以Delaware大学研制的"Sparrow"MAV(Micro Air Vehicle)扑翼机构为基础进行分析,由于扑翼机构在进行运转的过程中,翅翼等机构本身存在的惯性作用,以及气动力随时间的周期性波动,容易导致电机的运转速度会产生一定的波动,而电机速度波动的大小将直接影响机构各运动副处的振动冲击力,从而影响机构的使用寿命。文中对扑翼驱动机构进行了理论和仿真分析,发现在系统中适当的增加柔性装置可以一定程度地减小运转过程中电机转速的波动大小,同时对增加柔性装置前后,各运动副处的振动冲击力进行了对比仿真分析,发现增加柔性装置后,各运动副处的振动冲击力得到了一定程度地减小。冲击力的减小也可以对飞行过程中的振动与噪声有一定的改善作用。从而使得扑翼飞行器更加适应实际应用环境的需要。

设计了一款机翼对称拍打的X翼扑翼机构。采用曲柄滑块机构,将曲柄的圆周运动转化为直轴的直线往复运动,直轴再通过摇杆带动两侧机翼,从而实现机翼的对称拍打。制作了一台扑翼机构的样机,运用光学运动捕捉系统和风洞对该扑翼机构进行了运动测试,从扑翼机构的拍打角度幅值、拍打频率、产生的升力以及电机的运行状况方面分析了该扑翼机构的可靠性。通过对比试验,确定了一组合适的拍打角度幅值和翼面面积,使得该扑翼机构能够产生12.9 g的升力,验证说明clap-fling机制能够有效提高该扑翼机构的升力。

为了模仿鸟类扑翼运动,提高扑翼机构两侧运动支链的运动对称性,进而为增强扑翼飞行器扑翼飞行的稳定性设计了一种空间斜曲柄摇杆扑翼机结构。本文通过构件几何关系建立了空间曲柄摇杆机构的运动学模型,在多体运动软件ADMAS中建立了扑翼机构仿真分析模型,对运动学模型分析进行了验证。应用udf方法对模型进行动力学分析,分析了扑翼在一个周期内的气动力特性以及速度。结论表明,设计的扑翼机的扑翼极限角度为30°,扑翼机构最大尺寸为88mm,达到扑翼机的微型、对称的要求。应用udf方法,动力学仿真在扑翼频率为4Hz,来流速度7m/s条件下进行。结合气动力以及运动学证明了空间斜曲柄摇杆设计提高运动的对称性,并有利于飞行的稳定性,进而提高了扑翼机整体的气动布局。

为了提高扑翼飞行器的飞行性能,借鉴大型鸟类的飞行运动特征,设计了一种以凸轮摇杆为扑动机构的新型扑翼飞行器,建立了扑动机构的运动学和气动力学模型。结果表明通过大型鸟类翅翼扑动规律对凸轮机构进行优化设计,得到了扑翼下扑占据整个扑动行程的60%左右;而提出的凸轮摇杆扑动机构的运动学模型,能够求解扑翼飞行器的相关运动参数。基于条带理论和扑翼飞行器的气动力模型,分别对凸轮摇杆扑翼飞行器、传统的双曲柄双摇杆机构扑翼飞行器的气动力进行计算比较,前者的平均升力为后者的1.382倍,前者平均推力为后者1.224倍,凸轮摇杆扑翼飞行结构具有更好的气动特性。

针对目前扑翼驱动机构无法以简单结构实现复杂仿生运动问题,由空间四杆机构出发,引入柔性杆件设计思路,设计了一种柔性空间扑翼驱动机构。在单驱动条件下,实现了翅翼的扑动-扭转-挥摆耦合运动。建立了机构的运动学和气动力计算模型,求解了机构在运动过程中扑动角、扭转角、挥摆角以及翅翼所受的气动力变化。根据机构特性,在Adams中建立了考虑动力学特性与机构强度的刚柔耦合模型,分析了机构的运动轨迹、运动特性及柔性杆件的应力变化情况。结果表明,该驱动机构具有运动对称性与稳定性,翅翼实现了扑动-扭转-挥摆的耦合仿生运动,同时又满足了柔性机构的强度设计要求。

为研究扑翼飞行器运动机构扑动原理和翅翼周围流场变化规律,设计鸽形扑翼飞行器扑翼机构并分析翅翼周围流场。运用四杆机构图解法计算出符合扑翼运动要求的曲柄摇杆机构参数,并对相关参数进行优化。基于计算流体力学对扑翼飞行的流场进行数值模拟计算;利用Fluent软件分析得到翅翼周围流场速度云图、湍动能云图以及升力、推力特性曲线。结果表明:鸽形扑翼飞行会引起翅翼流场流动速度发生变化,进而导致空气流动状态由层流变为湍流,湍流动能为

根据鸟类的飞行特性,设计了一种两自由度仿生扑翼飞行机器人。扑翼飞行机器人采用单电机驱动,能够实现扑动、扭转两自由度耦合运动,结构紧凑、运动高效,且机翼的运动形式接近鸟类。首先根据总体设计目标提出扑动-扭转耦合机构的运动特性要求,基于Adams建立了扑动-扭转耦合扑翼机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑动和扭转运动的变化规律,并得到了翼尖轨迹曲线。扑动-扭转耦合机构的参数与设计结果达到了扑翼机构的运动要求,为仿生扑翼飞行机器人的设计和研究奠定了基础。