仿蝙蝠機(jī)器翅設(shè)計(jì)與蝙蝠翅膀受力及功耗研究.x課件

仿蝙蝠機(jī)器翅設(shè)計(jì)與蝙蝠翅膀受力及功耗研究既不屬于鳥類也不屬于昆蟲類,蝙蝠是唯一可實(shí)現(xiàn)飛行的哺乳動(dòng)物。盡管目前在撲翼飛行機(jī)理及仿生飛行器研究方面已取得階段性進(jìn)展,但對(duì)蝙蝠撲翼飛行機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不充分,且關(guān)于仿蝙蝠飛行器的研究尚處于起步階段。因此,深入了解蝙蝠翅膀的結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,開展蝙蝠翅膀及仿蝙蝠機(jī)器翅方面理論、仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)翅膀運(yùn)動(dòng)中的受力及功耗等關(guān)鍵問題進(jìn)行分析,有助于加深對(duì)蝙蝠飛行機(jī)理的認(rèn)識(shí),為未來仿蝙蝠飛行器的研制提供參考等。本文根據(jù)實(shí)際測(cè)量的蝙蝠翅膀結(jié)構(gòu)尺寸及角度數(shù)據(jù),研制了一種可實(shí)現(xiàn)拍動(dòng)、揮動(dòng)、伸縮及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的仿蝙蝠機(jī)器翅,并建立了仿蝙蝠機(jī)器翅及蝙蝠翅膀計(jì)算模型,通過觀察測(cè)量、實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)、仿真計(jì)算等研究了參數(shù)及運(yùn)動(dòng)變化對(duì)蝙蝠翅膀升力、阻力及功耗的影響等問題。本文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：(1)大棕蝠翅膀的尺寸結(jié)構(gòu)及實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究。以大棕蝠(Eptesicusfuscus)為研究對(duì)象,建立了蝙蝠翅膀坐標(biāo)系統(tǒng),推導(dǎo)了實(shí)時(shí)變化的拍動(dòng)角、揮動(dòng)角、伸縮角、扭轉(zhuǎn)角及三個(gè)橈骨-指骨角的計(jì)算公式。搭建了蝙蝠飛行信息采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái),基于高速相機(jī)采集的蝙蝠翅膀關(guān)鍵位置標(biāo)記點(diǎn)信息,經(jīng)標(biāo)記點(diǎn)追蹤軟件分析及計(jì)算后獲取了翅膀的三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)?；隍鸪岚蜻\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),計(jì)算后得到了翅膀運(yùn)動(dòng)中七個(gè)關(guān)鍵角度的實(shí)時(shí)變化規(guī)律。根據(jù)蝙蝠實(shí)時(shí)飛行中,肱骨、橈骨、指骨3、指骨4及指骨5的實(shí)時(shí)尺寸及各關(guān)節(jié)間實(shí)時(shí)角度測(cè)量結(jié)果,統(tǒng)計(jì)了翅膀運(yùn)動(dòng)中尺寸、角度所能達(dá)到極限值及平均值等。上述測(cè)量及計(jì)算結(jié)果為仿蝙蝠機(jī)器翅的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。(2)可實(shí)現(xiàn)拍動(dòng)、揮動(dòng)、伸縮及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的四自由度仿蝙蝠機(jī)器翅設(shè)計(jì)。根據(jù)蝙蝠翅膀尺寸、結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),研制了一種四自由度仿蝙蝠機(jī)器翅。在機(jī)器翅骨架及翅膜制作方面,采用3D打印技術(shù)制作機(jī)器翅骨架,采用加成型硅膠制作翅膜。通過機(jī)器翅風(fēng)洞內(nèi)外測(cè)試及不同翅膜樣本、不同加載速度、不同加載循環(huán)對(duì)翅膜力學(xué)性能的影響實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所制作的機(jī)器翅骨架及翅膜均滿足設(shè)計(jì)及使用要求。在機(jī)器翅控制方面,使用電機(jī)、控制器、GailTools軟件等實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器翅運(yùn)動(dòng)的控制；采用‘PVT’控制模式,通過定義目標(biāo)點(diǎn)的位置、速度及到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝙蝠骨骼運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模擬。此外,還分別研究了不同頻率、不同運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器翅拍動(dòng)、揮動(dòng)、伸縮及扭轉(zhuǎn)角度的影響,驗(yàn)證了機(jī)器翅運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。(3)風(fēng)洞中仿蝙蝠機(jī)器翅升力、阻力及功耗實(shí)驗(yàn)。在風(fēng)洞中搭建了機(jī)器翅實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用測(cè)力傳感器測(cè)量機(jī)器翅的升力及阻力,采用電機(jī)編碼器、控制器等測(cè)量及計(jì)算機(jī)器翅的功耗。對(duì)傳感器的標(biāo)定、誤差產(chǎn)生的原因及消除、負(fù)功耗等問題進(jìn)行了分析；研究了拍動(dòng)幅度、拍動(dòng)頻率、風(fēng)速、下拍比、傾斜角等參數(shù)變化以及不同運(yùn)動(dòng)對(duì)升力、阻力及功耗的影響。實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論包括：①增加拍動(dòng)幅度、拍動(dòng)頻率及飛行速度可以增加機(jī)器翅的升力、但阻力及功耗也會(huì)相應(yīng)增加：當(dāng)下拍比偏離對(duì)稱中心時(shí),機(jī)器翅升力、阻力及功耗會(huì)相對(duì)增加；當(dāng)傾斜角度增加時(shí),機(jī)器翅阻力減小,升力及功耗變化趨勢(shì)呈倒U型結(jié)構(gòu)。②拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)提供最大的升力及阻力,且所需功耗最大,其它三個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)力及功耗的影響程度不如拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)顯著；上拍過程中的翅膀折疊有利于提高升力及減少功耗,翅膀拍動(dòng)及折疊是仿蝙蝠機(jī)器翅中最重要的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。(4)基于4DOF模型,研究蝙蝠翅膀骨架的慣性功耗及慣性力等問題。基于設(shè)計(jì)的仿蝙蝠機(jī)器,建立了4DOF計(jì)算模型；通過將蝙蝠翅膀分割成不同小塊,并計(jì)算每部分的質(zhì)量、速度、加速度等得到了蝙蝠翅膀的慣性功耗及慣性力。在理論研究方面,基于正弦拍動(dòng)運(yùn)動(dòng),推導(dǎo)了蝙蝠翅膀正弦拍動(dòng)時(shí)的慣性功耗及慣性力公式；在仿真計(jì)算方面,研究了正弦拍動(dòng)時(shí)、不同拍動(dòng)角度下,慣性功耗及慣性力在不同分量上的變化趨勢(shì),并對(duì)變化趨勢(shì)及原因進(jìn)行了分析；在計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較方面,分析了拍動(dòng)幅度、拍動(dòng)頻率、質(zhì)量、下拍比等參數(shù)對(duì)慣性功耗及慣性力的影響程度。理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果均表明,當(dāng)拍動(dòng)頻率及拍動(dòng)幅度增加時(shí),慣性功耗及慣性力均增加；當(dāng)下拍比偏離對(duì)稱中間位置時(shí),慣性功耗及慣性力也會(huì)變大；翅膀折疊有利于減少翅膀骨架的慣性功耗及慣性力。(5)基于7DOF模型,研究多種因素對(duì)蝙蝠翅膀慣性功耗及慣性力的影響。綜合考慮實(shí)際蝙蝠的結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)及翅膜的影響,建立了七自由度的蝙蝠翅膀慣性功耗及慣性力計(jì)算模型。對(duì)7DOF模型、4DOF模型及仿蝙蝠機(jī)器翅的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析,并與真實(shí)蝙蝠的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了機(jī)器翅及計(jì)算模型運(yùn)動(dòng)規(guī)律的準(zhǔn)確性。對(duì)正弦運(yùn)動(dòng)及仿生運(yùn)動(dòng)下慣性功耗及慣性力在不同方向上的變化情況進(jìn)行了分析,表明蝙蝠翅膀在拍動(dòng)方向的慣性功耗較大,而在拍動(dòng)、揮動(dòng)及伸縮方向的慣性力基本相同,同時(shí)翅膀的折疊可減少慣性功耗及慣性力。此外,研究了拍動(dòng)、揮動(dòng)、伸縮、扭轉(zhuǎn)及指間運(yùn)動(dòng)對(duì)慣性功耗及慣性力的影響,分析了翅膀翅膜、肱