第八章 仿動物飛行的機械及設計

第三篇仿生機械設計與分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2第八章仿動物飛行的機械及設計BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述第一節(jié)飛行動物概述鳥類9000種飛行動物其他類蝙蝠、飛鼠昆蟲類100萬種大部分會飛以下分別介紹：4第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述一、昆蟲1、飛行昆蟲的共同點（1）都有六條腿（2）都有兩對翅膀（3）翅膀是帶有翅脈的膜狀結構

前足，中足、后足各一對蒼蠅后翅退化有些昆蟲前翅演化為鞘翅鞘翅5第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述2、昆蟲的翅膀翅膀是昆蟲飛行的工具，也是設計仿生昆蟲的關鍵。有必要研究昆蟲翅膀的結構。（1）翅脈翅膜與脈相（翅膀上在縱橫交錯的角質結構，稱翅脈；翅脈的分布形式稱脈相。翅膀上的角質膜，稱為翅膜。蟬的翅膀蝴蝶翅膀蝗蟲翅膀6第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述（2）翅脈結構與類型翅膀結構：除鞘翅外，擔任飛行翅膀的結構基本相同，以蜻蜓翅膀為例：翅脈分為前緣翅脈、中部翅脈、次翅脈、后緣翅脈翅尖等，最新研究表明，翅脈中有血管分布。細長翅膀的蜻蜓還有翅痣。鞘翅7第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述不同昆蟲，翅膀結構與形狀有很大不同，前后翅膀大小也不相同。有些昆蟲前翅骨化為鞘翅，看不到翅脈，如甲殼蟲；有些骨化較輕，可見翅脈，如蝗蟲類，稱為覆翅；有些后翅退化為平衡棒，如蒼蠅、蚊子等。蜻蜓翅膀蝴蝶翅膀甲殼蟲翅膀蝗蟲翅膀蟬的翅膀蒼蠅翅膀

鞘翅平衡棒8第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述

昆蟲翅膀的類型，大致可分為A膜翅：角質膜B纓翅：邊緣有毛C毛翅：膜面上有毛D鱗翅：膜面有鱗狀物E覆翅：前翅骨化低，

可見翅脈H平衡體：后翅退化為棒狀F半鞘翅：翅根鞘翅，

翅尖膜翅G鞘翅：前翅骨化9第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述（3）翅的連鎖：蜻蜓、蝗蟲等長翅類的前后翅膀都是單獨工作的，當后翅變小但在飛行中仍然起作用，則后翅通常以各種形式的連鎖器與前翅掛在一起，行動起來成為一個整體，使飛行更為有效。不同昆蟲的連鎖器結構不同，或為鉤狀，或為數(shù)根鬃毛，或為卷褶狀。設計仿生機械昆蟲翅膀時，要知道前后翅膀的連鎖情況。（4）飛行距離與速度：有些昆蟲，如蝗蟲，可飛行上千公里，飛行速度也很快。如，蜜蜂：2.5-6m/s；蜻蜓：10-20m/s；蝴蝶：8m/s，蝗蟲，3m/s10第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述（4）翅膀振動頻率名稱蝴蝶飛蛾蜜蜂蒼蠅蚊子蜻蜓蝗蟲甲蟲頻率(次/秒）105---6300——400300500---60010——131880——1056翅膀振動頻率是設計昆蟲翅膀煽動次數(shù)的重要依據，下面數(shù)據僅供參考。二、鳥類1、鳥類的形態(tài)與結構鳥類身體呈流線型，布滿羽毛，飛行阻力??；翅膀面積大。骨骼輕，胸肌發(fā)達。膝關節(jié)向前彎曲，有力于起飛。11第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述二、鳥類1、鳥類的形態(tài)與結構鳥類身體呈流線型，布滿羽毛，飛行阻力小；翅膀面積大。骨骼輕，胸肌發(fā)達。膝關節(jié)向前彎曲，有力于起飛。鳥類的骨骼中空，可儲存空氣，減輕飛行重量。122、鳥類的翅膀翅膀是輕巧的可變翼，是由前肢演化而來的。手掌骨上的羽毛稱為初級飛羽，產生飛行推力；在小臂上生長的羽毛為次級飛羽，產生升力；腕部羽翼其控制作用；肱骨尺骨和橈骨翅膀長度的平方除以面積。稱展弦比。展弦比大，飛行能力強。掌骨肱骨尺骨和橈骨肩關節(jié)肘關節(jié)腕關節(jié)L第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述3、鳥類的飛行鳥類的飛行滑翔、翱翔和撲翼飛行（1）滑翔：翅膀不扇動，向下方滑行（2）翱翔：翅膀不扇動，利用熱氣流或不同高度水平風鎖產生的水平氣流飛行。（3）撲翼飛行：煽動雙翅飛行的動作，是主要飛行方式，是飛行仿生的研究重點?；栾w行翱翔飛行撲翼飛行14第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述4、鳥類翅膀煽動頻率振翅頻率與體型有關。英國鳥類學家

C.J.Pennycuick

給出了振翅頻率的公式：其中m為鳥的質量(kg)g為重力加速度b為翼展S為翼面積

為空氣密度鳥類體重越大，翅膀煽動頻率越低，一般情況下，翅膀煽動頻率與飛行狀況有關，不是一個固定值，這里僅是最大值；煽動頻率是設計仿生鳥類的重要依據。如：蜂鳥約為80/s；野鴨約為5/s，鴿子8/s15第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述四、其他飛行動物除去鳥類、昆蟲類動物，還有些動物可以飛翔或滑翔。1、蝙蝠：蝙蝠翅膀沒有羽毛，飛行技術也很高超，在夜晚外出捕食飛翔是蝙蝠的一大特點。蝙蝠翅膀也是由上肢演化的，大臂、小臂以及手指骨支撐翅膀。16第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述2、會飛的鼯鼠4、會飛的蜥蜴鼯鼠相同點：腹部兩側有可伸展的膜，展開后可滑翔。3、會飛的鼯猴鼯猴蜥蜴5、會飛的魚17第八章仿動物飛行的機械及設計第二節(jié)飛行機理簡介第二節(jié)飛行機理簡介一、伯努利（bernoulli）方程根據能量守恒定律，伯努利提出了“流體動能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)的概念”，建立了著名的伯努利方程。ρ---流體密度

v---流體某點速度g---重力加速度

h---流體某點高度

p---流體某點壓強其最為著名的推論為：等高流動時，流速大，壓力就小。18第八章仿動物飛行的機械及設計第二節(jié)飛行機理簡介伯努利方程的應用圖示鳥的翅膀，上方為流線型曲線，下方近似直線，氣流通過時，上面流速快，則壓力小，下面氣流慢，則壓力大；翅膀上下產生了壓力差，使鳥類飛行時產生舉升力。翅膀氣流通過面積S1后，流經上方流通面積變小為S2。使流速增快。壓力變小。19第八章仿動物飛行的機械及設計第二節(jié)飛行機理簡介飛機機翼的上表面是流暢的曲面，下表面則是平面。這樣，機翼上表面的氣流速度就大于下表面的氣流速度，所以機翼下方氣流產生的壓力就大于上方氣流的壓力，飛機就被這巨大的壓力差“托住”了。就是依據伯努利方程的基本原理。圖示鳥翼向下扇動翅膀時，由于慣性原理，上方空氣不會立即向下運動，氣壓降低；下方空氣不會立即向下運動，則下方空氣壓力增加，產生了舉升力。二、舉升原理由于翅膀上下方的壓力差，使翅膀周圍產生氣流差，也增加舉升力。扇動次數(shù)越多、舉升力越大。20第八章仿動物飛行的機械及設計第二節(jié)飛行機理簡介當鳥類向斜下方扇動翅膀時，空氣的法向反力可分解為向上的升力和水平分力，即向前飛行的動力當垂直扇動翅膀時，舉升力與鳥類重力平衡時，可水平飛行或靜止不動。向上或向下飛行，取決于舉升力和重力的大小。三、前進飛行原理：21第八章仿動物飛行的機械及設計第二節(jié)飛行機理簡介當鳥類翅膀前傾時，前緣低，后緣高，扇動翅膀時，會產生水平驅動力，推動鳥類向前飛行。當鳥類翅膀前傾時，前緣低，后緣高，扇動翅膀時，會產生水平驅動力，推動鳥類向前飛行。翅膀與水平氣流所夾的角度

，稱為攻角或迎角，適當?shù)墓ソ菚岣吲e升力。第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計一、昆蟲飛行機理分析以蜻蜓為例：六足生在胸節(jié)下方，兩對翅膀生在胸節(jié)背板處，四肢翅膀獨立扇動。有背板肌肉控制。蜻蜓翅膀為膜狀彈性結構，不具備流線型形狀。上下?lián)鋭映岚虿蛔阋援a生足夠升力和前進推動力，翅膀必須能繞翅根軸線旋轉，才能有效飛行。（與鳥飛行不同）23第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計二、昆蟲翅膀機構及其自由度蜻蜓的生物原型到生物模型的機構簡圖如下：(a)(b)(c)圖a為3自由度的球面副；圖b為3個單自由度的轉動副，圖c為二個轉動副：圖c為應用型機構簡圖；1個轉動副負責扇動翅膀，一個負責扭動翅膀。24第八章仿動物飛行的機械及設計三、昆蟲振翅頻率的測定第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計昆蟲飛行的振翅頻率較高，很難計算，一般采用實驗法測定振翅頻率。當高速攝影的頻率接近翅膀振翅頻率時，翅膀靜止不動，此時，高速攝影頻率即為振翅頻率。粗略實驗結果為：振翅頻率與其質量的負四分之一次方成正比。

25第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計四、昆蟲翅膀的折疊有些昆蟲在不飛行的時候，翅膀可以折疊起來，后方軟翅折疊后，藏在前面收起的鞘翅里面，如蝗蟲和一些甲蟲等。昆蟲后翅的折疊，一般不同時進行，抖動腹部肌肉，，類似折疊扇子那樣，把后翅收起，再收起的鞘翅覆蓋前翅。昆蟲后翅的折疊是非常復雜的動作，對設計折疊類產品很有借鑒作用。26第八章仿動物飛行的機械及設計第二節(jié)飛行機理簡介從折疊翅膀的角度看，3自由度翅膀更為有利于飛行。 R1用于扭翅，R2用于收翅，R3用于扇翅或撲翼飛行。圖示昆蟲鞘翅的扭翅扭擺用于產生推動力，后翅撲翼產生升力?？烧郫B翅膀機構類型很多，圖示為簡單的四邊形機構。27第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計五、仿生昆蟲機器人腿部結構昆蟲機器人的地面運動屬于爬行運動，其腿部機構可按照爬行動物的步行機構設計；但一般為六足爬行。典型爬行腿機構如下：R1為邁步，R2為抬腿作為結構圖，右為機構簡圖28第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計六、仿生昆蟲機器人仿生昆蟲機器人大都為微型機器人，比較典型的有蜻蜓機器人、蝴蝶機器人、蒼蠅機器人、以及各類昆蟲機器人，29第八章仿動物飛行的機械及設計第一節(jié)飛行動物概述仿生蜻蜓機器人30第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計仿生蜻蜓機器人1實現(xiàn)扭翅和撲翼兩個翅膀動作是蜻蜓機器人設計重點，同時對實現(xiàn)這倆個動作的傳動機構進行設計。參照圖示機械裝置。31第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計仿生蜻蜓機器人2該機器蜻蜓系統(tǒng)共采用9臺伺服電動機，其中1臺伺服電動機安裝在主體架構底部，負責調節(jié)翅膀的振動頻率（頻率在15到20赫茲之間）4個翅膀關節(jié)均安裝2臺伺服電動機，獨立控制翅膀的振幅，幅度在之間；每個翅根最大可旋轉，用以控制攻角。完成前進、后退或者側向移動，可進行快速加速、減速、轉彎和后退等動作。32第八章仿動物飛行的機械及設計第三節(jié)昆蟲的飛行與仿生設計仿生蝴蝶機器人翼展長度為50厘米，重量只有32克。兩臺電動機獨立地驅動兩只翅膀，裝有一個IMU（慣性測量單元），用于檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號以及載體相對于導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)，還有兩個90毫安的聚合物電池。機器蝴蝶機翼本身使用的是碳纖維骨架，并覆蓋更薄的彈性電容膜。其每秒拍打1-2次翅膀，最高速度可達到2.5m/s，，圖示為德國機器人公司FESTO研制的仿生機械蝴蝶。第八章仿動物飛行的機械及設計第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計一、撲翼飛行與撲翼機第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計撲翼飛行是指翅膀上下?lián)鋭?，同時翅膀沿扭轉軸扭轉，使迎角迅速地改變，稱這種飛行為撲翼飛行。在翅膀下拍至最低點時，翅膀快速地向外扭轉，而在翅膀上抬至最高點時，翅快速地向內扭轉。第八章仿動物飛行的機械及設計第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計二、撲翼機構的設計與分析鳥的撲翼飛行和起飛與著陸是仿生鳥類機器人設計的兩大難點。撲翼機構基本可分為兩類，關節(jié)型仆翼機構和連桿型仆翼機構。昆蟲類翅膀經常采用關節(jié)型仆翼，可采用壓電陶瓷驅動機構、交變磁場驅動機構、靜電致動胸腔式撲翼機構，壓電晶體(PZT)致動機構，人工肌肉驅動機構等。飛鳥類撲翼經常采用連桿型撲翼機構，采用伺服電機驅動。連桿機構型撲翼飛行機構主要涉及到機構選型設計與自由度的計算35第八章仿動物飛行的機械及設計1、撲翼機構自由度的計算第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計撲翼機構兩個翅膀的上下?lián)鋭又挥幸粋€自由度，圖示為典型連桿機構型的仆翼機構。沒有考慮繞翅根軸線的轉動自由度，也就是說缺乏翅翼扭轉形成的攻角，由于翅膀采用流線型結構，也能滿足前進要求。例1：36第八章仿動物飛行的機械及設計例：撲翼機構自由度的計算第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計機架37第八章仿動物飛行的機械及設計例3：撲翼機構自由度的計算第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計38第八章仿動物飛行的機械及設計翅膀撲翼運動的驅動第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計昆蟲和鳥類的飛行依靠控制胸部肌肉彈性運動控制翅膀的撲翼運動，。圖示為昆蟲胸部結構，左翅膀胸肌收縮，翅肌放松，翅翼向上撲動，反之，則向下?lián)鋭?。昆蟲胸翅結構可用圖示鉸鏈四連桿機構代替，鉸鏈四桿機構相當于骨骼和關節(jié),彈簧相當于胸部肌肉,是系統(tǒng)中的柔性構件和儲能元件。當撲翼飛行翅膀上拍時,彈簧拉伸,儲存能量,下拍時,在回復力作用下恢復原長,釋放能量。39第八章仿動物飛行的機械及設計2、機構尺寸設計第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計經過大量飛行姿態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)一般飛行狀態(tài)下，翅膀的扇動角度保持在

左右

以圖示鉸鏈四桿機構為例，說明其尺寸設計已知：擺桿長度BC

機架長度OC翅膀上下擺角

40第八章仿動物飛行的機械及設計設計過程如下：第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計

1）選擇比例尺作三角形2)以C為圓心，機架OC為半徑作圓，在該圓上任選一點O,畫出通過OB1B2三點的圓，連接，其中：

A為曲柄尺寸，b連桿尺寸；3）驗算最小傳動角該機構通過反復修改給定尺寸，可有無數(shù)解。A為曲柄尺寸，b連桿尺寸；第八章仿動物飛行的機械及設計第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計3、運動分析得到機構尺寸后，還需進行運動分析，驗算翅膀擺動速度與加速度是否合理，如果不理想，可重新進行尺寸設計。（1）建立直角坐標系xOy，坐標原點通過O點，x軸沿機架OC方向。（2）封閉矢量環(huán)如圖示，連架桿矢量外指（分別指向與連桿連接處鉸鏈中心），余者任意確定。封閉環(huán)矢量方程為：該機構的身體坐標系為，各構件角度位置也是參照該坐標系設定的。但利用該坐標系解題有些麻煩。將該坐標系旋轉角度，得到新坐標系xOy,利用該新的坐標系列出位置方程則要簡便的多。42第八章仿動物飛行的機械及設計第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計（3）列出各矢量的投影方程。注意各矢量與x軸的夾角以逆時針方向為正。

4）位移方程對時間求導數(shù)，可得到速度方程。兩邊求導并整理后：43第八章仿動物飛行的機械及設計第四節(jié)鳥類的飛行與仿生設計此方程為線性方程組，可用消元法求解出構件2、3的角速度（5）速度方程再對時間求一次導