中国机械工程 ›› 2022, Vol. 33 ›› Issue (15): 1869-1875,1889.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.15.013
马东福;宋笔锋;薛栋;宣建林
出版日期:
2022-08-10
发布日期:
2022-09-01
通讯作者:
宣建林(通信作者),男,1981年生,副教授。研究方向为微小型飞行器设计。E-mail:xuan@nwpu.edu.cn。
作者简介:
马东福,男,1994年生,博士研究生。研究方向为微小型仿生飞行器设计、机械设计。E-mail:mdfnpu@mail.nwpu.edu.cn。
基金资助:
MA Dongfu;SONG Bifeng;XUE Dong;XUAN Jianlin
Online:
2022-08-10
Published:
2022-09-01
摘要: 针对扑翼飞行器自主起降能力缺失、严重影响其适用场景的问题,开展了仿生弹跳机构设计研究。对鸟类跳跃起飞过程中典型的运动状态进行分析,结合其各阶段的后肢骨骼结构、重心、力、速度等运动变化规律,对扑翼飞行器弹跳起飞动态过程进行了设计。基于鸟腿的骨骼解剖学结构,设计了闭链齿轮-五杆仿鸟腿弹跳机构,并基于D-H法推导出弹跳机构运动学方程,利用拉格朗日方程建立了弹跳机构起跳阶段的动力学方程。对弹跳机构进行了详细结构设计,采用ADAMS对简化的弹跳模型进行了仿真分析。仿真结果显示,借助该仿生弹跳机构,扑翼飞行器系统质心速度达到8.4 m/s,大于“信鸽”飞行器起飞所需的速度7.9 m/s,具备弹跳起飞的可能性。
中图分类号:
马东福, 宋笔锋, 薛栋, 宣建林. 受生物启发的扑翼飞行器弹跳机构概念设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(15): 1869-1875,1889.
MA Dongfu, SONG Bifeng, XUE Dong, XUAN Jianlin. Conceptual Design of Bio-inspired Jumping Mechanisms for Flapping-wing Aerial Vehicles[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(15): 1869-1875,1889.
[1]HU H, KUMAR A G, ABATE G, et al. An Experimental Investigation on the Aerodynamic Performances of Flexible Membrane Wings in Flapping Flight[J]. Aerospace Science and Technology, 2010, 14(8):575-586. [2]PARANJAPEA A, CHUNG S J, HILTON H H, et al. Dynamics and Performance of Tailless Micro Aerial Vehicle with Flexible Articulated Wings[J]. AIAA Journal, 2012, 50(5):1177-1188. [3]FESTO. SmartBird:BirdFlight Deciphered[EB/OL]. [2021-04-06].https:∥ www. festo. com/group/en/cms/10238. htm. [4]YANG W, WANG L, SONG B. Dove:a Biomimetic Flapping-wing Micro Air Vehicle[J]. International Journal of Micro Air Vehicles, 2018, 10(1):70-84. [5]马东福, 宋笔锋, 宣建林, 等. 仿鸟扑翼飞行器自主起降技术研究进展[J]. 宇航学报, 2021, 42(3):265-273. MA Dongfu, SONG Bifeng, XUAN Jianlin, et al. Recent Progress in Autonomous Take-off and Landing Technology of Bird-like Flapping-wing Aerial Vehicle[J]. Journal of Astronautics, 2021, 42(3):265-273. [6]PETERSON K, FEARING R S. Experimental Dynamics of Wing Assisted Running for a Bipedal Ornithopter[C]∥ 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Francisco, 2011:5080-5086. [7]KIM J H, PARK C Y, JUN S M, et al. Flight Test Measurement and Assessment of a Flapping Micro Air Vehicle[J]. International Journal of Aeronautical and Space Sciences, 2012, 13(2):238-249. [8]XUE D, SONG B, SONG W, et al. Computational Simulation and Free Flight Validation of Body Vibration of Flapping-wing MAV in Forward Flight[J]. Aerospace Science and Technology, 2019, 95:105491. [9]薛栋, 宋笔锋, 杨文青, 等. 应用在扑翼飞行器的仿生起落架系统及起落控制方法:CN105416575A[P]. 2016-03-23. XUE Dong, SONG Bifeng, YANG Wenqing, et al. Bionic Undercarriage System for Flapping Wing Air Vehicle and Takeoff and Landing Control Method:CN105416575A[P]. 2016-03-23. [10]ZHANG T. Design, Analysis and Validation of a Silver Gull Inspired Hybrid UAV[D]. Sydney:University of Technology Sydney, 2019. [11]EARLS K D. Kinematics and Mechanics of Ground Take-off in the Starling Sturnis Vulgaris and the Quail Coturnix Coturnix[J]. Journal of Experimental Biology, 2000, 203(4):725-739. [12]ZHANG Z Q, ZHAO J, CHEN H L, et al. A Survey of Bioinspired Jumping Robot:Takeoff, Air Posture Adjustment, and Landing Buffer[J]. Applied Bionics and Biomechanics, 2017, 2017:4780160. [13]莫小娟, 葛文杰, 赵东来, 等. 微小型跳跃机器人研究现状综述[J]. 机械工程学报, 2019, 55(15):109-123. MO Xiaojuan, GE Wenjie, ZHAO Donglai, et al. Re-view:Research Status of Miniature Jumping Robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(15):109-123. [14]HUDSON O A, FANNI M, AHMED S M, et al. Autonomous Flight Take-off in Flapping Wing Aerial Vehicles[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2020, 98:135-152. [15]熊康太. 自主起降扑翼机器人关键技术研究[D]. 赣州:江西理工大学, 2018. XIONG Kangtai. Research on Key Technology of Self-taking Off and Landing Flapping Aero Craft[D]. Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technology, 2018. [16]SIVALINGAM G. Design of Jumping Legs for Flap Wing Vehicles[D]. Manchester:The University of Manchester, 2017. [17]ZHANG J, DONG C, SONG A. Jumping Aided Takeoff:Conceptual Design of a Bio-inspired Jumping-flapping Multi-modal Locomotion Robot[C]∥2017 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Macau, 2017:32-37. [18]EARLS K D. Kinematics and Mechanics of Ground Take-off in the Starling Sturnis Vulgaris and the Quail Coturnix Coturnix[J]. Journal of Experimental Biology, 2000, 203(4):725-739. [19]魏敦文. 基于弹性驱动的跳跃机器人研究[D]. 西安:西北工业大学, 2016. WEI Dunwen. Research of Jumping Robots Based on Compliant Actuators[D]. Xian:Northwestern Polytechnical University, 2016. [20]战强. 机器人学:机构、运动学、动力学及运动规划[M]. 北京:清华大学出版社, 2019. ZHAN Qiang. Robotics:Mechanisms, Kinematics, Dynamics and Motion Planning[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2019. [21]年鹏. 仿鸟类扑翼飞行器设计与性能提升方法研究[D]. 西安:西北工业大学, 2021. NIAN Peng. Research on the Bird-like Flapping-wing Micro Air Vehicle Design and Its Performance Improvement Methods[D]. Xian:Northwestern Polytechnical University, 2021. [22]林晓龙. 一种用于火星探弹跳机器人的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2018. LIN Xiaolong. Research on a Bouncing Robot for Mars Exploration[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2018. |
[1] | 李冲, 童玉健, 梁康, 钟伟, 方记文. 压电驱动微型精密夹持机构设计与实验研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1302-1308,1385. |
[2] | 吴昊, 李宗轩, 张德福, 李清雅, 李云峰, . 交叉簧片柔性铰链设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(10): 1203-1209. |
[3] | 丛明, 毕聪, 王明昊, 刘冬, 杜宇. 面向手功能康复训练的软体机器人设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(08): 883-889. |
[4] | 陈洪月, 张站立, 刘先阳, 陈洪岩, 黄鑫宇, 魏雅静. 线性压缩机盘簧及组件性能分析[J]. 中国机械工程, 2022, 33(08): 908-914. |
[5] | 李颂, 杨新乐, 李惟慷, 唐美玲. 叶片梯度角对压气机叶轮固有频率的影响规律[J]. 中国机械工程, 2022, 33(02): 243-251. |
[6] | 张横, 丁晓红, 沈磊, 徐世鹏. 考虑连接性的三明治阻尼复合结构拓扑优化设计[J]. 中国机械工程, 2021, 32(20): 2403-2410. |
[7] | 李信卿, 赵清海, 张洪信, 张铁柱, 陈建良. 周期性功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计[J]. 中国机械工程, 2021, 32(19): 2348-2356. |
[8] | 王升德, 姚振强, 沈洪. 屏蔽套形变对环形间隙轴向流阻的影响研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(17): 2017-2024. |
[9] | 付君健, 孙鹏飞, 杜义贤, 田启华, 高亮. 基于子结构法的多层级结构拓扑优化[J]. 中国机械工程, 2021, 32(16): 1937-1944,1951. |
[10] | 彭翔, 李登洪, 李吉泉, 姜少飞. 板翅式换热器中新型微凸翅片结构设计及性能分析[J]. 中国机械工程, 2021, 32(13): 1630-1637. |
[11] | 陈洪月, 张站立, 林青竹. 制冷线性压缩机弹簧组件的设计与研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(12): 1449-1455. |
[12] | 何强, 唐向红, 李传江, 陆见光, 陈家兑. 负载不平衡下小样本数据的轴承故障诊断[J]. 中国机械工程, 2021, 32(10): 1164-1171,1180. |
[13] | 席静谣, 周长光, 冯虎田, 张鲁超. 几何误差和倾覆力矩对双螺母滚珠丝杠副载荷分布的影响#br#[J]. 中国机械工程, 2021, 32(10): 1181-1190. |
[14] | 刘冬, 王明昊, 毕聪, 水生财, 丛明, 杜宇. 刚软结合可穿戴手部康复装置设计[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 930-937. |
[15] | 王英聪1;张领1;肖人彬2. 一种求解等圆Packing问题的柔性位置选择算法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(03): 305-313. |
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