仿生机器鸟的结构设计与分析开题报告

1.1.1论文研究的意义

仿生鸟机器人是根据鸟类仿生原理研制的一种仿生飞行器, 相对于固定翼和旋翼飞行器有无可比拟的优势。

近年来,仿生飞行器飞速发展,由于其在未来军事发展方面具有巨大的优势和价值,所以备受世界各国的极大关注,成为当今世界研究的重要课题。对于我国而言,仿生飞行器的也具有极其重要的战略意义。

1992年美国国防预研计划局在一个关于未来军事技术的研讨会上提出了微型飞行器的概念,1997年,美国国防预研计划局的麦克米切尔提出微型扑翼飞行器的概念。这种类似昆虫和鸟类的飞行器翼面像翅膀一样上下扑动，从而产生平衡重力升力和前进的推力。与微型固定翼和旋翼飞行器相比有其独特的优势, 利用翼面拍动的扑翼系统可以将升力、悬停和推力等功能集中在扑翼系统上。

根据现有的研究表明, 扑翼飞行器一方面有相等同于鸟类和昆虫的大小尺寸, 隐蔽性和机动性非常好, 同时相较于传统的固定翼飞行和旋翼飞行有无可替代的优势, 在同等机载重量下, 它用更少的能量进行相同工况下的长时间、长距离飞行, 另外还可以实现急转弯加速、空中悬停等动作, 具有非常好的机动性和灵活性。不论在军用还是民用领域都具有十分重要、极其广泛的用途。

本文正是基于对仿生鸟飞行器的飞行特点和飞行动作对仿生鸟机器人的各个功能模块进行研究设计。

1.2仿生鸟机器人国内外研究现状

2006-2011年间，美国的Aerovironment公司成功研发的一款重19克、翼展16.5厘米、扑翼频率30Hz的仿生扑翼飞行器,这款飞行器通过遥控操作,能实现悬停、前进飞行以及空翻。

2019年德国科技公司Festo研发的SmartBird是一款既能够模拟鸟类飞行也能够极逼真地扑动翅膀的机器鸟。这款机器鸟SmartBird，是一项富有革命性的设计，能够自动起飞、飞行和降落，还可通过无线电对讲机进行控制，如果切换到自动模式，SmartBird也可自行在空中翱翔。SmartBird的重量只有450克，能够朝两侧移动尾巴和转动头部。这款机器鸟由科技公司Festo的科学家研制，设计灵感来源于海鸥，其身体内部装有两个旋转轮，用于控制翅膀的上下拍打。这两个旋转轮与蒸汽机车牵引的火车车轮类似，与牵引杆相连，通过转动为SmartBird拍打翅膀提供动力。

SmartBird的翅膀角度可以通过扭力马达调节。上行冲程时，马达让翅膀朝上，提高SmartBird的飞行高度，下行冲程时，马达则让翅膀朝下。

中国对微型仿生扑翼飞机的研究起步较晚,但中国科学家也在密切关注它。西北工业大学开发了一种由聚合物锂电池和微电机驱动的微型仿生扑翼飞 行器。采用碳纤维机架，柔性机翼，全机重量15g，翼展达到200ｍｍ，扑翼频率为15-20Hz，自由飞行时间为15-21s。南京航空航天大学发明的仿生扑翼飞行器，采用两段式扑翼，比单自由度扑翼机在外形和飞行机理上更加 接近大型鸟类的飞行，结构简单，效率高，重量轻，承载能力更强。

1.3研究目的

在仿生机器鸟的研究中，本文将根据仿生机器鸟的飞行动作和飞行特点设计合理的机械结构，动力系统和控制系统等功能模块。

2.1机械结构设计

了解鸟类飞行过程中翅膀的运动轨迹，设计可以实现模拟运动的机械结构。并且尽量保证机械结构在运动过程中的精确度。

方案一：传动系统采用双曲柄摇杆机构。小齿轮驱动两边的齿轮同时运动, 两侧的齿轮均相当于一个曲柄, 再驱动两侧连杆, 连杆机构带动摇杆实现翼面的扑翼运动。

方案二：在双曲柄双摇杆机构的基础上，增加连杆，采用两段式扑翼，使仿生机器鸟的翅膀在外形和飞行的机理上更加接近大型鸟类的飞行，并且结构简单，效率高，重量轻，承载能力高。

本设计选择方案二的机械传动结构。

2.2驱动系统和控制系统

目前，正在研发的小型动力装置有很多种，在满足小而轻的同时，我们还必须保证有很高的效率，这样才能使飞行器具有更好的续航能力。因此驱动系统采用电动舵机进行驱动，电源可以使用锂电池、镉镍电池等各种可以反复充放电的电池。

控制系统采用单片机进行控制。将编写好的程序写入单片机中，控制舵机的转速和旋转方向，进而控制仿生机器鸟翅膀的飞行动作和扑动频率。另外，还可以搭载一些摄影、无线通信或者遥控等模块，但是这些模块也将限制飞行器的续航能力。

[1]王超等.多自由度仿生扑翼飞行机器人结构设计与分析.南京:河海大学机电工程学院,2019.

[2]郝永平等.仿生扑翼“0”形轨迹机构的设计及气动力特性.辽宁 沈阳：沈阳理工大学机械工程学院,2019.

[3]赵卫凯等.三段式扑翼飞行器气动特性的仿真研究.南京：南京理工大学，2019.

[4]李京虎等.两段式仿生扑翼机构设计及仿真分析.北京：北京交通大学，2018.

[4]吴海宇.仿生微型飞行器的设计与测试实验的研究.吉林：吉林大学，2019.

[6]刘光泽.柔性翅翼仿生扑翼飞行器的动力学性能研究.天津：中国民航大学，2019.

[7]罗婷.仿生扑翼机单关节扑动机构设计与仿真.四川：西南科技大学，2019.

[8]徐子明.用于小型仿生扑翼机的驱动电路研制.吉林：吉林大学，2018.

[9]冯振宇.类蜂鸟扑翼微型飞行机器人羽翼设计与优化.四川：电子科技大学，2018.

[10]朱霖霖.仿生鸟自主飞行的数值模拟与控制.辽宁：大连理工大学，2016.

[11]李建明.微型扑翼飞行器机翼的仿生设计与多目标优化.南京：南京航空航天大学，2017.

[12]黄灿.扑翼飞行器柔性尾翼动力学模型的建立与研究.南京：南京理工大学,2019.

[13]XuedongZhang,HuichaoDeng,ShengjieXiao,LiliYang,andXilunDing .Bionic Design and Attitude Control Measurement in a DoubleFlapping-Wing Micro Air Vehicle.Space Robot Laboratory, BeihangUniversity,2019.

[14]XinghuaCHANG,LaipingZHANG,RongMA,NianhuaWANG.Numericalinvestigation on aerodynamic performance of a bionic apping wing,2019.

[15]ZhuLin-Lin,GuanHui,WuChui-Jie.Three-dimensionalnumerical simulation of a bird model in unsteady ight,2016.