塊—搖桿撲翼驅動機構，用于裝備硬幣大小的“Robobee”和“HMF”系列微型壓電撲翼飛行器，其運動頻率可達到100Hz以上。但是這類集中柔度式撲翼驅動機構在高頻運動過程中，其柔性鉸鏈位置會出現明顯的應力集中現象，從而大幅度縮短了其使用壽命。武漢科技大學利用柔性支撐桿設計了一種空間四連桿機構，從而減少了傳動鏈中構件與運動副的數目，起到了減重效果，同時也可借助柔性構件的共振特性節省原動機的能耗，但是該機構仍然無法避免摩擦式運動副的使用，因而也不適合做高頻運動。

為使撲翼驅動機構能夠滿足預期的性能要求，研究者們還需要探索合理的優化設計方法。針對傳統“剛性連桿—摩擦運動副”式的和集中柔度式的撲翼驅動機構，研究者們常將原動機、傳動鏈與撲動翼進行獨立建模與優化，無法評估各組件之間的動力耦合效應對驅動機構整機性能的影響。因此研究者們繼續探索了大量適用于多組件耦合分析的建模與設計方法。上海交通大學曾利用有限元方法為壓電雙晶片驅動的集中柔度式滑塊搖桿撲翼機構建立了壓電—多體耦合動力學模型，以精確求解撲動翼在壓電雙晶片的電場作用下所達到的撲動角度，但是該方法存在計算成本較高的缺點，不適合用于更復雜系統的分析。日本豐田中央研發實驗室的Takashi等針對一款可被動前后折疊的壓電直驅式仿昆蟲撲翼驅動機構建立了“壓電單晶片—折疊彈簧—撲動翼”多系統耦合振動模型，該模型在同時考慮各組件質量效應、彈性效應和阻尼效應的條件下，可快速計算出驅動機構的共振頻率與撲動翼的最大運動幅度，但該模型仍并不能準確預測機構的運動參數隨激勵電壓的變化規律。此外目前研究者們針對撲翼驅動機構性能的優化僅側重于撲動翼運動頻率與運動幅度的提高，并沒有綜合考慮機構的整機重量、整機體積、能量轉化效率等其他重要性能指標，致使所設計的大部分撲翼驅動機構難以實現裝機飛行。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種分布柔度式撲翼飛行器及撲翼驅動機構的設計方法，它具有工作壽命長，飛行效率高等特點。并提出相應的整機綜合性能優化設計方法。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：

一種分布柔度式撲翼飛行器，包括機身，飛行控制系統，撲翼驅動機構和一對撲動翼，撲翼驅動機構為分布柔度式撲翼驅動機構，其包括撲翼驅動機構安裝架及設置在撲翼驅動機構安裝架上的壓電雙晶片驅動器和分布柔度式傳動鏈；