CN105059543B - 一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扑翼飞行机器人的柔性平板翅翼机构。本发明提供一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构设计制作方案，辅助骨架采用碳纤维管材或棒材进行制作，位于翼膜上方，与翼膜平行接触，辅助骨架的一端与主骨架在翅翼前缘通过细铁丝捆绑的方式进行牢固连接，另一端自由悬空。在机器人拍动翅膀的每个周期中，翼膜正、反方向拍动受到空气阻力的作用，翅翼正反方向的弯曲刚度不同，形成非对称刚度柔性平板翅翼。与对称刚度柔性平板翅翼相比，非对称刚度柔性平板机翼可以提高每个拍动周期中的等效升力，从而有效减小机器人飞行时的能耗速率，提高机器人的飞行效率以及带载飞行能力。

Description

一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构

技术领域

本发明涉及一种扑翼飞行机器人的柔性平板翅翼机构，特别涉及一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构。

背景技术

小型鸟类高速拍动翅膀时，其翅膀的运动轨迹是由拍动和扭转运动复合而成的。翅膀在上拍和下拍时，都会受到空气阻力。下拍时空气阻力做正功，上拍时空气阻力做负功。为了提高飞行能量效率，鸟类在机动飞行时，自然地在翅膀下拍时使迎风面积变大，上拍时迎风面积变小，从而提高飞行效率。

以往的小型扑翼飞行机器人的翅翼机构，虽然多采用柔性薄膜翅形，通过碳纤维杆作为翅膀骨架，但是翅膀在正反方向拍动时，其刚度是相同的，产生升力只能通过调整机器人空中的迎角和加快拍动频率提高飞行速度实现，使得扑翼飞行机器人的飞行能效性很低，多数小型扑翼飞行机器人只能连续飞行十分钟左右。

提高飞行效率是设计扑翼飞行机器人的关键技术指标之一。本发明提出一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构为有效减小机器人飞行时的能耗速率，为提高机器人的飞行效率提供了一种新的机构设计方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构设计制作方案，在机器人拍动翅膀的每个周期中，翼膜正、反方向拍动受到空气阻力的作用，翅翼正反方向的弯曲刚度不同，形成非对称刚度柔性平板翅翼。与对称刚度柔性平板翅翼相比，非对称刚度柔性平板翅翼可以提高每个拍动周期中的等效升力，从而有效减小机器人飞行时的能耗速率，提高机器人的飞行效率以及带载飞行能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构主要由柔性碳纤维杆主骨架、悬臂柔性辅助骨架、风筝布翼膜组成。

一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构设计方案如下：该扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翼机构的柔性机翼为悬臂板式柔性平板，悬臂梁设计中最主要的因素就是因为受力而引起的弯曲变形。柔性平板翼在上拍和下拍过程中，在相对运动气流作用下，翼的弯曲变形主要是由于翼梁的弯曲变形所致。

该柔性机翼的翼梁和翼肋采用不同的碳纤维杆，翼梁采用内径1mm，外边长3mm碳纤维方管，翼肋采用1mm碳纤维棒，翼梁相对于翼肋有较大的刚度，所以翼肋在相对运动气流作用下抵抗弹性变形的能力较低，因此该柔性机翼的扭转变形是翼梁的的扭转和翼肋的弯曲共同作用的结果。

翼梁和翼肋采用细铁丝捆绑连接，由碳纤维杆组成的机翼上的主骨架相对位置固定并制作成桁架式机翼骨架。桁架能够充分利用材料的强度，节约材料，减轻机翼结构质量和增大刚度。桁架式主骨架上方贴轻质风筝布作为翅翼翼膜，风筝布翼膜下方与主骨架上方采用快速凝固胶粘接，主骨架下方贴风筝布修补带与风筝布翼膜粘结固定，保证风筝布翼膜与主骨架的稳定接触，构成柔性平板翅翼。在机器人拍动翅膀的每个周期中，碳纤维主骨架与风筝布翼膜始终紧密固定，在不采用与翼膜平行接触的辅助骨架条件下，上拍行程和下拍行程其刚度是相同的。

辅助骨架采用碳纤维管材或棒材进行制作，位于翼膜上方，与翼膜平行接触，辅助骨架的一端与主骨架在机翼前缘通过细铁丝捆绑的方式进行牢固连接，辅助骨架的另一端自由悬空。

在机器人拍动翅膀的每个周期中，柔性平板翅翼上拍行程中，由于相对运动气流的作用，辅助骨架只有一端与主骨架进行固定连接，而另一端自由悬空，因此辅助骨架与主骨架部分分离，辅助骨架对柔性翅翼的影响相对较小，柔性平板翅翼整体也表现出相对较小的弯曲刚度，翅翼受到相对较小的的空气阻力。

在翅膀下拍行程中，同样由于相对运动气流的作用，辅助骨架与主骨架贴合，柔性平板翅翼整体表现出相对较大的弯曲刚度，机翼受到相对较大的空气阻力。

该非对称刚度柔性平板翅翼在上拍和下拍受到的空气阻力不同，扑翼机器人拍动翅膀的周期运动中，空气阻力做的正功大于空气阻力做的负功。因此与对称刚度柔性平板翅翼相比，这种非对称刚度柔性平板翅翼可以为飞行机器人提供相对更大的上升力，提高每个拍动周期中的等效升力，从而有效减小机器人飞行时的能耗速度，提高扑翼飞行机器人的飞行效率以及带载飞行能力。

附图说明

图1为本发明扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构平面图。

图2为本发明扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构截面图。

图3为本发明扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构上拍动变形示意图。

图4为本发明扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构下拍动变形示意图。

图5为本发明上拍动变形有限元仿真分析示意图。

图6为本发明下拍动变形有限元仿真分析示意图。

图7为本发明扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼照片。

图8为本发明扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼照片。

图9为本发明非对称刚度柔性平板翅翼机器人飞行照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1所示，该扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构由柔性碳纤维杆主骨架、悬臂柔性辅助骨架、风筝布翼膜组成。该柔性翅翼为悬臂板式柔性平板，悬臂梁设计中最主要的因素就是因为受力而引起的弯曲变形。柔性平板翅翼在上拍和下拍过程中，受到相对运动气流作用下，翼的弯曲变形主要是由于翼梁的弯曲变形所致。

图2为非对称刚度柔性平板翅翼机构截面图。由碳纤维杆组成的翅翼上的主骨架相对位置固定，主骨架上方为风筝布翼膜，柔性碳纤维主骨架与轻质风筝布翼膜由快速凝固剂粘接和风筝布修补带粘接固定，构成柔性平板翅翼。该柔性平板翅翼在正反方向拍动时，碳纤维主骨架与风筝布翼膜始终紧密固定，因此在不采用与翼膜平行接触的辅助骨架条件下，其刚度是相同的。

辅助骨架位于翼膜上方，与翼膜平行接触。辅助骨架的一端与主骨架在机翼前缘通过细铁丝捆绑的方式进行连接，辅助骨架的另一端自由悬空。

图3为非对称刚度柔性平板翅翼机构上拍动变形示意图。在机器人拍动翅膀的每个周期中，由于相对运动气流的作用，上拍行程中辅助骨架与主骨架部分分离，平板机翼整体表现出相对较小的弯曲刚度，机翼受到相对较小的的空气阻力。柔性平板翅翼切线方向与水平面的夹角也就是图中标示的其翼稍变形角为

。

图4为非对称刚度柔性平板翅翼机构上拍动变形示意图。在翅膀下拍行程中，同样由于相对运动气流的作用，辅助骨架与主骨架贴合，平板机翼体表现出相对较大的弯曲刚度，翅翼受到相对较大的空气阻力。柔性平板翅翼切线方向与水平面的夹角也就是图中标示的其翼稍变形角为

。

对比图3和图4翼稍变形角，翼稍变形角

＞翼稍变形角为

，也就是该非对称刚度柔性平板翅翼上拍时翅膀变形比下拍时翅膀变形大，空气阻力较小。

图5和图6分别为上拍动变形有限元仿真分析示意图和下拍动变形有限元仿真分析示意图。该翅翼的建模是按照扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构原型构建的，图中的变量值U3为翅翼在相对运动气流作用下，Z轴方向的位移变化量。对比图5和图6中U3值，可以看出上拍时位移值比下拍时位移值大，即在相等相对运动气流作用下，该非对称刚度柔性平板翅翼上拍时翅膀变形比下拍时翅膀变形大。因此上拍时平板翅翼整体表现出的弯曲刚度比下拍时平板翅翼整体表现出的弯曲刚度小，受到的空气阻力也相对较小。

根据图5和图6的上下拍动变形有限元仿真分析示意图，得出的结论与图3和图4的分析一致，该非对称刚度柔性平板翅翼在上拍和下拍受到的空气阻力不同，扑翼机器人拍动翅膀的周期运动中，空气阻力做的正功大于空气阻力做的负功。因此与对称刚度柔性平板翅翼相比，这种非对称刚度柔性平板翅翼可以为飞行机器人提供相对更大的上升力，提高每个拍动周期中的等效升力，从而有效减小机器人飞行时的能耗速度，提高扑翼飞行机器人的飞行效率以及带载飞行能力。

Claims (4)

1.一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构，其特征在于：包括：柔性碳纤维杆主骨架、悬臂柔性辅助骨架、风筝布翼膜；辅助骨架位于翼膜上方，辅助骨架的一端与主骨架在机翼前缘进行连接，辅助骨架的另一端自由悬空；在机器人拍动翅膀的每个周期中，由于相对运动气流的作用，上拍行程中辅助骨架与主骨架部分分离；在翅膀下拍行程中，同样由于相对运动气流的作用，辅助骨架与主骨架贴合。

2.根据权利要求1所述一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构，其特征在于：对于总体质量为100克～400克的扑翼飞行机器人，其机翼为悬臂板式柔性平板，采用碳纤维方管为梁，碳纤维棒为肋，采用细-铁丝捆绑连接方式制作桁架式机翼骨架，然后贴轻质风筝布作为翅翼翼膜，由快速凝固胶粘接和风筝布修补胶带粘结固定。

3.根据权利要求1所述一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构，其特征在于：除机翼具有相对位置固定的主骨架外，在主骨架的上方还有辅助骨架,主骨架和辅助骨架均采用碳纤维管材或棒材进行制作。

4.根据权利要求1所述一种扑翼飞行机器人的非对称刚度柔性平板翅翼机构，其特征在于：辅助骨架的一端与主骨架在机翼前缘通过细铁丝捆绑的方式进行连接，辅助骨架的另一端自由悬空。

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