仿蝙蝠机器翅设计与蝙蝠翅膀受力及功耗研究

摘要

既不属于鸟类也不属于昆虫类，蝙蝠是唯一可实现飞行的哺乳动物。尽管目前在扑翼飞行机理及仿生飞行器研究方面已取得阶段性进展，但对蝙蝠扑翼飞行机理的认识尚不充分，且关于仿蝙蝠飞行器的研究尚处于起步阶段。因此，深入了解蝙蝠翅膀的结构尺寸及运动规律，开展蝙蝠翅膀及仿蝙蝠机器翅方面理论、仿真计算及实验研究，对翅膀运动中的受力及功耗等关键问题进行分析，有助于加深对蝙蝠飞行机理的认识，为未来仿蝙蝠飞行器的研制提供参考等。
　　本文根据实际测量的蝙蝠翅膀结构尺寸及角度数据，研制了一种可实现拍动、挥动、伸缩及扭转运动的仿蝙蝠机器翅，并建立了仿蝙蝠机器翅及蝙蝠翅膀计算模型，通过观察测量、实验、理论推导、仿真计算等研究了参数及运动变化对蝙蝠翅膀升力、阻力及功耗的影响等问题。本文主要研究内容及结论如下:
　　(1)大棕蝠翅膀的尺寸结构及实时运动规律研究。以大棕蝠（Eptesicus fuscus）为研究对象，建立了蝙蝠翅膀坐标系统，推导了实时变化的拍动角、挥动角、伸缩角、扭转角及三个桡骨-指骨角的计算公式。搭建了蝙蝠飞行信息采集实验平台，基于高速相机采集的蝙蝠翅膀关键位置标记点信息，经标记点追踪软件分析及计算后获取了翅膀的三维运动数据。基于蝙蝠翅膀运动数据，计算后得到了翅膀运动中七个关键角度的实时变化规律。根据蝙蝠实时飞行中，肱骨、桡骨、指骨3、指骨4及指骨5的实时尺寸及各关节间实时角度测量结果，统计了翅膀运动中尺寸、角度所能达到极限值及平均值等。上述测量及计算结果为仿蝙蝠机器翅的设计提供了数据支持。
　　(2)可实现拍动、挥动、伸缩及扭转运动的四自由度仿蝙蝠机器翅设计。根据蝙蝠翅膀尺寸、结构及运动数据，研制了一种四自由度仿蝙蝠机器翅。在机器翅骨架及翅膜制作方面，采用3D打印技术制作机器翅骨架，采用加成型硅胶制作翅膜。通过机器翅风洞内外测试及不同翅膜样本、不同加载速度、不同加载循环对翅膜力学性能的影响实验，验证了所制作的机器翅骨架及翅膜均满足设计及使用要求。在机器翅控制方面，使用电机、控制器、GailTools软件等实现对机器翅运动的控制;采用‘PVT’控制模式，通过定义目标点的位置、速度及到达目标点的时间实现了对蝙蝠骨骼运动的准确模拟。此外，还分别研究了不同频率、不同运动对机器翅拍动、挥动、伸缩及扭转角度的影响，验证了机器翅运动的准确性。
　　(3)风洞中仿蝙蝠机器翅升力、阻力及功耗实验。在风洞中搭建了机器翅实验平台，采用测力传感器测量机器翅的升力及阻力，采用电机编码器、控制器等测量及计算机器翅的功耗。对传感器的标定、误差产生的原因及消除、负功耗等问题进行了分析;研究了拍动幅度、拍动频率、风速、下拍比、倾斜角等参数变化以及不同运动对升力、阻力及功耗的影响。实验主要结论包括:①增加拍动幅度、拍动频率及飞行速度可以增加机器翅的升力、但阻力及功耗也会相应增加;当下拍比偏离对称中心时，机器翅升力、阻力及功耗会相对增加;当倾斜角度增加时，机器翅阻力减小，升力及功耗变化趋势呈倒U型结构。②拍动运动提供最大的升力及阻力，且所需功耗最大，其它三个运动对力及功耗的影响程度不如拍动运动显著;上拍过程中的翅膀折叠有利于提高升力及减少功耗，翅膀拍动及折叠是仿蝙蝠机器翅中最重要的两个运动。
　　(4)基于4DOF模型，研究蝙蝠翅膀骨架的惯性功耗及惯性力等问题。基于设计的仿蝙蝠机器，建立了4DOF计算模型;通过将蝙蝠翅膀分割成不同小块，并计算每部分的质量、速度、加速度等得到了蝙蝠翅膀的惯性功耗及惯性力。在理论研究方面，基于正弦拍动运动，推导了蝙蝠翅膀正弦拍动时的惯性功耗及惯性力公式;在仿真计算方面，研究了正弦拍动时、不同拍动角度下，惯性功耗及惯性力在不同分量上的变化趋势，并对变化趋势及原因进行了分析;在计算结果与实验结果的比较方面，分析了拍动幅度、拍动频率、质量、下拍比等参数对惯性功耗及惯性力的影响程度。理论推导、实验及计算结果均表明，当拍动频率及拍动幅度增加时，惯性功耗及惯性力均增加;当下拍比偏离对称中间位置时，惯性功耗及惯性力也会变大;翅膀折叠有利于减少翅膀骨架的惯性功耗及惯性力。
　　(5)基于7DOF模型，研究多种因素对蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力的影响。综合考虑实际蝙蝠的结构尺寸、运动及翅膜的影响，建立了七自由度的蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力计算模型。对7DOF模型、4DOF模型及仿蝙蝠机器翅的运动轨迹进行了分析，并与真实蝙蝠的运动轨迹进行了比较，验证了机器翅及计算模型运动规律的准确性。对正弦运动及仿生运动下惯性功耗及惯性力在不同方向上的变化情况进行了分析，表明蝙蝠翅膀在拍动方向的惯性功耗较大，而在拍动、挥动及伸缩方向的惯性力基本相同，同时翅膀的折叠可减少惯性功耗及惯性力。此外，研究了拍动、挥动、伸缩、扭转及指间运动对惯性功耗及惯性力的影响，分析了翅膀翅膜、肱骨、桡骨及五个指骨等对惯性功耗及惯性力的影响。结果表明拍动运动对惯性功耗及惯性力的影响较大，挥动及伸缩运动的影响次之，扭转及指间运动的影响较小;翅膜及桡骨对惯性功耗及惯性力的影响较大，肱骨及指骨的影响较小。

目录

声明

摘要

符号和变量

第一章 绪论

1．1 课题研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 扑翼飞行机理研究现状

1．2．2 仿生扑翼飞行器研究现状

1．2．3 蝙蝠飞行机理研究现状

1．2．4 仿蝙蝠飞行器及机器翅研究现状

1．2．5 目前研究中存在的问题

1．3 本文主要研究内容

第二章 蝙蝠翅膀实时运动规律

2．1 大棕蝠翅膀结构及运动角度计算

2．1．1 蝙蝠翅膀结构

2．1．2 蝙蝠翅膀运动角度的计算

2．2 蝙蝠翅膀实时运动角度及尺寸

2．2．1 实时运动角度的测量与处理

2．2．2 蝙蝠翅膀尺寸

2．3 实验结果与分析

2．3．1 蝙蝠翅膀实时角度测量结果

2．3．2 实验结果分析

2．4 本章小结

第三章 仿蝙蝠机器翅设计

3．1 仿蝙蝠机器翅骨架设计

3．1．1 仿蝙蝠机器翅骨架建模

3．1．2 仿蝙蝠机器翅骨架制作

3．1．3 机器翅骨架连接

3．1．4 机器翅运动

3．1．5 相似性分析

3．2 机器翅翅膜制作及力学性能实验

3．2．1 机器翅翅膜制作

3．2．2 机器翅膜力学性能实验

3．3 机器翅运动的实现

3．3．1 运动控制方式

3．3．2 电机与机器翅运动关系

3．4 机器翅运动角度实验

3．4．1 单运动时机器翅运动角度

3．4．2 多运动时机器翅运动角度

3．5 本章小结

第四章 仿蝙蝠机器翅风洞实验

4．1 仿蝙蝠机器翅风洞实验平台

4．1．1 实验平台的搭建

4．1．2 测力传感器校准

4．2 仿蝙蝠机器翅的功耗

4．2．1 功耗的测量与计算方法

4．2．2 负功耗

4．3 误差分析

4．3．1 实验环境、传感器及电机

4．3．2 风速

4．3．3 重复性

4．4 不同参数对气动力及功耗的影响

4．4．1 拍动幅度

4．4．2 拍动频率

4．4．3 气流速度

4．4．4 下拍比

4．4．5 倾斜角

4．5 不同运动对气动力及功耗的影响

4．5．1 不同运动对气动力及功耗的影响实验

4．5．2 实验结果的分析

4．6 本章小结

第五章 机器翅骨架惯性功耗及惯性力研究

5．1 惯性功耗及惯性力公式的推导

5．1．1 正弦拍动时惯性功耗及惯性力计算

5．1．2 仿生运动时惯性功耗及惯性力计算

5．2 仿蝙蝠机器翅惯性功耗及惯性力计算模型(4DOF模型)

5．2．1 计算模型的建立

5．2．2 参数设置及计算方法

5．2．3 分割块数对计算结果的影响

5．3 正弦拍动时惯性功耗及惯性力在不同方向的分量

5．3．1 惯性功耗及惯性力在拍动及伸缩方向的分量

5．3．2 计算结果及原因分析

5．4 影响翅膀惯性功耗及惯性力的主要因素

5．4．1 拍动角度、频率、质量及比例系数

5．4．2 计算结果与实验结果的比较

5．5 本章小结

第六章 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力研究

6．1 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力计算模型的建立(7DOF模型)

6．1．1 运动模型的建立

6．1．2 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力计算方法

6．2 运动轨迹的验证

6．2．1 两计算模型与真实蝙蝠翅膀运动轨迹的比较

6．2．2 仿蝙蝠机器翅与真实蝙蝠翅膀运动轨迹的比较

6．3 惯性功耗及惯性力在不同方向上的分量

6．3．1 正弦拍动计算结果

6．3．2 仿生运动计算结果

6．4 不同运动对惯性功耗及惯性力的影响

6．4．1 多运动叠加对惯性功耗及惯性力的影响

6．4．2 单个运动对惯性功耗及惯性力的影响

6．5 翅膀不同部分对惯性功耗及惯性力的影响

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

在学期间发表的论文和取得的学术成果