[發(fā)明專利]一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機構(gòu)及其設(shè)計方法

在審

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• 申請日: 2022-11-16
• 公開（公告）號: CN115892465A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: B64C33/02
• 分類號: B64C33/02;B64C33/00
• 代理公司: 河北中科律政知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 13182
• 代理人: 嚴加亮

本發(fā)明公開了一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機構(gòu)及其設(shè)計方法，屬于撲翼飛行器技術(shù)領(lǐng)域。分布柔度式撲翼驅(qū)動機構(gòu)，包括撲翼驅(qū)動機構(gòu)安裝架及設(shè)置在撲翼驅(qū)動機構(gòu)安裝架上的壓電雙晶片驅(qū)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，分布柔度式傳動鏈具有兩個撲動臂和一個撲動傳動部；壓電雙晶片驅(qū)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(qū)動器簡化為等效單自由度二階直線振動系統(tǒng)；b.分布柔度式傳動鏈簡化為等效“多剛體—扭簧”系統(tǒng)；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(yōu)化問題的目標函數(shù)；g.優(yōu)化設(shè)計。它具有工作壽命長，飛行效率高等特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及撲翼飛行器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

撲翼驅(qū)動機構(gòu)是仿生撲翼飛行器的動力系統(tǒng)，其構(gòu)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(tǒng)撲翼驅(qū)動機構(gòu)均采用剛性連桿與摩擦式運動副相結(jié)合的構(gòu)型方案，在大尺度與厘米級的撲翼飛行器中得到了廣泛應(yīng)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(qū)動機構(gòu)將出現(xiàn)構(gòu)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(xù)探索其他新型的機構(gòu)構(gòu)型方案。

哈佛大學的Wood團隊研發(fā)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(qū)動機構(gòu)，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(qū)動機構(gòu)在高頻運動過程中，其柔性鉸鏈位置會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)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(shè)計了一種空間四連桿機構(gòu)，從而減少了傳動鏈中構(gòu)件與運動副的數(shù)目，起到了減重效果，同時也可借助柔性構(gòu)件的共振特性節(jié)省原動機的能耗，但是該機構(gòu)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(qū)動機構(gòu)能夠滿足預(yù)期的性能要求，研究者們還需要探索合理的優(yōu)化設(shè)計方法。針對傳統(tǒng)“剛性連桿—摩擦運動副”式的和集中柔度式的撲翼驅(qū)動機構(gòu)，研究者們常將原動機、傳動鏈與撲動翼進行獨立建模與優(yōu)化，無法評估各組件之間的動力耦合效應(yīng)對驅(qū)動機構(gòu)整機性能的影響。因此研究者們繼續(xù)探索了大量適用于多組件耦合分析的建模與設(shè)計方法。上海交通大學曾利用有限元方法為壓電雙晶片驅(qū)動的集中柔度式滑塊搖桿撲翼機構(gòu)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(fù)雜系統(tǒng)的分析。日本豐田中央研發(fā)實驗室的Takashi等針對一款可被動前后折疊的壓電直驅(qū)式仿昆蟲撲翼驅(qū)動機構(gòu)建立了“壓電單晶片—折疊彈簧—撲動翼”多系統(tǒng)耦合振動模型，該模型在同時考慮各組件質(zhì)量效應(yīng)、彈性效應(yīng)和阻尼效應(yīng)的條件下，可快速計算出驅(qū)動機構(gòu)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(yù)測機構(gòu)的運動參數(shù)隨激勵電壓的變化規(guī)律。此外目前研究者們針對撲翼驅(qū)動機構(gòu)性能的優(yōu)化僅側(cè)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(gòu)的整機重量、整機體積、能量轉(zhuǎn)化效率等其他重要性能指標，致使所設(shè)計的大部分撲翼驅(qū)動機構(gòu)難以實現(xiàn)裝機飛行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機構(gòu)及其設(shè)計方法，它具有工作壽命長，飛行效率高等特點。并提出相應(yīng)的整機綜合性能優(yōu)化設(shè)計方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機構(gòu)，包括撲翼驅(qū)動機構(gòu)安裝架及設(shè)置在撲翼驅(qū)動機構(gòu)安裝架上的壓電雙晶片驅(qū)動器和分布柔度式傳動鏈；