仿生飞行器的研究进展--昆虫飞行机理的实验研究

昆虫经过了漫长的进化过程，获得了令人惊叹的飞行技巧，其高度的飞行灵活性是任何现有的飞行器无法比拟的；如一只普通的家蝇能倒着起飞、侧飞、倒着降落，并能携带两倍于自身重量的物品。早在19世纪初科学家们就开始了仿生飞行器的研究，所以搞清楚昆虫的飞行机理是非常必要的。通过综述昆虫飞行机理的实验研究进展，提出了一些现有研究方法的缺陷，希望对进一步的研究有所帮助。     

一种攻角可调的双段翼仿生扑翼飞行器设计

基于机械设计技术与仿生学原理及空气动力学原理设计出一种可调节攻角的仿生双段翼扑翼飞行器.以无刷直流电机作为原动机,经过三级直齿轮减速器减速后,带动曲柄摇杆机构实现扑动动作,通过翅骨架上的舵机并配合各种传感器可在飞行过程中实时调节攻角.该仿生扑翼飞行器可以集起飞、加速、滑翔降落等飞行方式于一体,飞行方式灵活,仿真度高,隐蔽性好,续航时间长,在军事和民用等领域有着广阔的应用前景.     

仿鹰扑翼飞行器设计及多飞行模式的实现

现有仿生扑翼飞行器大多针对单一飞行模式进行设计与研究,无法实现复杂多变的飞行姿态。文中根据鹰的飞行特性,以空间RSSR机构和多连杆机构为出发点,设计了一种扑动-折叠-扭转的仿鹰扑翼机构,以实现多飞行模式。首先,通过鹰的仿生学研究,根据总体设计目标提出多飞行模式扑翼飞行器功能设计要求;其次,基于XFLR5建立了多飞行模式扑翼的气动力模型,分析了起飞、巡航、降落3种典型飞行模式下的翅翼气动力的变化规律;最后,根据飞行参数建立了机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑翼在不同飞行模式下的运动变化规律及翼尖轨迹曲线。证明该扑翼机构具有良好的仿生运动特性和气动特性,为多飞行模式微型扑翼飞行器提供了设计参考。     

仿生水下机器人三维力测试系统研究

针对微小型仿生水下机器人的流体动力学测量,研制了一种新型的三维力测试系统。在分析微小流体力测试系统功能需求的基础上,设计了基于S型拉压力传感器的测试系统机械结构和信号处理系统。分析了该测试系统存在的主要误差源,建立了系统误差模型,通过实验方法对误差模型进行了标定和补偿,数据测试结果表明补偿后的测量精度误差0.9%。该三维流体力测试系统为仿生水下机器人的流体力学实验研究提供了一种重要测量装置。     

压电宏纤维驱动的仿生尾鳍微推进力测量系统

提出了用于压电宏纤维(macro fiber composites,简称MFC)驱动的柔性仿锦鲤尾鳍推进力动态精密测量的悬臂式微推进力测量系统。基于矩形截面悬臂梁的纯弯曲和扭转变形理论,首先,提出微推进力测量构件的设计指标,其弯曲刚度实验标定结果与设计指标基本吻合,水下稳定摆动测试结果表明,MFC驱动的柔性仿生尾鳍在激励频率7,8 Hz时分别取得最大摆幅峰峰值5.08 mm和最大摆速104.3 mm/s;然后,开展了柔性尾鳍在最大摆幅及最大摆速状态下产生的微推进力动态测量实验,结果显示柔性尾鳍产生的推进力在一个稳定摆动周期内出现两次波峰起伏,且存在着时间占比不同的推进和拖拽两种状态。结果表明,最大摆速状态下,柔性尾鳍稳定摆动过程在65.6%的周期内为推进状态,产生的瞬时最大推进力和拖拽力分别为6.26和-2.50 mN,数值积分得到的周期平均推进力为1.90 mN,而柔性尾鳍最大摆幅状态下产生的平均推进力为0.26 mN。所提出的柔性仿生尾鳍及微推进力精密测量系统的具有较好的参考作用。     

扑翼型机器鱼的建模及实现

把昆虫和鸟类的翼在空中张合和鱼的胸鳍在水中摆动进行类比,结合水下扑翼型推进鱼的原型,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料加入扑翼飞行器实现机器鱼的水下复合推进.设计利用曲柄摇杆机构实现扑翼运动,使用弹簧作为连接胸鳍与舵机的力传输元件,有效降低能量损耗;在尾部的沉浮舵通过拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉.实验证明,这种机器鱼实现了预期的扑翼形式.     

仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化

提出了微扑翼机构翅翼的共振激励放大驱动机理及其对翅翼的振动模态要求,并依据该机理用有限元方法研究了微扑翼飞行器的仿生翼设计和优化问题。通过对3种仿昆虫翅翼的模态分析,总结出能够满足共振激励要求的翅翼外型和翅脉布局,建立了参数化的自定义仿生翼模型。在此基础上,以翅翼的展弦比和翅脉关键点的坐标为主要参数,使用有限元优化方法,对仿生翅翼的模态优化进行了初步探讨。文中的建模、分析方法和结论对微扑翼飞行器的分析、设计和应用提供了一定的理论依据。     

仿昆微扑翼飞行器三维整体设计及制造

MEMS技术在毫米尺度制造中站主导地位,然而在厘米尺度甚至更大尺度下的机构仍是使用许多传统方法制造的,在毫米至厘米尺度范围内存在的介观尺度的器件仍难以制造。针对在这种尺度内的仿生微扑翼飞行器和其复杂微小结构极难手工装配的制造工艺问题,提出了一种三维整体结构的多功能制造方法,即由包含刚性层和柔性层的多片图案化碳纤维层在多个选定的位置处进行叠置和粘结,形成具有多个层间粘结的层压结构,并且在这种层压结构中刚性层之间的柔性层可以挠曲伸展成三维结构。使用这项工艺方法,制造出了一架重约100mg的可从平面结构伸展成三维结构的精密型微扑翼飞行器,研究结果验证了该种设计方法及工艺流程的可行性和有效性,为微扑翼飞行器在工业上规模化制造商提供了崭新的途径和指导意义。     

微型旋翼飞行器飞行控制系统设计

微型飞行器(MAV)是一项包含了多种交叉学科的高、精、尖技术,是集微机械、电子、高性能数字计算机于一身的微机电系统.在民用,特别是在军事领域应用具有深远的意义.针对双旋翼式MAV,根据其飞行动力学特点,以微直流电机锂电池驱动为动力,单片机为控制核心,采用遥控加脉宽调制控制方式,实现了微风条件下微型飞行器的起飞、悬停、前后飞行和降落整个过程的飞行,为微型飞行器的进一步研制打下了良好的基础.     

微拉伸系统中微弹簧力学传感器的研究

研究应用于薄膜力学微拉伸测试系统的微弹簧力传感器.在单轴薄膜微拉伸系统的基础上,通过有限元模拟分析,研究以S型弹簧为结构基础的微弹簧力传感器.根据模拟结果,利用高精度线切割和UV-LIGA(Ultraviolet Lithographie GalVanoformung Abformung)技术制备出微弹簧力传感器,并在自制装置上进行标定.标定结果表明,由负胶工艺制备的自由式微弹簧力传感器有良好的线性,而且与Ansys模拟的弹性系数结果一致,为微拉伸测试系统提供良好的条件.     

Direct measurement of tapping force with a cantilever deflection force sensor

An experimental set up dedicated to the measurement of atomic force microscope tapping force was developed. In the set-up, a standard TappingMode™ probe cantilever was used to tap another cantilever equipped with its own low noise and high sensitivity deflection detection system for force measurement. The amplitude and phase change of the tapping lever as well as the deflection of the sensing lever were simultaneously recorded as a function of tip/surface separation. Since the deflection of the sensing cantilever reflects the average force over one interaction cycle, we measured the total average force quantitatively after calibrating the spring constant and deflection sensitivity of the sensing lever. Considerable effort was made to achieve the same force curve in the tapping force measurement as occur during imaging of conventional samples such that the detected tapping force reflects the same interaction of the imaging process.     

基于虚拟样机技术的四足机器人结构设计

四足机器人属仿生机器人,产品设计要经过周而复始的设计-实物试验-再设计过程,才能达到要求的性能。本文采用虚拟样机技术对四足机器人进行结构设计,通过在虚拟样机系统中加入零件的物理信息(如材料种类、密度、关节摩擦,接触力等),在ADAMS环境下,对虚拟的四足机器人进行运动仿真。仿真试验发现机器人膝关节所受冲击力过大,因此改进方案,重新设计腿部结构。改后结构的仿真试验表明:新结构明显的减小了机器人运动中所受的冲击力,体现了虚拟样机技术在四足机器人结构设计与功能模拟一体化,便于提出优良设计方案的优势。     

无人直升机六足式起落架设计与控制算法

无人直升机在作战、巡逻、反潜、救援、运输中发挥极其重要的作用,但是传统起落架形式对起降环境要求较高。针对复杂地形自适应起落、恶劣海况舰面起降和停放以及应急坠撞高生存力等问题,提出了一种基于多连杆机构设计的无人直升机仿生腿式起落架系统,并完成了控制算法研究和建模仿真。首先从仿生腿数量、分布形式、腿部自由度配置和需要完成的功能等方面对仿生腿式起落架机械构型进行分析,并完成了六足式起落架运动学和动力学分析。然后针对仿生腿式起落架自适应着陆过程,完成着陆缓冲和地形建模算法的研究。最后,基于控制算法搭建虚拟样机仿真模型,完成了多种地形的仿真分析和样机测试。研究结果表明,所设计的仿生腿式起落架结构和控制算法可完成动态自适应着陆,实现着陆过程的平稳缓冲。     

宏压电纤维致动的水下推进器性能及机理

提出了一种宏压电纤维复合材料(macro fiber composite, 简称MFC)致动的仿鲹科身体/尾鳍(body or caudal fin,简称ＢＣＦ)水下推进器。利用搭建的实验平台测试了不同驱动电压条件下推进器的摆动性能,推进器在峰峰值为1 000 V,频率为17.7和3 Hz的激励电压下分别取得空气中最大摆幅峰峰值为45 mm,水下最大摆幅峰峰值13 mm。借助计算流体力学(computational fluid dynamics,简称ＣＦＤ)研究了仿生推进器在稳定摆动过程中流场特性和尾迹旋涡的分布情况,从推进器端部观察到的“反卡门涡街”结构揭示了仿生推进器的流体动力学机制和摆动式推进机理。推进器端部在x方向上的平均推进力可达1.5mN。研究成果对压电纤维致动器在仿生推进器的优化设计和提高其推进效率提供技术支持     

基于接触理论的弹簧管刚度测量技术的研究

本文研究了弹簧管头部与夹具孔间的接触变形对弹簧管的刚度测量精度的影响，基于Hertzian接触理论建立了接触模型及其误差分析模型。首先，给出弹簧管刚度测量原理和测量中的受力分析，然后，将测量力引起的接触力简化为均匀线分布后建立接触模型，最终建立测量误差和接触变形的量化关系。通过理论分析和实验验证，接触变形直接降低了测量精确度并增大了测量的不重复性误差。     

飞行汽车项目促进模块化垂直起降运输无人机的发展

长期以来,美国十分重视无人航空器的发展。受“飞行吉普车”项目的启发,洛克希德·马丁公司推出了一种融合复合直升机技术和无人机技术的模块化运输型无人机概念。本文就飞行汽车项目在模块化垂直起降运输无人机发展中的应用分析。     

腱传动仿人手指机构的设计与分析

为了解决仿人多自由度手指机构结构复杂的问题,提出了一种基于欠驱动原理的腱传动机构,介绍了该机构的具体实现方法,主要包括手指结构设计、关节及其转角分析、扭簧设计、电机功率计算、位置/力传感器选择和自动控制系统设计等内容,在对三维模型进行分析的基础上,设计制造出了一个手指实物模型.运动试验结果表明,该手指实物模型具有结构简单的特点,能够通过弯曲和张开动作实现物体抓取.     

Observation of Slider Landing Process in Hard Disk Drive

With the decrease in slider flying height, slider flying instability caused by slider–disk interactions is becoming a big concern. Novel technology has to be employed to further improve our understandings about slider–disk interaction. In this work, a slider flying height-attitude testing (3D) system was employed to study slider–disk interaction during a slider landing process to demonstrate its capability for the application. It is shown that great details of slider–disk interactions and subtle variations of the slider flying attitude during the landing process can be revealed with the 3D system. Slider dynamic flying height and attitude (pitch and roll angles) during the landing process can be determined from the data recorded in one test. Furthermore, analysis in frequency domain can be done not only on flying height, but also on pitch and roll angles directly. It is found that the slider landing process can have different stages during which slider performance and characteristics of slider–disk interaction are different.     

New nonlinear stiffness actuator with predefined torque‒deflection profile

A nonlinear stiffness actuator (NSA) could achieve high torque/force resolution in low stiffness range and high bandwidth in high stiffness range, both of which are beneficial for physical interaction between a robot and the environment. Currently, most of NSAs are complex and hardly used for engineering. In this paper, oriented to engineering applications, a new simple NSA was proposed, mainly including leaf springs and especially designed cams, which could perform a predefined relationship between torque and deflection. The new NSA has a compact structure, and it is lightweight, both of which are also beneficial for its practical application. An analytical methodology that maps the predefined relationship between torque and deflection to the profile of the cam was developed. The optimal parameters of the structure were given by analyzing the weight of the NSA and the mechanic characteristic of the leaf spring. Though sliding friction force is inevitable because no rollers were used in the cam-based mechanism, the sliding displacement between the cam and the leaf spring is very small, and consumption of sliding friction force is very low. Simulations of different torque‒deflection profiles were carried out to verify the accuracy and applicability of performing predefined torque‒deflection profiles. Three kinds of prototype experiments, including verification experiment of the predefined torque‒deflection profile, torque tracking experiment, and position tracking experiment under different loads, were conducted. The results prove the accuracy of performing the predefined torque‒deflection profile, the tracking performance, and the interactive performance of the new NSA.     

Drive level measurement of flying height modulation and control of slider disk contact

A drive level measurement of flying height modulation and a demonstration of slider-disk contact control was conducted. The results of the flying height modulation strongly agree with those obtained from a Laser Doppler Vibrometer (LDV) measurement. The modulation was mainly caused by curvature caused by disk clamping. Furthermore, feedback control of a slider-disk contact was successfully demonstrated. Friction force was controlled at a small value to maintain the slider so that it flew over the disk in the light contact regime.