仿生感知与先进机器人课程报告.docx

络货破，北fe)Hurf>inInstituteof'fechno!oy仿生感知与先进机器人技术徐程报告(2)扳告题目：仿生醺蜓探讨院系：机电工程学院班级：性名：学号：哈尔源工业高校机电工程学院报告内容与要求1 .通过查找资料，写一篇关于某种仿朝气械探讨的报告。2 .报告内容应当包括:综述、某种生物的运动原理、相应仿朝气械的运动原理、系统构成、关健技术、存在的问题、发展方向等。3 .要求参考文献6篇以上。4 .要求6000字以上，A4纸打印并以班为单位提交电子文档。一、蜻蜓的飞行原理蜻蜓是无脊椎动物，昆虫纲，蜡蜓目，差翅亚目昆虫的通称一般体型较大，翅长而窄，膜质，网状粉脉极为清楚；视觉极为灵敏，腹部双长、扁形或呈圆筒形，末端有肛附黯。足细而弱，上有钩剌,可在空中飞行时捕获杏虫。蜡蜓形态美丽被誉为“飞行的宝石工身上仃多处结构能给仿生学供应探讨对象,本部分主要介绍靖蜓的翅膀结构及其对飞行功能的影响“姑蜓是种飞行实力很强的昆虫.其长时间的滑翔、悬停、快速前飞及敏捷机动的飞行实力，许久以来吸引着流体力学家的目光。蛇挺翼拍动变更其四周空气流淌，进而产生飞行中所需的升力与推力。为了说明靖蜓的E行原理,首先要介绍一下蜡蜓的翅膀结构.1、蜡蜓粉膀结构：姑蜓的翅膀主要由胡脉和翅膜组成，还包括朝痣和关节。螭蜓的胡膀仅占其体重的2%左右，翅膀的前缘和后缘呈流线型，增加了它的敏拢性。<1）翅脉翅脉是翅膝的主要支抨结构“翅脉按纵向结构分布，有刚度较大的前缘脉，亚缘脉以及径脉，中脉，后肘脉和性脉，再辅以横脉，它的前缘脉，亚缘脉和少部分横脉刚度较大，但有肯定的柔韧性，而其余的纵脉和横脉刚度较低。有特别好的柔韧性。翅脉是管状结构，既削减了IR量又增加了刚度。(2)翅膜翅膜是翅膀的主要的空气动力结构,它特别薄，一般只有2.3微米，但可以分为背部层(dorsa1.1.ayer).中间层(midd1.e1.ayer)和腹部层(ventra1.1.ayer).姑蜓前粉表面覆靛了蜡质层，包含三种交织的纤维，这些纤维有两个功能：一是支捽翅膜，二是担当来自临翅脉的弯矩和扭矩，这层蜡质不能被水浸涧，正是蜡质的存在，才使靖蜓韧膀具有自清洁和防雨的功能。<3)翅痣翅痣是翅膀前端一块加厚的角脑区域(如右上图所示)，翅痣是空腔，里面有液体。这块芝麻大小的结构极具意义，他消退了飞行过程中翅膀的震峡。Norberg对靖蜓翅膀探讨时发觉，块翅痘的历量虽然只有蜻蜓总体历量的OJK却可以提高临界飞行速度的10<2族。(4)关节关节也叫翅节(如右下图所示)，在靖蜓翅膨前缘的中间位置。有一个特别的节点，将翅脐的前后两部分校接在一起，其两边的结构可以相互转动但不能分别，提高了姑蜓膜胡的变形实力。这种关节的结合方式在肯定程度上起到了缓冲我荷、爱护翅面的作用.1可时关节处还相当于一个减震器，谖解高速拍翼时产生的振动。二、仿生蜻蜓的飞行原理及关键技术要做好仿生蜡蜓，首先要做好仿生始挺的粉膀。先了解一下蜡蜓翅膀结构在飞行渊方面的应用。靖蜓的E行实力是经过3亿多年的进化锤炼而成的，它们能作各种高难度、高机动性的飞行动作，它们的超膀产生的升力可比同样面积的飞机超膀高10倍以上，因此，在飞行方面蜡典有很多值得人类借鉴的地方。现有的飞行器版本上都是采纳固定翼或旋翼飞行方式，而自然界的飞行生物无一例外地采纳扑翼飞行方式。与固定翼和旋翼飞行相比，扑翼6行具仃独特的优点，如原地或小场地起U极好的K行机动性和空中悬停性能以及飞行能耗低，它将举开、悬停和推动功能集F扑我系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，适合在长时间无能源补充及远距幽条件下执行任务。因此在机动性、能耗和远距离飞行方面，扑奥飞行比固定翼和旋翼色行更具有优势，这些也正是飞行器所期望具备的。靖蜒等昆虫能够在强风和困难环境下悬停或稳定飞行，主要缘由是它们的朝膀以及身体可依据外界条件的变更，产生自适应变形。基于她蜓翅膀独特的网状粉脉结构特征与功能，以及高效节能的拍翼飞行方式，可以仿生柔性机翼模型，它们由多层发合材料薄板和管状的梁组成,且在管状梁中充填电致硬化液体，在机翼的前缘设置类似丁翅痣的制振、消罐装置，在翅膀前缘靠近中部位置，设更可活动较。分析蜡蜒作扑翼飞行时这种网状翅脉结构、翅拣、可活动关节以及翅膀中的充液对姑蜓作高机动飞行时的飞行姿态限制和胡膀颤震的制振作用，从而用于指导新型智能飞行器作扑奥飞行的柔性机翼仿生设计。在这一方面做得最好的是镌国FeStO公司研制出的一款名为'BionicOpter”的先进机器靖蜓，它能够做出各种如同杂耍般的困难E行动作，同时乂能够运用手机进行限制。这款机器蜡蜓的长度超过17英寸（约合43厘米），尺寸远超真正的蜡蜓“不过，它在空中飞行时的灵敏程度并不亚于真正的姑蜓，下面将具体介绍"BionicOpterZBioniCOPIer的翅膀采纳碳纤维和箔材料，能够单独振动每一个物膀，限制每一个娉膀的振幅、频率和冲角，每秒振动次数最高可达20次。其中安装了9个伺服电动机，第台伺服电动机安装在主体架构底部，负贡调整翅膀的振动频率一一每分钟振嫂次数在900到1200次之间，频率在15到20赫兹之间。BionicOpter的4个关节均安装一台伺服电动机，独立限制粉膀的振幅，幅度在80至U130度之间。每个粉膀最大可旋转90度,用以限制冲角，允许BionicOpter前进、后退或者侧向移动。此外，BionicOpter翅膀绽开后翼幅为63cm,体长为44cm重量约为175克，与真正的蜻蜓特别相像，它能朝随意方向飞行，甚至还能漂移在空中并且能够做出相当困难的飞行动作。可以用丁侦查或者探测人类难以到达的地方。FeSto公司的海因里希-弗洛特泽克博士表示：''BionicOPter还能单独振动每一个翅膀,用以进行减速和急转弯，加速和后退。它能够拥有这种独特的先行实力要感谢轻量化设计以及所采纳的各种装置，例如传感器、制动器,机械装置以及开环和闭环限制系统。全部这些都安装在一个特别狭小的空间内，彼此精确匹配.这意味若机器人第一次具备应对直升机、有翼机和滑翔机面临的全部飞行环境的实力。尽管在设计上特别困难,这个高度集成的系统在操作方面却特别简洁，可以运用智能手机进行限制这款机器蜡蜓拥有13度的自由度和涨拍15到20赫兹的频率。这使得它具有和实际姑蜓相同的可操作性，能够在各个方向移动，例如昆虫的悬停。它的智能应用程序的限制，AMR微限制器发送的常量数据的位置和移动的翅膀，以稳定的BiOniCoPte1.惯性传感器测量的加速度和悌仰的机版人,而位置传感器和加速度传感器测量的速度和方向的飞行.下图为嫡蜓的飞行限制示意图：->RIPPcFue<yo(Zfoor.T*iUUttftheAdMdVAtwiftp1.,Festo公司利用一个将转动转换为平动的装置将齿轮的嬴速转动转换为翅膀的高频振动。下图为该装置的数字化模型：BiOniCOPtCr内部则有大大小小的各种齿轮组成。蜡蜓悬停时的气动限制是仿生姑挺的关键技术。为了解决这一技术难题，有探讨人员特地探讨了机械蜡蜓悬停时的气动力，以卜.是该探讨的具体过程：蜡蜓翼的拍动一般有3个自由度：（1）拍动、（2）扭转和（3）拍动面偏离。下图显示了姑蜓身体水平（OX向）时左侧单翼的运动，翼轴在拍动平面F（与水平面H夹角B=60°）内拍动,整个翼绕这个距离前缘1/4C的轴转动。下拍起先时，翼处在拍动的上极限位置，翼平面与拍动平面成75。夹角，以此位罚.为原点，以卜.给出两个自由度运动的角位移函数。拍动方位角3=0.5C1cos（211rT）J（1）扭转的运动函数为0t0.2T0.2T/0.3T0.3T/0.7T0.7T0.7T0.8TTx4sin(11,M)114a-114s<11(z0.37)fr)-114114cos(11(/0.8T)/At)(2)双翼拍动的状况下两翼会存在相位差，即产生了不同的拍动模式，该试验视察的有:同相，相差1/4周期和相差12周期（即反相）。由于试验为悬停匕行和设计斜向拍动机构困难，所以试验模型采纳类似于MaybUry和Iehmann试验中两翼上下布同的形式，即将相当丁将靖蜓身体在俯仰方向上仰转60。，使得前翼在上，后翼在下，且两翼拍动平面与水平面平行。如下图所示，靖蜓模型的拍动轴1竖直插入水中，两翼分别在轴2和3所处的水平平面内来回地拍动（两翼共轴但可分开限制），扭转轴2和3水平，相距54c,前后翼在拍动的同时各臼绕扭转轴转动。这就是本机构模拟的两个自由度的运动。M1.M2:分别是控审前具（F-W）叼MUi（H-W）的同IHqIuI;Contekr:运动控甥器；PC:M:i：拍动的怯佃,2,3:前后翼归动的耕候机构置于ImXI.2mX1.m（长X宽X高）的水缸中。而为克服传动机构和电机的防水问题，将主要传动机构和电机置水面以上，并采纳四连杆机构将电机的输出传到水下翼的转轴处，井可以通过更换不同长度的连杆调整前后翼之间的距离。在观测所得的eschnajuncea翼形数据的基础上对蜡艇模型算作了如卜简化：（D前后两翼几何形态完全相同（事实上靖蜓后翼的面积比前翼的大）：（2）翼面形态为翼梢处为半圆的矩形：（3）不考虑翼面的变形，假设涨为刚性平板.，同时为J'使模型翼具有脑珏轻和抗弯曲的特性,测力用模型翼采纳碳纤维制作，尺寸数据如表1。为结合分析潦场信息与所测气动力的关系，试验平台还安装有染色液流淌显示系统。染色液从模里翼前缘根部流出，用于显示拍动产生的前缘涡核线。为r使试验条件下的流场与昆虫实际拍动形成的流场相像，必需满意相像准则的条件。在拍动翼试验中，主要考虑的相像准则为雷诺数Re（特征惯性力与特征粘性力之比），定义为：RfJiJUV其中U为特征半径r一.（前奥面积的二次矩半径，s为前翼面积）上的线速度：c为前翼的平均弦长：V为空气的运动粘度系数。可进一步改写为&=2&2附/丫,为了保证数据采集的精度,忒验拍动频率n=0.5Hz,此时Reg9750。对于实际嫡蜓AeSChnaj1.1.rIcea,R1380,依据以往试验结果，Re数相差在此范图的试验数据跟原现象基本一样。I模型嵬的几何尺寸Iabk*ITbestatisticsofamode1.wingttMfK18厚度<,11111MWSZmmj1Z910，&征中仲”<n<n136IK弦比人5.1展KR.tnm255平均弦K<,mrn50测力试验运用特别设计三重量水下天平和江苏联能公司的YE6267数据采集系统进行测地及采集，模型翼的拍动频率为0.5Hz,Re=9750,数据采集频率为200Hz,所以每个拍动周期对每个殖量要采集400个数据点.由于模型翼在拍动中所受到的力包括亚力、浮力、惯性力等，试验通过测量模型踊止所受的力得到重力和浮力，并测量铜棒在拍动中所受的力得到近似的惯性力，具体的试骏步骤如下：（1）在空气测量中单我在一个周期内的40个相位点价止时受到的力Sa：（2）测域铜棒在空气中拍动所受到的力Du;（3）在水中测量单翼在一个周期内的40个相位点静止时受到的力Sw：（4）测量翼在水中拍动时受到的力Dw。数据采集持续20个周期以上，刚起先拍动时的流场由F不稳定，前10个周期的数据舍去不要，保留此后的10个周期数据并取其平均，所取的IO个周期的原始数据见下图，1.Fx,UFz,Wx分别是升力、阻力和滚转力矩通道的电压值，图中，100个点对应一个周期。对这10个周期件个对应相位点的数据求标准差。由一个周期内不同相位