基于昆虫高升力机理的仿生蝴蝶机构设计

为了设计一种实用的仿生蝴蝶飞行器,本研究分析了仿生蝴蝶的高升力机理,认为大涡环的形成、前缘涡形成的位置和飞翼下拍过程中的高升力是3个关键因素,并基于分析结果设计了仿生蝴蝶的机构。研究结果表明:仿生蝴蝶具有蝴蝶的形状和巧妙的可移动后翼,通过蝴蝶翅膀形状结构的仿生和电机转速的变化产生大涡环保证仿生蝴蝶飞行时的大升力;通过仿生蝴蝶的机械结构设计,使仿生蝴蝶翅膀在下拍过程中获得更大的升力;同时仿生蝴蝶质心可调,前缘涡有利于增大升力,从而实现垂直升降。

仿生蝴蝶摆动驱动结构的研究

使用介电弹性体(DE)薄膜设计了摆动驱动器(DESA),实现摆动运动。设计了同面积不同形状和同形状不同面积的DESA,探究了不同器件结构对DESA摆动驱动性能的影响。结果表明,在同面积的正方形、长方形和等腰三角形中,等腰三角形的最大摆动角度最大;不同面积的等腰三角形中,适中面积的等腰三角形最大摆动角度最大。选取了结构优化的DESA,制作了仿生蝴蝶摆动驱动器,为DESA的设计与应用提供指导。

仿生蝴蝶飞行器设计分析

面向仿生飞行器未来在地外探测上的潜在应用,提出了一种仿蝴蝶扑翼飞行器的整体设计与制造方案。构思并设计了一款结构相对简单的舵机驱动式双驱扑翼飞行器,并对其做出一系列优化。首先对研究对象进行了概念设计。为了方便实验探究,基于自由度理论设计了一种结构简单,自由度高的仿蝴蝶扑翼微飞行器,并基于飞行器的飞行原理设计了姿态控制方案。利用一系列自行设计的加工工艺,制造组装出整机后,通过实验平台对扑翼微飞行器的飞行状态进行测试,并结合高速摄像机对比观察升力与翅膀运动规律的关系。该仿蝴蝶扑翼飞行器由舵机直驱,翼展为49.8 cm,机身总长37.9 cm,整机重量为32.2 g。测得该飞行器的升力为0.272 N,拍打频率在1.1 Hz左右,最大拍打角为136°。