微型扑翼飞行机器人气动力测试系统.pdf

第 2期 2 0 1 2年 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 6 5 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 2 0 1 6 5 0 2 微 型扑翼飞行机 器人 气动力测试 系统 术 李贵祥苏 刚 李洪谊 中国科学院 沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室， 沈阳 1 1 0 0 1 6 Aer o d y n a mi c t e s t i n g s y s t e m f o r a i r v e h i c l e wi t h mi c r o f l a p p i n g wi n g s L I Gu i x i a n g， S U Ga n g， LI Ho n g y i S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f R o b o t i c s ， S h e n y a n g I n s t i t u t e o f A u t o ma t i o n ， C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ， S h e n y a n g 1 1 0 0 1 6， C h i n a 、 十 十 一 十 斤 十J 十 十 十 e斤 十 斤 十 斤 ’ 十 q 、 喜斤 十 一 毒 十 一 1 、 e 、 十 一 十 q、 十 斤 e 、 “十 十 1、 ‘十 斤 【 摘要】 微型扑翼飞行机器人飞行时的气动力是主要的性能指标，低雷诺数下的空气动力学还 没有成熟的理论和经验公式可以遵循 ， 因此需要设计并验证 了一个微型扑翼飞行机器人气动力测试 系 统 采用 2个位于水平和垂直方向的力传感器作为敏感元件分别测量微型扑翼飞行机 器人飞行时的推 力和升力， 使用两个柔性铰链分离垂直、 水平方向的气动力， 降低非测力方向力对力传感器的影响。文 末给 出并分析 了该 系统用于微型扑翼飞行机器人气动力测试的实测推 力和升力。 关键词 扑翼 ； 气动力 ； 测试 系统 【 A b s t r a c t 】 T h e a e r o c ly n a m i c f o r c e i s m a in p e rfor m anc e in d e x ofai r v e h ic l e w it h m i c r o fl a p p i n g w i n g s d u r i n g fli g h t ， w h i l e t h e a e r o d y n a m i c s a t l o w Re y n o l d s n u mb e r c o n d i t i o n i s n o t a matu r e t h e o r y ， a n d h a s n o t e m p i r i c a l f o r mu l a t o f o l l o w， S O a n a e r o d y n a mi c t e s t i n g s y s t e m ofa i r v e h i c l e w i t h mi c r o flapp i n g w i n gs i s d e s i g n e d a n d v e r ifie d The s y s t e m u s e s 2 for c e s e n s o r s l o c at e d i n p a r a l l e l a n d v e r t i c al as t h e s e n s o r s t o me a s u r e t h e t h r u s t a n d t h e l if t d u r i n g fl y i n g oft h e ai r v e h i c l e ， a n d t w o fle x i b l e h i n g e s are u s e d t o s e p arate v e r t i c al a n d h o r i z o n t al a e r o d y n a m i c f o r c e as w e l l a s r e d u c e t h e e f f e c t o f f o r c e i n n o n f o r c e d i r e c t i o n o n f o r c e s e n s o r ． A t l a s t ， t h e t h r u s t and l if t o b t ain e d f r o m t h e s y s t e mfor t e s t i n g a e r o d y n a m i c for c e of t h e ai r v e h i c l e w i t h mi c r o flapp i n gw i n g s i s g i v e n a n d anal y z e d ． Ke y wo r ds fla ppi ng wi ng s ； Ae r o dy na m i c f or c e； Te s t i ng s ys t e m 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 扑翼飞行机器人具有仿生飞行方式 仿蜻蜓、 仿蝇等 ， 可微 化程度高、 隐蔽f生 好， 飞行机动陛高， 其扑翼集举升、 悬停和推进功 能于一体， 能够适应复杂的飞行环境， 以更小的能量进行更长距离 的飞行，非常适合在长时间无能源补充及相对远距离条件下执行 任务， 可用于灾难救援、 军事侦察、 军事打击、 环境探测、 投放标识、 窃听隋报等， 具有重要的战略意义， 在国防和民用领域应用潜力巨 大。 在扑翼飞行机器人研制过程中， 其飞行时的气动力是扑翼飞行 机器人飞行的主要性能指标 ， 主要由扑翼扑动时的相对分合 、 延迟 脱落、 翻转效应和尾迹干涉产生Ⅲ 。由于尺寸小， 飞行速度低， 扑翼 飞行机器人要比普通飞机在更低的雷诺数下飞行，这时空气的粘 滞力很大， 其影响无法忽略。目前， 低雷诺数下的空气动力学还没 有成熟 的理论和经验公式可以遵循口 。 需要设计扑翼飞行机器人试 验装置， 通过试验获得的数据分析扑翼形状、 翼展、 飞行攻角和扑 动频率对扑翼飞行机器人飞行时气动力的影响。 据此， 设计了扑翼飞行机器人飞行气动力测试系统。 该系统 采用高精度微力传感器测量扑翼飞行器飞行时垂直方向的升力 和水平方向的推力来确定飞行时的气动力， 并检测扑翼机器人飞 行时的扑动频率和驱动电机功率。 ★来稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 2 5 -A - 基金项 目 8 6 3 基金项 目 0 9 H1 2 3 0 1 0 1 2扑翼飞行机器人 美国某学院 C a h e c h 是最早研制扑翼飞行机器人的机构之一。 其与加州大学 u C L A 及某公司共同研制出Mi c r o b a t [ ， 首架原型机 于 1 9 9 8 年 1 0月试飞， 如图 1 所示。是最早的仿生扑翼微型机器人。 M i c r o b a t 机体骨架和机翼采用新型超强复合材料，机翼模仿蝙蝠和 昆虫的翅膀， 采用ME M S 技术加工； 以锂离子高能电池为动力， 通过 机的转动转变为机翼的扑动。该飞行机 器人已发展了4种不同的原理样机， 飞行眭能最好的是第4代样机， 总重 1 1 5 g ， 最大尺寸2 0 ．3 2 c m， 扑翼频率为 2 0 H z ， 控制方式为无线电 遥控飞行 ， 可携带一台微型摄像机或声音传感器， 具有上下行数据链 路 。2 0 0 2 年 8 月 ， 该机器人刨下飞行 2 2 mi n 4 5 s 的航时 己 录。 图 1 Mi c r o b a t 微 型扑翼机器人 图 2 G T R I 的 E n t o mo p t e r 美国某大学 G T R I 、 英国某大学及 E T S实验室共同研制出 1 6 6 李贵祥等 微型扑翼飞行机器人气动力测试系统 第 2 期 的仿昆虫 E n t o mo p t e r ， 机翼为蝴蝶翅膀状， 采用特殊结构和材料 制成， 翼展为 2 5 ．4 c m， 用一种往复式化学肌肉 R C M， R e c i p r o c a t i n g C h e mi c a l Mu s c l e 驱动， 如图2所示。R C M是一种不通过燃烧反应 就可以将化学能转化为机械能的机构，具有较高的能量转换效率。 燃料注入后， 能使翅膀以 1 0 Hz 的频率上下拍动， 并能产生飞行控 制所需的电能。国内从事扑翼MA Y相关研究的机构主要有一些 大学。某大学一些科研人员主要从事仿鸟扑翼 MA V的机构设 计、 驱动方式、 控制方法和翼形优化等方面研究 。 某大学一些科 研人员主要从事 MA V气动机理及机构设计等方面研究17 - 8 ] 。该团 队研制了一种仿鸟扑翼 MA V， 翼展 3 4 0 m m， 同时对鸟类扑翼气动 机理进行了比较深入的研究 ， 并完成了风洞实验。 3测试系统总体结构及工作原理 3 ． 1扑翼机构设计 扑翼机构简图， 如图3 所示。 采用直流伺服电机作为驱动元 件， 利用二级齿轮减速和平面四杆机构将电机的旋转运动转换为 翅膀的往复平扇运动。 通过调节平面四杆机构杆长参数可以得到 翅膀往复平扇运动的扑动角和扑动范围。 图 3扑翼机构 简图 3 ． 2测试 系统搭建 扑翼飞行机器人测试系统实物图， 如图4所示。 垂直测力传 感器选用某公司的L S B 2 0 0 ， 量程为 1 0 0 g ， 精度为 O ． 1 g 。水平测力 传感器选用 K Y O WA协和的 L V S 一 1 0 0 G A，量程为 1 N，精度为 l m N 。漫反射开关光电开关为某公司的V T E 1 8 4 N 4 2 1 2 。 图 4扑翼 飞行机器人测试系统 扑翼飞行机器人测力平台的测力原理， 如图5所示。扑翼飞 行机器人飞行时产生的气动力 F可以分解成水平方向的力 和 垂直方向的 ， 重力为 G。两个力传感器通过柔性铰链与扑翼机 器人连接。 柔性铰链相对传统铰链具有体积小、 无机械摩擦、 无间 隙和高灵敏度的特点， 广泛地应用于各种要求小角度位移、 高精 度传动的场合 。测力装置通过柔性铰链使垂直方向力传感器只 提供垂直方向的拉力、水平方向力传感器只提供水平方向的拉 力。图中， 扑翼机器人受到的重力、 力传感器的两个拉力都已确 定， 只有气动力未知， 因此可以根据静力平衡求得扑翼机器人飞 行时的气动力， 静力平衡如下式所示。 f ∑ 0 { 2 F , 0 【 肘 图 5扑翼 行机器人测试系统测力原理 扑翼飞行机器人测试系统框图， 如图6所示。测试平台对扑 翼飞行机器人在水平和垂直方向的限制力经两个力传感器后转 化为电信号 ，再经直流前置放大器将力传感器的微弱电信号放 大， 经 A D采样后送人计算机中得到气动力变化曲线。扑翼飞行 机器人翅膀的扑动频率通过漫反射开关检测经 A D采样后送到 计算机中， 驱动电机功率通过监测电机电压和电流得到。 扑 力传感器 卜 直流前I 翼 大 r A 计 飞 D 算 行 ] 竖竺 仝 l 采 机 机 广 苫 ] 样 器 ]兰 兰竺I 人 r爵 ， 图 6扑翼飞行机器人测试 系统框图 4测试结果及分析 6 4 2 。 _2 4 6 8 ／ 一 、 ＼ 0．4 0 ．6 0 ． 8 1 l0 t ， r 图7升力变化曲线 O ． O 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 o ． 8 1 ． o t ／ T 图8推力变化曲线 实验所用的翅膀 ， 如图4 所示。翼展为 5 0 m m， 驱动电机电压 为2 ． 5 v、 飞行攻角为 1 5 。 时， 漫反射开关测得的扑动频率为 1 3 Hz ， 微力传感器得到的电信号经 A D采样后， 通过计算机处理后得 到的扑翼扑动一个周期升力变化曲线 ， 如图7所示。平均升力为 2 0 8 6 4 2 O 2 第 2期 2 0 1 2年 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 6 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 2 0 1 6 7 0 2 专用数控车床主轴 自动定位结构设计 何 俊 李 健 张仁斌 赖玉活 石伟涛 广西工学院 机械工程系， 柳州 5 4 5 0 0 6 z 四川工程职业技术学院 机电系， 德阳 6 1 8 0 0 0 s 柳州市数控机床研究所， 柳州 5 4 5 0 0 7 De s i g n f o r a u t o ma t i c p o s i t i on i n g s t r u c t u r e o f s p e c i a l CNC l a t h e s p i n d l e HE J l l n i L 1 J i a n 1 Z HANG Re n b i n 2 , L AI Yu h u o 3 , S H／We i t a o De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Gu a n g x i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6， Ch i n a 2 S i c h u a n E n g i n e e r i n g T e c h n i c a l C o l l e g e ， Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g D e p a rt m e n t ， D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a 3 L i u z h 0 u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C N C Ma c h i n e ． L i u z h o u 5 4 5 0 0 7 ， C h i n a 【 摘 要】 针对于数控车床主轴不能自动和快速定位， 装夹工件时间长， 且定位工件的稳定性和准 确性差等缺点 ， 介绍了一种专用数控车床主轴 自动定位结构的设计 ， 该专用数控车床主轴采用伺服 电 机驱动 ， 其结构包括主轴 、 拔盘、 定位装置三部分。通过阶梯轴上的弹簧形成弹性顶针 结构完成对主轴 的轴向 自动定位 ， 而主轴的径向定位通过设置伺服电机参数实现。实践运用表明其结构简单 ， 定位精度 高， 易于推广。对于数控车床今后的改造和设计有一定的借鉴作用。 关键词 数控车床 ； 伺服电机 ； 自动定位 ； 弹性顶针 【 Ab s t r a c t 】 F o r C N C l a t h e s p i n d l e C a n n o t b e p o s i t i o n e d a u t o m ati c a l l y a n d r a p i d l y ， a n d l o n g t i m e i s r e q u i r e d f o r c l a m p i n g t h e w o r k p i e c e w i t h d e f e c t s i n t h e p o s i t i o n i n g s t a b i l i t y and a c c u r a c y ． A d e s i g n s p e c i a l r C NC l ath e s p i n d l e a u t o mati c po s i t i o n i n g s t r u c t u r e i s i n t r o d u c e d， w h i c h i s d r i v e n b y s e r v o mo t o r an d c o m-- p o s e s o ft h r e e p a r t s s p i n d l e ， d r i v e p l at e a n d p o s i t i o n i n g d e v i c e ． T h r o u g h e l a s t i c t h i mb l e s t r u c t u r e f o r me d b y s p r i n g o n mu l t i d i a me t e r s h a f t ， a x i a l a u t o m ati c p o s i t i o n i n g f o r t h e s p i n d l e i s c o m p l e t e d ， a nd r a d i al o r i e n t a t i o n f o r t h e s p i n d l e i s r e al i z e d b y s e t t i n g t h e s e r v o mo t o r p ara m e t e r s ． P r a c t i c al a p p l i c ati o n s h o w s t h at i t i s e asy t o p o p u l ari z e f o r i t s s i m p l e s t r u c t u r e and h i g h e r p r e c is i o n i n p o s i t i o n i n g ， w h i c h p r o v i d e s a c e r t a i n r e f - e r e n c e f o r f u t u r e mo d fic ati o n a n d d e s i gn o ft h e C N C l at h e ． Ke y wo r d s CNC l a t h e ； S e r v o mo t o r ； Au t o ma t i c p o s i t i o n i n g ； El a s t i c t h i mb l e 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1 前言 螺 纹 的 主 轴 用 来 安 装 拨 盘 ， 卡 盘 通 过 拨 盘 与 主 轴 连 接 ， 主 轴 内 孔 目前， 不管是数控车床还是普通车床， 车床主轴前端的夹紧 为锥孔用于安装顶针， 顶针定位在工件的轴孔中， 卡盘用以夹紧 结构普遍如下所述， 在主轴前端有一节主轴设有外螺纹， 设有外 工件。 这种主轴结构存在如下缺点旧 主轴不能 自动和快速定位， ★来稿日期 2 0 1 1 一 o 4 0 2 一 3 ．7 m N， 推力变化曲线 ， 如图 8 所示。 平均推力为5 ． 5 6 m N。 从 而可以得出本翅膀扑动时产生的推力在飞行过程中起主要作用， 因此可以加大微型扑翼飞行机器人飞行时的攻角变推力为升力 以提高其飞行性能。 5结论 1 系统能很好 的测试微型扑翼飞行机器人 的气动力 。 2 撕研制的系统对微型扑翼飞行机器人气动力进行测量， 得到推力和升力在个周期内的变化曲线， 平均Y 2为 _ 3 ．7 m N， 平均推力为 5 ． 5 6 m N ， 得出翅膀扑动时产生的推力在飞行过程中起 主要作用， 因此可以加大微型扑翼飞行机器人飞行时的攻角变推力 为升力以提高其飞行陛能。 参考文献 [ 1 ] 宗光华， 贾明， 毕树生， 等． 丰 h 翼式微型飞行器的升力测量与分析[ J ] ．机 械工程学报， 2 0 0 5 ， 4 1 8 1 2 0 1 2 4 ． [ 2 ] 郭卫刚， 贾忠湖， 康小伟．微型扑翼飞行器的现状及关键技术[ J ] _ 飞航 导弹 ， 2 0 0 7 1 2 6 6 6 8 ． [ 3 ] T ． N ．P o r n s i n - S i r i r a k ， S ． 砒L e e ， H ．N a s s e f ， e t a 1 ．M E M S w i n g t e c h n o l o g y f o r a b a t t e r y p o w e r e d o r n i t h o p t e r [ A] ．P r o c e e d i n g s o f 1 3 t h I E E E An n u a l I n t e - n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n ME MS 2 0 0 0[ c ] ．Mi y a z a k i ， J a p a n , 2 0 0 0 7 9 9 - 8 0 4 ． [ 4 ] E n t o mo p t e r P r e c t ． a v d i l ．g t r i ．g a t e c h ．e d u ／ R C M ／E n t o mo p t e r ／ E n t o mo p t e r P r o j e e t ．h t mI ． [ 5 ] 侯宇， 方宗德， 刘岚， 等．仿生微扑翼飞行器机构动态分析与工程设计 方法[ J ] ．航空学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 2 1 7 3 1 7 8 ． [ 6 ] 张西金， 方宗德， 张明伟， 等．仿鸟微扑翼飞行器姿态控制模型研究[ J j _ 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 9 7 1 2 ． [ 7 ] 熊超， 宋笔锋．微型扑翼飞行器气动机理风洞试验研究[ J ] _ 科学技术 与工程 ， 2 0 0 7 ，7 1 1 2 5 7 6 2 5 8 0 ． [ 8 ] 王妹歆 ， 陈 国平 ， 周建华 ， 等．压 电双 晶片驱动 的仿生柔性扑翼机构研 究l J ] ．光学精密工程， 2 0 0 6 ， 1 4 4 6 1 7 6 2 2 ． [ 9 ] 杨淑英．半圆型柔『生 铰链的静刚度性能分析[ J ] ．煤矿机械， 2 0 0 8 ， 2 9 7 8 1 -8 2 ．