偏置式空间RSSR急回仿生扑翼机构优化设计与分析

张瑞坤; 何畏; 王习术; 郑家伟; 孙磊

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20200394

偏置式空间RSSR急回仿生扑翼机构优化设计与分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200394

张瑞坤^1,,
何畏^1, ,,
王习术²,
郑家伟³,
孙磊¹

1.
西南石油大学机电工程学院，成都　610500；
2.
清华大学航天航空学院，北京　100083
3.
宝石机械成都装备制造分公司，成都　610052

基金项目: 四川省科技支撑计划项目（2014GZ0153）

详细信息

作者简介:
张瑞坤（1995−），硕士研究生，研究方向为机械设计、飞行器，1509426921@qq.com

通讯作者:
何畏，高级工程师，硕士生导师， 188039518@qq.com

中图分类号: TH12
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出版历程
- 收稿日期: 2020-08-20
- 录用日期: 2021-12-17
- 刊出日期: 2022-04-05

Optimal Design of RSSR Quick-return Bionic Flapping-wing Mechanism in Offset Space

1.
School of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
2.
School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100083, China
3.
BOMCO Chengdu Equipment Manufacturing Company, Chengdu 610052, China

摘要

摘要: 本文基于偏置式空间RSSR四杆机构，设计了一种具有急回特性的扑翼机构，通过运动分析建立了空间RSSR四杆机构的运动学模型。以关节轴承处构件运动角和机构的压力角作为优化模型的非线性约束条件，摇杆摆角和行程比系数为目标函数建立了扑翼机构的优化设计模型。利用遗传算法对机构进行了优化计算，得到了利与飞行的相对杆长参数。基于优化得到的相对杆长参数以及鸟类飞行参数，选取曲柄长度为10 mm设计了一款仿生扑翼机构。结果表明：所设计的扑翼机构最小传动角 $ {\gamma _{\min }} = 40.01^\circ $ ，节轴承处构件运动角最大为 $ 60.00^\circ $ ，扑动上极限夹角 $ {\varphi _{\max }} = {\text{21}}{\text{.92}}^\circ $ ，下极限夹角 $ {\varphi _{\min }} = - 18.11^\circ $ ，行程速比系数 $ K = 1.5 $ ，与选取仿生鸟类飞行运动参数一致。
- RSSR /
- 扑翼机构 /
- 运动分析 /
- 参数优化 /
- ADAMS
Abstract: Based on the bias spatial RSSR four-bar mechanism, this paper designs a flapping wing mechanism with the characteristic of quick return, and establishes the kinematics model of the spatial RSSR four-bar mechanism through motion analysis. The optimal design model of the flapping wing mechanism is established by taking the motion angle and the pressure angle of the joint bearing as nonlinear constraints and the rocker swing angle and the stroke ratio coefficient as objective functions. Genetic algorithm is used to optimize the calculation of mechanism. Based on the relative rod length parameters of profit and flight obtained through optimization, a bionic flapping wing mechanism is designed with the crank length of 10 mm. The results show that the minimum transmission angle of the designed flapping wing mechanism, the maximum motion angle of the member at the joint bearing, the upper limit angle and the lower limit angle of flapping, and the travel speed ratio coefficient are consistent with the flight parameters of the bionic birds.
- RSSR /
- flapping-wing mechanism /
- kinematic analysis /
- parameter optimization /
- ADAMS

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图 1 单曲柄双摇杆机构简图

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图 2 分离运动支链的平面扑翼机构

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图 3 改进机构构型的空间扑翼机构

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图 4 偏置的空间RSSR曲柄机构

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图 5 机构坐标系及杆长定义

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图 6 非线性规划遗传算法流程图

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图 7 优化前后摇杆输出角对比

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图 8 扑翼扑动角度 $ \varphi $ 随驱动角 $ \theta $ 变化曲线

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图 9 扑翼机构相关杆件传动角变化曲线

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图 10 扑翼机构相关杆件间夹角变化曲线

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图 11 ADAMS仿真模型

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图 12 理论计算与ADAMS仿真输出对比

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表 1 优化参数初值及范围

参数	$ {x_1} $	$ {x_2} $	$ {x_3} $	$ {x_4} $	$ {x_5} $
初值 $ {X_0} $	2.5	4.0	2.5	1.2	4.0
下边界l_b	0	0	0	0	0
上边界u_b	6.0	6.0	5.0	5.0	6.0

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表 2 扑翼机构尺寸参数 mm

	l₁	l₂	l₃	e	L
	36.3	36.6	20.0	15.6	58.1

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