论文摘要：微小型扑翼式飞行器胸腔机构的分析与设计

微小型扑翼式飞行器在军事、民用及航空领域有着十分广阔的应用前景。扑翼机构作为扑翼式飞行器的胸腔机构，与昆虫的胸腔一样可以驱动翅膀实现扇翅运动，直接影响着扑翼式飞行器的设计、分析与应用。目前国内外研究机构多数都将重点放在扑翼式飞行器的整体试制与空气动力的分析上，对于扑翼机构仍缺少专门而深入的理论分析与设计方面的研究。另外，扑翼机构应用中没有充分利用柔性机构的大变形特性，而昆虫利用肌肉或外骨骼的“柔性”或“弹性”往往可以产生大变形驱动翅膀运动。为此，本论文以国内外现有的扑翼飞行机理的研究成果为基础，结合动物胸腔的特点，对扑翼机构的型综合、构建原则、运动分析、样机构筑与试验、大变形柔性运动副的分析与柔性扑翼机构的应用等问题进行研究。本文主要研究工作如下： 第一，分析了动物的飞行方式及扑翼产生气动力的机制，并对昆虫胸腔的构造进行分析，得出经过简化的扑翼动作，将昆虫复杂的扑翼运动分解为平扇与翻转两个基本动作，由此确定扑翼机构的型式。 第二，对扑翼机构的构型进行综合，包括实现一维扑翼形式的单自由度扑翼机构与实现二维扑翼形式的两自由度扑翼机构，并针对扑翼形式的要求，提出以对称性、紧凑与简单、高效与质轻、实用性原则为指导的扑翼机构的构建原则。 第三，选择一种构型的单自由度扑翼机构进行位置、速度、加速度、极限位置与受力分析，并在此分析的基础上，对机构的基本设计方法进行研究，包括设计空间、约束条件、解的存在性与优化设计等问题。 第四，提出一种两自由度扑翼机构，该机构构型简单，采用并联的两组曲柄摇杆机构与差动轮系组合，将一个电机的旋转运动转换为翅膀平扇与翻转的复合运动输出，从而实现二维扑翼形式。 第五，构筑实现不同扑翼形式的刚性扑翼机构，并通过自主搭建测力平台对扑翼机构驱动翅膀产生的升力进行测量试验，得到扑翼升力与扑翼参数间的关系。并由此分别构筑了微型与小型扑翼式飞行器，进行自由飞行与遥控飞行试验。 第六，结合橡胶类材料的大变形特性，分析大变形柔性铰链的转角刚度性能，并通过有限元分析进行验证。在此基础上，进行相应的运动学与动力学分析，探讨集中柔性机构在扑翼机构中的应用。 第七，利用细长柔性梁自由端的大变形特性，分析柔性梁自由端受力矩与力作用下产生的应力与大变形，得到变形与所受力矩或力的近似计算公式，并通过有限元分析进行验证。进一步，探讨分布柔性机构在扑翼机构中的应用。