仿生蜻蜓机器人的设计与研制

0引言

蜻蜓飞行靠四个翅膀的精妙配合,气动布局极佳。由此可知,扑翼卓越的空气动力特性极具研究意义。而扑翼飞行器凭借其独特的仿生外形和飞行特性,拥有高度机动性和灵活性。

赵香宁等人[1]对材料属性对柔性扑翼的影响进行分析,揭示了翼面刚度、变形与气动力的非线性关系。程诚等人[2]通过优化扑翼几何参数、运动参数等来提升性能,结合数据驱动模型和强化学习算法来优化扑翼运动模式。于鹏达等人[3]基于真实鸟类翅膀骨骼结构的仿生翅翼设计,通过对比平面翼、弧形翼与羽毛翼的升阻比和推力系数,量化羽毛翼的气动优势。郭睿等人[4]引入有限元分析和动态流场仿真技术,提出舵机驱动、对称布局、轻量化材料等具体改进方案。但目前对于扑翼飞行器的多扑翼姿态设计还较为单一,多为双翼同扑动式,且不能随需求变化做出相应调整。因此,本文对此情况进行讨论与研究。

1 翼翅设计

设定机身质量m=0.05 kg,由仿生尺度率公式[5]得,翼展B=0.875 m,翼面积s=0.158 m²。参照蜻蜓翼 翅初步设定翼翅形态为由宽逐渐变窄;内部需分布较多翼脉,以提升内部刚度,外部分布较少翼脉;提升翼翅刚度的同时增加扭转度,以满足飞行所需的推力、升力等要求。如图1所示,采用MATLAB对翼翅轮廓曲线进行六阶多项式拟合。

尾翼对于蜻蜓扑翼作用在于协作转向、改变气动性等。设计以垂尾[6]为主,垂尾的尾容量ka介于0.05与0.25之间。垂尾面积sc与尾容量满足以下关系:

式中:s为机翼面积(m²);X为平均气动弦长(m);F为垂尾尾部力臂长度(m)。

条带处翼弦长X由下式确定,拟定主翼杆长度为46 cm,取平均弦长:

计算得x=0.085 9 m。

初设样机尾容量为0.2,翼面积s=0.158 m2,计算得平均弦长x=0.085 9 m。拟定尾部力臂为0.28 m,得垂尾面积sc=0.00969 m2。翼翅的外形与尾翼外型如图2所示。

2仿生蜻蜓飞行器仿真分析

扑翼飞行涉及低雷诺数、非定常的空气动力学现象,设计阶段,翼翅扑动的扭转变形情况未知,采用改进型条带理论[7]对所设计的扑翼升力进行计算,评估翼翅设计的可行性。

儒可夫斯基升力由绕翼面的环量产生,是扑翼飞行中的主要升力和推力来源,其方向与合成后的方向垂直于相对来流速度,通过下式确定大小:

式中:Nc为儒可夫斯基升力(N);P为空气密度(kg/m³);V为条带处合成速度(m/s);c为条带处翼弦长(m),数值上等于式(2);cl为升力系数;r为翼面展向距离(cm)。

条带处合成速度V由下式确定:

式中:U为前飞速度(m/s);v为扑动速度(m/s);φ为扑动相位角(rad)。

扑翼扑动角度设定与水平夹角呈30o,扑动速度v由下式确定:

式中:r为翼面展向距离(cm),取位于翼根20 cm处;f为扑动频率(Hz);t为时间(s)。

最大扑动频率fmax由下式确定:

式中:m为机身质量(kg)。

计算得fmax=6.987 Hz。

前飞速度U通过仿生尺度率公式计算:

计算得U=3.55 m/s。

cl为升力系数,因为采用薄翼理论,不用引入动态修正:

式中:α为攻角(rad)。

攻角α通过下式确定:

附加质量力由气流与翼面的相对运动产生,其计算公式为:

式中:Na为附加质量力(N);dv/dt为条带处扑动加速度(m/s²)。

气流对条带的摩擦阻力在翼面切向产生,可由下式确定:

式中:Df为摩擦阻力(N);cf为摩擦阻力系数。

摩擦阻力系数cf可由下式获得,常采用层流进行计算:

式中:Re为雷诺数。

雷诺数可由下式计算:

式中:μ为空气粘性系数(m²/s)。

将dNc、dNa、dDf向竖直方向和水平方向分解,可得翼翅在飞行中条带的升力和推力:

式中:FL为条带的升力(N);FT为条带的推力(N);w为随时间变化的扑动角度(rad)。

通过式(5)得扑动角度w为:

将条带受到的升力沿展向积分后再对时间积分,得到瞬时单片翼翅的升力与推力:

式中:FL总为单片翼翅的升力(N);FT总为单片翼翅的推力(N)。

取空气密度p=1.29 kg/m3,20℃时空气运动粘度μ=14.8×10—6m2/5。在MATLAB中编写程序,得升力、推力与翼翅安装角度及时间关系如图3所示。当相位角φ=0.14rad时,扑翼产生的升力与初设机体重量0.05 kg相比较,能够满足飞行要求。

2.1静力分析

如图4所示,对扑翼施加32.3pa的均布载荷。经过静力分析得,前扑翼危险截面的第一主应力为100.97Mpa,远小于材料的屈服强度;前扑翼的最大形变量为3.129 9 mm,翼尖变形量较大,翼根处所承受的弯矩、转矩相对较大,易破坏处位于翼杆与舵机连接处。

2.2 动力学分析

将三维模型转化为数学模型,设定空气流速、UDF等进行流体仿真。主体部分进行简化,采用一体的形式进行分析,着重关注扑翼对飞行参数的影响。前扑翼相位角为0.14 rad,后扑翼相位角为0.172 rad,空气流速为5 m/5,扑翼具有一定的相位比时可以通过消除涡流来提高气动效率,使得扑翼性能提升。

如图5所示,在扑翼的下拍阶段(顶峰)升力为正,上挥阶段(凹陷)升力为负,并且由于扑翼具有扭转作用,飞行器在竖直方向受到升力。

如图6所示,扑翼的翼面等处均出现了旋涡,说明流体出现了非定常的流动;在翼翅下拍过程中,上表面的空气流速远大于下表面,由流速差产生压力差,使得翼翅产生垂直于翼面向上的力。

3 试飞试验

通过试飞试验,机器人满足使用要求,可适应多种飞行方式。试飞试验如图7所示。

4 结论

本文以蜻蜓为研究对象,设计了一种舵机驱动的仿生蜻蜓机器人。采用拟合曲线对扑翼进行设计,通过条带理论对升力进行计算,并对机器人的使用性能进行静力与流体仿真分析,得到如下结论:采用前扑翼相位角为0.14 rad,后扑翼相位角为0.172 rad 的扑翼能满足机器人使用性能。本文还分析了X翼及平翼的扑动方式,机器人具有平翼、X翼等多种飞行姿态,使其具有更广的适用性。

[参考文献]

[1]赵香宁,曾鹏飞,郝永平.材料属性对柔性仿生扑翼气动特性的影响[J].机械工程与自动化,2024(5):29—31.

[2]程诚,陈隆,张艳来,等.可悬停仿生扑翼微型飞行器气动设计综述[J].空气动力学学报,2025,43(2):1—26.

[3]于鹏达,史春景,郝永平,等.基于有限元法的鸟羽扑翼飞行器气动性能分析[J].飞行力学,2025,43(3):16—20.

[4]郭睿,张子鑫,郝永平,等.一种仿蝴蝶扑翼飞行器的设计和有限元分析[J].机械工程与 自动化,2025,54 (1):62—64.

[5] FISH F E.wingdesignandscalingofflyingfishwith regard toflightperformance[J].JournalofZoologyI1990,221(3): 391—403.

[6] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第4册:军用飞机总体设计[M].北京:航空工业出版社,2005.

[7] YANZM,TAHAHE,HAJJMR.EffectofAerodynamicModelingon theoptimumwingkinematics forHoveringMAVs[J].AerospaceScienceandTechnology,2015,45: 39—49.

《机电信息》2025年第12期第11篇