基于Pro/E的仿生机械鸟机构设计

摘 要： 仿生机械鸟在矿井救灾、抢险、有毒害环境下搜救及在日常生活方面有较好的应用。通过分析鸟类飞行原理，设计出一种模拟鸟类扑翼飞行姿态的机构，依仿生鸟的受力情况，确定其的驱动方式、关节传动方式。 利用 Pro/E 对机构进行三维建模、运动仿真分析，通过对样机相关的试验，验证了机构的可行性和合理性。
关键词： 仿生机械鸟；三维建模； 机构设计； 仿真分析

引言

  仿生机械鸟是模仿鸟类的飞行原理，与普通飞行器相比，尺寸较小、便于携带、飞行灵活，可原地或在很小场地起飞，并具有较好的飞行特性和空中悬停能力，能完成其他飞行器所无法执行的任务等优点。 在矿井及有毒害环境下可进行搜救、探测与环境监测，在日常生活中可提供空中拍摄和短距离小物品送达等。

1 仿生机械鸟机构设计方案

  仿生机械鸟运动系统由翅膀扑翼飞行机构、翅膀折叠机构、头部摇摆机构、尾部变向机构和腿部行走机构等组成，如图 1 所示。

头部和尾部的摇摆采用并联的曲柄摇杆机构；驱动头部摇摆和尾部转向的电动机选用微型直 流电机；翅膀折叠采用平行四边形机构，翅膀的上下扑动使用曲柄摇杆机构；驱动翅膀上下扑动和折叠的电动机选用微型直流电机。 脚部直线行走选用单自由度六杆步行机构，驱动行走的电机选用微型直流电机。 整机总重量控制在 1 kg 以下。

2 翅膀扑翼飞行设计

（1）翅膀扑翼飞行实现机构

   翅膀扑翼通过直流电机 经过齿轮系 带动齿轮旋转，从而使曲柄旋转，在曲柄的旋转下，摇杆能够实现上下摇摆，摇杆上下摆动带动翅膀骨架上下摆动，通过控制微型直流电机的转速来控制扑翼的快慢程度，如图 2(a)所示。

（2）翅膀机构运动分析

  ①按照翅膀的设计尺寸，如图 2(b)所示。 基于 Pro/E三维软件对翅膀结构进行初步建模， 运用 Pro/E 软件仿真模块对翅膀扑翼模拟分析，曲柄转动一周，绘出翅膀扑翼的运动轨迹；②运用 Pro/E 仿真模块分析出扑翼角度随时间变化，并确定上下扑翼最大角度是否满足初步设定值。 在 Pro/E 中为方便测量扑翼角度随时间的变化，模拟时是以垂直平面为基准，测量翅膀与垂直面的夹角变化状态（见图 3）。 从图 3 可以看出翅膀与垂直平面的最小扑翼角度约为 50°，翅膀与垂直平面的最大扑翼角度为 112°。

3 翅膀折叠设计

（1）翅膀折叠实现机构

  翅膀折叠结构能够模拟 鸟类翅膀的 展开和收缩的效果。 折叠机构的传动是通过直流电机带动一对啮合的直齿轮旋转，其中有一个直齿轮与螺纹杆相联，从而使得螺纹杆带动螺纹套前后移动实现折叠效果。 如图 4(a)所示。从外形协调的方面考虑 设定翅膀展 开时总长为 900 mm，收缩时为 100 mm，折叠角度为 80°。 如图4(b)所示。

（2）翅膀折叠机构运动分析

  按照翅膀折叠结构的设计尺寸， 利用 Pro/E 三维软件对翅膀折叠结构进行初步建模， 运用 Pro/E软件仿真模块对翅膀折叠结构模拟分析，翅膀收缩与张开一次时，绘出翅膀折叠机构关键点的运动轨迹如图 5 所示。
4头部、尾部摇摆设计
（1）头部摇摆实现机构为了能够模拟鸟类头部摇摆的姿态，采用并联式曲柄摇杆机构。 该机构是由 2 个微型直流电机分别控制 2 个曲柄摇杆机构组成，通过 2 个微型直流电机分别控制 2 个曲柄摇杆机构，实现了头部的上下左右运动，如图 6(a)所示。（2）头部摇摆机构运动分析运用 Pro/E 软件仿真模块对头部摇摆机构进行模拟分析，当曲柄向后转动，摇头支架向上摆动如图 6(a)所示；通过控制 2 个微型电机的正转和反转就可以使仿生机械鸟的头部上下左右摆动，其运动原理如图 6(b)所示（3）尾部变向实现机构为实现仿生机械鸟在飞行中能够像鸟类上升、下降、左转、右转的转向功能。 将仿生机械鸟的尾部设计成方向舵的形式，可以改变方向舵的方向来实现转向。 采用了曲柄摇杆机构， 实现了上下倾斜功能；另外，在摇杆处设置一个微型的舵机直接带动摇摆方向盘，通过控制舵机的正反转来实现左右偏摆的功能。通过分别控制 2 个微型电机，就能使尾部机构实现上下倾斜、左右偏摆，达到了模拟鸟类飞行的转向功能，如图 7 所示。（4）尾部变向机构运动分析运用 Pro/E 软件仿真模块对尾部变向机构模拟分析，微型电机带动曲柄旋转，在连杆的作用下使摇杆能前后摆动，从而能使尾部上下倾斜；在摇杆处安装舵机直接与摇摆方向盘联接，摇摆方向盘中有环形限位槽，防止摆动过度，失去飞行稳定性，可通过控制舵机正反转实现左右偏摆功能。

5 腿部行走实现机构

  行走机构传动方式是采用一对锥齿轮传动，小锥齿与直流电机相联，大锥齿则与旋转轴联接，旋转轴 带 动 曲 柄 旋 转 而 实 现 行 走 效 果，其 传 动 系 统 如图 8(a)所示。 其行走机构尺寸如图 8(b)；利用 Pro/E 软件仿真模块对行走机构模拟分析，曲柄转动一周，绘出足部运动轨迹如图 8(c)所示。
6 运动仿真分析

  基于 Pro/E 的仿生机械鸟机构分析功能模块，可进行运动分析（位置、速度和加速度分析）以及动力学运动分析（摩擦力、重力和作用力），在设计周期的早期发现间隙和干涉等问题。运行机构分析，验证机构的可行性并分别测量扑翼机构翅膀末端 X、Z 方向和行走机构 足部 X、Z行走机构是最容易发生干涉的地方，必须对行走机构在运动仿真中进行干涉分析，确保在行走的过程中不发生干涉现象，其分析过程：首先进行碰撞检测设置，设置为全局碰撞检测和碰撞时停止动画回放，如图 10 所示，设置碰撞时停止动画的目的是当发生碰撞干涉时，动画停止并高亮显示干涉位置。

7 结语

  翅膀扑翼飞行机构为曲柄摇杆机构 和齿轮机构组合方式，实现了扑翼飞行运动；翅膀折叠机构为连杆机构和螺旋机构组合形式，较好地模拟鸟类翅膀的折叠原理，并给予了仿生机械鸟更多的飞行姿态；步行机构选用平面六连杆机构，较合理设计杆件长度，达到较好地模拟了鸟类的行走。

参考文献：

［1］周骥平,武立新,朱兴龙. 仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术［J］.机器人技术与应用,2004(6):12-17.

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［3］唐为民,刘正平,路英华.Pro/E 机构仿真模块行走机器人创新设计［J］.机电产品开发与创新, 2012,25(4):16-18.

［4］张学军,张欣,丛佩超.移动式救援机器人的转铰空间轨迹跟踪控制问题研究［J］.制造业自动化,2014,36(7):20-24.