仿生機械鶴的機械機構(gòu)設計及運動仿真【含Creo三維及6張CAD圖帶開題報告-獨家】.zip,含Creo三維及6張CAD圖帶開題報告-獨家,仿生,機械,機構(gòu),設計,運動,仿真,Creo,三維,CAD,開題,報告,獨家 機械鶴的機械機構(gòu)設計及運動仿真 Mechanical structure design and motion simulation of mechanical crane 摘 要 仿生學的不斷進步發(fā)展和材料技術(shù)不斷突破，我們能夠模仿動物的運動，向大自然學習服務人類。仿生機械鳥在礦井救災、搶險救援、有毒環(huán)境和日常生活中有較好的應用。近年來，研究人員在撲翼飛機的研究和制造方面取得了很大的進展。世界上有許多撲翼飛機，但仿生學的程度仍然相對較低。通過學習和研究,我們選擇使用的對稱搖桿機構(gòu)實現(xiàn)機翼的運動,機構(gòu)利用Pro / E的三維建模、運動仿真分析,基于相關(guān)的原型測試,驗證機構(gòu)的可行性和合理性。 關(guān)鍵詞：仿生學 撲翼飛行器 五桿搖桿機構(gòu) 空氣動力學 仿生機械鳥 三維建模 ii Abstract With the development of bionics and the development and expansion of material power technology, human beings can better imitate the movement of biology, learn from nature, and serve mankind better.Bionic mechanical birds have better application in mine rescue, rescue, toxic environment and daily life.In recent years, researchers have made great progress in the research and manufacture of flapping wing aircraft.There are many flaps around the world, but the degree of bionics is still relatively low.Through the study and research, we choose to use the symmetry of rocker mechanism to realize the movement of the wings, using Pro/E 3 d modeling, motion simulation analysis, based on relevant prototype test, the feasibility and rationality of authentication institutions. KEY WORDS: Bionics Flapping wing aircraft Five-bar rocker mechanism Aerodynamics Biomimetic mechanical bird 3d modeling 目 錄 摘 要 i Abstract ii 1引 言 2 2仿生撲翼飛行器簡述 5 2.1仿生撲翼飛行器優(yōu)缺點 5 2.2仿生撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)組成 5 3仿生撲翼飛行器的原理和設計 6 3.1飛行器的飛行原理 6 3.2機構(gòu)原理性設計 7 3.2.1翅膀撲翼飛行設計 7 3.2.2頭尾部搖擺設計 8 4仿生撲翼飛行器的參數(shù)選擇 13 4.1動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇和計算 13 4.1.1下表是幾種撲翼飛行器的飛行頻率 13 4.1.2齒輪的選用 13 4.1.3電機的選用 14 4.2飛行器機身尺寸的確定 14 4.3機翼五桿機構(gòu)的設計和計算 15 4.3.1機構(gòu)簡圖 15 4.3.2實物模型設計 17 4.3.3三維實體設計 17 4.4翼型設計 18 4.5蒙皮工藝 19 5提升機構(gòu)和推動機構(gòu) 20 6三維建模 21 7結(jié) 論 25 8致 謝 26 9參考文獻 27 28 1 引言 機械鶴的仿真運動是基于鶴的運動和飛行器的研究基礎之上進行的，主要研究內(nèi)容： (1)機翼的骨架復合四桿連桿機構(gòu)的設計。復合四桿聯(lián)桿機構(gòu)的制作是此次的重中之重，通過此種結(jié)構(gòu)的撲翼飛行器就可以模仿鳥的翅膀的擺動。 (2)機翼彈性機構(gòu)的設計。這個機構(gòu)是為了實現(xiàn)翅膀外翼的相對變形，以便能夠產(chǎn)生向前的推進力。另外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)飛行還需要解決骨架材料的問題，鉸接部件的結(jié)構(gòu)設計，這些都需要較輕的質(zhì)量和較強的強度。 仿生學的不斷進步發(fā)展和材料技術(shù)不斷突破，我們能夠模仿動物的運動，向大自然學習服務人類。像鳥一樣的自由飛翔是人類幾千年來的夢想，最近幾年科學在撲翼飛行器的制作和研究方面有了很大的進展，目前世界上已出現(xiàn)了種類繁多的撲翼飛行器，但是其仿生程度仍然很低。仿生撲翼飛行器是區(qū)別于固定翼飛行器、旋轉(zhuǎn)翼飛行器的另一類飛行器，其飛行原理直接來自自然界的鳥類的飛行方式。與固定翼和旋轉(zhuǎn)翼相比具有明顯的優(yōu)勢。由于它的種種優(yōu)點使其具有了很高的使用價值以及實用價值，在無人偵察方面可以做到高度的隱蔽性，前途更加廣闊?，F(xiàn)階段世界上出現(xiàn)了多種多樣的“節(jié)拍飛機”，但其模仿程度仍然是較低的。 圖1-1微型撲翼無人機 圖1-1是美國軍方最新研制出的撲翼無人機，這種無人機體積小，表面采用了防反射材料，類似于隱形戰(zhàn)斗機的隱蔽原理，隱蔽性強。全身使用了碳纖維材料，保證了重量足夠輕，才能使得遠距離飛行，在軍事方面有著獨特的表現(xiàn)。 圖1-2 德國費斯通智能機器鳥 圖1-2為德國Festo公司的仿生撲翼鳥飛行器在展覽會上展出，此次展出在業(yè)界內(nèi)引起了巨大的轟動，此種撲翼鳥可以說幾乎完全破解了鳥類的飛行動作，足可以與真鳥媲美。撲翼鳥采用具有劃時代的設計，全身骨架采用了碳纖維材料，獨特的算法使得它的自動化程度更高，更加的智能化，它的翅膀機翼在機構(gòu)的帶動下能夠做上下拍動，同時也可以按照一定的角度扭轉(zhuǎn)，這些獨具一格的設計使得這只重量及其輕的機器鳥具有很高的靈敏度。 2 仿生撲翼飛行器簡述 2.1仿生撲翼飛行器優(yōu)缺點 機械鶴撲翼飛行器是一種模仿鳥類飛行動作，在仿生學原理的基礎上設計制造的一種比較先進的飛行機器。如果此類類輕巧的飛行制成功，那么與其他固定翼飛行器和旋翼飛行器相比，它便具有了獨特的亮點：只需要很小的起飛場地或者甚至能夠達到原地起飛。它具有三合一的功能，即將升高、懸停和推進功能集中在了一個算法系統(tǒng)之中，這樣就可以用很小的能量進行長距離飛行，所以更適合于長時間無能源補充及遠距離戶外條件下執(zhí)行特殊任務。 雖然仿生撲翼飛行器具有以上特殊的優(yōu)點，但是目前材料方面的技術(shù)限制了它的發(fā)展，使其無法負擔起高強度的戶外飛行任務，也沒有辦法在惡劣險峻的環(huán)境下正常平穩(wěn)的去工作。 2.2仿生撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)組成 仿生撲翼鳥飛行器的研究涉及到許多的學科知識，例如，空氣動力學 、仿生學 、微電子學 材料科學 、流體力學以及微傳感器 、 控制器等領域 ,是一門多學科交叉在一起的的綜合型研究題目 ,如果能夠?qū)崿F(xiàn)它的研究成功，除了需要克服自身的問題 而且還要能夠?qū)ζ渌嚓P(guān)技術(shù)領域的發(fā)展起到積極推動作用 。到現(xiàn)在仿生撲翼飛行器研究現(xiàn)狀還處于不斷的探索發(fā)現(xiàn)過程中，需要我們堅持不懈的去研究。 另一方面撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設計 ,不能過于對復雜機構(gòu)的投入研究 ,而應該把注意力集中在使用多個簡單的機械結(jié)構(gòu)元件結(jié)合在一起以完成復雜的撲翼動作 。這樣的話就會產(chǎn)生了新的麻煩，用機械結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)撲翼飛行器的復雜運動模式具有極大的難度 ，但是這也不是唯一的決定性因素,關(guān)鍵在于我們要去不斷的嘗試與探討去發(fā)現(xiàn)問題解決問題。 3仿生撲翼飛行器的原理和設計 3.1飛行器的飛行原理 飛行原理可以分為三大類：第一類是根據(jù)牛頓第二定律，即作用力與反作用力，包括固定翼、旋轉(zhuǎn)翼、撲翼飛行器等；第二類是阿基米德原理，如各類滑翔傘，熱氣球；第三類是根據(jù)動量守恒定理飛行的，如火箭，宇宙飛船等。 由上面的可以了解到飛行器的動力來自于空氣對飛行器機翼的反作用力。正如我們所知熱氣球能夠上升的主要原因是因為空氣對它豎直向上的浮力大于它本身的重力。如果想要要前進必須還得有一個水平的推力，這樣熱球球才能完成基本的飛行。再比如一般的民航飛機，一般由兩臺發(fā)動機提供水平的推力，機翼在高速氣流的作用下通過流過機翼的上下壓強差產(chǎn)生升力，再如直升飛機，由引擎提供升力，螺旋槳與水平面的夾角產(chǎn)生的分力作為推力。 由以上可知，撲翼機必須在同一時刻獲得空氣對其在水平和豎直方向上的反作用力，那就是推力和升力，才能完成最基本的飛行動作。 3.2機構(gòu)原理性設計 3.2.1 翅膀撲翼飛行設計 此次設計研究對比發(fā)現(xiàn)選擇四桿五接頭較好，如圖3-2所示。五桿連桿機構(gòu)是大多數(shù)機械鳥飛行器所采取的相似機構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本制作低廉而且制作相對來說很簡單。但是這種結(jié)構(gòu)也有一個致命的缺點就是在運動過程中左右運動不對稱，并且會在運動過程中產(chǎn)生劇烈的振動，隨著轉(zhuǎn)動頻率的不斷增加，振動頻率也會增加，這樣會導致飛行過程中的搖晃造成機身不穩(wěn)定。 圖3-2非同步撲撲翼機構(gòu) 圖3-3雙曲柄搖桿撲翼機構(gòu) 圖3-3為雙曲柄搖桿撲翼機構(gòu)，這種機構(gòu)能夠保證左右機翼同步運動，因為具有及其的對稱性，該機構(gòu)在撲翼飛行器的設計中具有著廣泛的應用。 本設計將采用該種機構(gòu)作為機翼的驅(qū)動機構(gòu) 3.2.2 頭尾部搖擺設計 頭部搖擺實現(xiàn)機構(gòu) 為了能夠?qū)崿F(xiàn)模擬鳥類頭部搖擺動作的姿態(tài)，采用曲柄搖桿機構(gòu)和曲柄滑塊搖桿機構(gòu)。 該機構(gòu)是由兩個微型直流舵機分別控制兩個曲柄搖桿機構(gòu)組成，通過控制舵機1的正反轉(zhuǎn)使得6（滑塊）在5（帶槽曲柄）內(nèi)滑動，7（接頭）通過銷連接來控制頭部的上下運動即鶴的俯仰頭動作，舵機2左右轉(zhuǎn)動帶動曲柄做循環(huán)圓弧運動使得頭部左右運動，如圖3-4(a)所示。 運用Pro/E仿真軟件對頭部搖擺機構(gòu)進行模擬分析，舵機帶動曲柄轉(zhuǎn)動，當曲柄向左轉(zhuǎn)動，搖頭支架向上擺動；另一舵機左右運動使得機構(gòu)頭部左右搖動；其連接處都采用了鉸鏈接，保證了其順滑度；其頭部的位置、速度、加速度等運動過程分析圖如圖3-4(b)所示。經(jīng)過查閱仿真學資料得知機械鶴的頭部左右最大擺動角度為120°，上下最大擺動角度為20°為最適宜。其中圖3-4（b）（1）為頭部上下的擺動位置，速度，以及加速度曲線圖。圖3-4（b）（2）為頭部左右的擺動位置，速度，以及加速度曲線圖。我們可以很清晰的看出來他們的幅度。 7 6 5 4 3 2 1 1-舵機 2-舵機 3-曲柄 4-頭部 5-帶槽曲柄 6-滑塊 7-接頭 圖3-4（a） 頭部擺動機構(gòu) （1） (2) 圖3-4(b)頭部運動分析 由仿真數(shù)據(jù)圖得知，圖3-4（c）中黃色軌跡線為頭部連接俯仰的運動軌跡。電機帶動曲柄轉(zhuǎn)過20°的弧度，使得頭部鏈接轉(zhuǎn)過56°的角度。由弧長公式 得頭部俯仰弧長L=2πrn/360°=2*π*16*0.15=15mm。 圖3-4（c）頭部運動分析 （3）尾部變向?qū)崿F(xiàn)機構(gòu) 在設計的過程中為了使機械鳥能夠?qū)崿F(xiàn)像鳥那樣自由自在的飛翔，實現(xiàn)其基本的上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的動作。此次將機械鳥的尾部設計成船尾舵的形式，可以改變尾舵的方向來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。采用了曲柄搖桿機構(gòu)；在搖桿處設置兩個個微型的舵機4直接帶動曲柄桿3，曲柄桿3又與連桿2相鉸接，帶動尾部左右擺動。通過控制舵機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)左右偏擺的功能，達到了模擬鳥類飛行的轉(zhuǎn)向功能，如圖 3-5（a） 所示。 運用 Pro/E 軟件仿真對尾部變向機構(gòu)模塊模擬運動分析如圖圖3-5（b） ，尾部的最大擺動角為120°，以防尾部擺動過度，失去飛行穩(wěn)定，可以通過控制舵機正反轉(zhuǎn)的角度大小來避免這一問題。 3 2 4 1 1-尾部 2-連桿 3-曲柄 4-舵機 圖3-5（a） 尾部變向機構(gòu) 圖3-5（b） 尾部變向機構(gòu)函數(shù)圖 圖3-5（c）尾部運動分析 在仿真圖中設置舵機的旋轉(zhuǎn)角度為120°，連接舵機的曲柄長度r=13mm,由弧長公式： 得曲柄軌跡弧長L=27mm. 又連桿的旋轉(zhuǎn)原點與尾部的旋轉(zhuǎn)原點是同一點，所以兩者的旋轉(zhuǎn)角度一樣，為46°。 由以上公式得： 尾部擺動弧長L=154.87mm. 4仿生撲翼飛行器的參數(shù)選擇 4.1動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇和計算 4.1.1下表是幾種撲翼飛行器的飛行頻率 表4-1 各種飛行器的機翼扇動頻率 項目 頻率 鶴 2Hz 德國智能鳥 1.53Hz 直翼海鷗模型 1.7Hz ASN211撲翼無人機 4Hz 仿昆蟲撲翼機 5Hz 在此參考鶴飛行頻率得出本設計中飛行器的設計頻率：2Hz。 4.1.2齒輪的選用 材料的選型是其成功的因素之一，齒輪的材料必須是輕質(zhì)材料，而且必須有一定的強度，很好的耐磨性。經(jīng)過查閱資料顯示塑料齒輪具有金屬齒輪所缺乏的自潤滑，重量輕，低噪音等優(yōu)點。 選擇了一對齒輪作為曲柄圓齒輪，模數(shù)0.8，齒數(shù)Z1=67； 配一個雙聯(lián)齒輪，連接電機和曲柄圓，模數(shù)0.8，Z2=80； 電機齒輪模數(shù)0.8，Z3=20； 圖4-1減速齒輪組結(jié)構(gòu)圖 圖4-2 減速齒輪組三維圖 4.1.3電機的選用 由表4-1得出選用翅膀的頻率為2Hz,齒柄圓齒輪的轉(zhuǎn)速N=60f=120r\min； 齒柄圓齒輪與雙聯(lián)齒輪間的傳動比i1=67\80=0.8375； 雙聯(lián)齒輪與電機齒輪傳動比i3=67\20=3.35； 得出電機的轉(zhuǎn)速n=120*0.8375*3.35=336.7\min； 這里我們選用標準的500r\min的航模電機； 其他舵機就選用一般的航模舵機，能夠保證其位置的精度。 4.2飛行器機身尺寸的確定 查找資料表明，合理的軀體比例是成功的原因之一，機械鶴的軀體與真鶴的軀體尺寸相似，通過一只成年的鶴的尺寸得出 翼展： 1400mm—1700mm 機身長度： 700mm 機翼寬度： 234m 圖4-2 軀體展開圖 4.3機翼五桿機構(gòu)的設計和計算 4.3.1機構(gòu)簡圖 此次機械結(jié)構(gòu)仿真設計中的的最大難點之一就是能夠設計出跟鳥類折翼的運動相似的機械機構(gòu)，通過學習和查閱資料研究發(fā)現(xiàn)，提出了如下圖所示的由曲柄搖桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)復合而成的五桿機構(gòu)。在這個機構(gòu)中桿2、桿4、桿5和機架組成的曲柄搖桿機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)主翼的上下擺動用來給主體提供向上的升力。桿2、桿3、桿4組成雙搖桿曲柄機構(gòu)，這個機構(gòu)相對曲柄四桿機構(gòu)中的連桿做相對運動。 運動機構(gòu)簡圖： 機架 桿5 桿4 桿3 桿2 桿1 圖4-3(a) 曲柄搖桿復合雙搖桿機構(gòu) 圖4-3(b)機翼五桿機構(gòu)運動示意圖 由圖4-3（b）知，主運動齒輪帶動曲柄做連續(xù)的圓周運動，相應的通過桿傳動使得主翼桿做擺線運動，轉(zhuǎn)動的角度為38°，也即是翅膀機翼所能達到的最大幅動角度。圖中黃色線為主翼桿和副翼桿的運動軌跡線。 由三角函數(shù)關(guān)系式得出: 弧長L=201.5mm. 4.3.2 實物模型設計 圖4-4 實物模型設計中的機翼五桿機構(gòu) 4.3.3 三維實體設計 圖4-5 三維設計中的機翼五桿機構(gòu) 4.4翼型設計 在這次的設計中撲翼飛行器機翼的外形輪廓是撲翼鳥的飛行性能以及飛行穩(wěn)定性的保證，參照仿生學以及流體力學機翼的外形設計成了流線型，機翼上部較為陡峭，底部較為平滑，這樣做的目的為了產(chǎn)生一個壓強差，使得鳥能夠起飛，另一個目的是為了能夠使得機翼附近的空氣能夠有規(guī)律的流動不紊亂，保證飛行器的穩(wěn)定性。 圖4-6 主翼翼型 從圖4-6可以看出主翼翼型參考飛機機翼翼型設計，圖中有兩個圓孔，大孔起到主固定的作用，小孔是把其他的機翼連接在一起，防止傾斜變形。下方的開孔是五桿機構(gòu)中的連桿運動的地方。其他側(cè)面采用了三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，既減輕了重量，又保證了其穩(wěn)定性。 圖4-7 外翼翼型 4.5蒙皮工藝 材料的選擇涉及到仿生撲翼飛行的整個過程中，設計過程中的重量、強度、剛度、韌性等要求都與材料密切相關(guān)。在設計的過程中，我們必須綜合考慮飛行器的結(jié)構(gòu)特性、運動特性及機構(gòu)制作的工藝特性要求來選擇最適合的材料，蒙皮材料必須足夠輕，但是又要有足夠的韌性，抗腐蝕，抗氧化，抗折皺等。為保證整體重量足夠輕，且機翼有一定強度，整個骨架的設計都采用了碳纖維管。 5提升機構(gòu)和推動機構(gòu) 提升機構(gòu) 圖5-1折翼 主翼運動過程中，在循環(huán)往復運動過程中所遇空氣阻力的不同，產(chǎn)生一個向上的阻力和，該阻力和就是升力使得飛行器能夠在空中飛行。 推動機構(gòu) 圖5-2外轉(zhuǎn)翼 副翼隨著外翼的一起上下轉(zhuǎn)動一定的角度，由上圖仿真數(shù)據(jù)圖可知，副翼的端部隨著翼桿的上下擺動能夠做不規(guī)則的橢圓運動，從而產(chǎn)生推力使得飛行器向前飛行。 6三維建模 圖6-1主視圖 從主視圖來看機械鳥飛行器的機翼長度比較長，這是為了能夠提供足夠的升力，但同時也增加了重量，所以如何找準其中的平衡是很關(guān)鍵的。通過算法得知，每次翅膀停止扇動時 都會停留在此時的位置。目的是為了在下降時不至于俯沖過快，直接撞擊在地上，損壞機體。 圖6-2 俯視圖 從俯視圖來看，機翼的寬度長度不一，到翼尖時就很窄，原因是主翼起到了升力的作用，所以必須要達到一定的寬度，外翼起到轉(zhuǎn)向的功能，轉(zhuǎn)的角度不同就會產(chǎn)生左右不平衡的扭矩，也就能轉(zhuǎn)向了。 圖6-3左視圖 腿部的仿生結(jié)構(gòu)參考了鶴的腿的生理結(jié)構(gòu)，上部向前產(chǎn)生一定的彎曲度，比較沒有彎曲的來說增加了穩(wěn)定性，飛行時腿部能夠收起，類似飛機的起落架一樣。 圖6-4 軸測圖 圖6-5驅(qū)動機構(gòu)圖 7　結(jié)論 此次課程設計中選擇從機械結(jié)構(gòu)學和仿生學兩個角度設計和模擬了鳥翅膀的運動。首先參照鳥的外形來確定機架的大致外形結(jié)構(gòu)，通過研究鳥類的翅膀運動軌跡選擇復合五桿機構(gòu)作為機翼的骨架，曲柄搖桿機構(gòu)和齒輪機構(gòu)組合的方式，使得飛行才能夠完成。這種機構(gòu)最獨特的優(yōu)勢是驅(qū)動機構(gòu)使翅膀的運動更到位和精準,并且參數(shù)也可隨時調(diào)制,可以為大型鳥類撲翼機構(gòu)的設計提供參考 8致 謝 最后，大學四年的生活以這次的畢業(yè)設計結(jié)束。從一開始的課題篩選到最后的圓滿完成，整個過程中得到了XXX老師的耐心指導。我從老師身上獲得了很多的理論知識，她悉心的指導著我一步步完成畢業(yè)設計，每當我有新的麻煩她總會給與我最合適的指導。其中平易近人，寬以待人的風格令我格外欽佩。 在經(jīng)過了將近兩個月的不懈努力，我終于在最后時刻完成了論文的文字寫作部分。從最初的論文題目選擇到機械結(jié)構(gòu)的運動仿真實現(xiàn)，再到論文主體部分的完成，其中的任何一步對我來講都是一次新的嘗試，機遇與挑戰(zhàn)。在這期間里，熬了幾個通宵趕圖，每當夜深人靜的時候我都會迸發(fā)出許多靈感，白天想不出開的夜晚都能豁然開朗。以前很多不知道的知識點都在學習的過程中一一解決，如何去做試驗，上哪去查找相關(guān)的書籍資料，慢慢的從一開始的毫無頭緒到最后的作品完成，其中的過程只有自己能體會。 　　可能我的論文寫作方面還很有待提高，還有很多不合理的地方需要我去認真去修改。這次做論文的經(jīng)歷使我終身受益。任何一件事如果想要成功達到你所要的結(jié)果,那就是需要我們用一顆真真切切的心去做，論文亦是如此。如果我們沒有自己的深入的學習過程就一定不會有去認認真真研究的想法，就不會有所突破，我希望這次的畢業(yè)論文經(jīng)歷是對我大學四年的最后檢驗，也讓我在以后學習中激勵著我繼續(xù)前進。 9參考文獻 [1] 周凱 , 方宗德 , 曹雪梅 , 張明偉著.單曲柄雙搖桿撲翼驅(qū)動機構(gòu)的優(yōu)化設計. 西安. 航空動力學報2008 [2] 崔曉峰，魏瑞軒，周新立，邵苗，黃建華著.仿鳥撲翼飛行器建模分析.西安. 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