一种基于曲柄连杆机构的仿真蝴蝶设计

中文摘要：介绍了一种基于曲柄连杆机构的仿真蝴蝶设计。首先，该设计采用轻量化风筝布材料配合碳棒骨架，形成稳定且灵活的翅膀结构，通过电机驱动与曲柄摇杆机构实现翅膀的自然扇动。其次，选用了Ⅰ型曲柄摇杆机构，结合减速齿轮以满足蝴蝶翅膀特有的非对称扑动模式，最后对曲柄与连杆的长度进行计算与调节，实现了对摆角的精准控制，使仿真蝴蝶展现更高效的飞行姿态。

关键词：曲柄连杆；仿真蝴蝶；机械结构

一、引言

仿生蝴蝶无人机是一款专为旅游景点研发的高空数据采集设备，是通过其独特的仿生设计和先进的技术功能，实现对景区内游客数量的实时监控和分析，从而提高景区的管理效率，优化游客流动，提升游客的整体体验。蝴蝶无人机的美观设计还能增强景区的科技感和观赏性，吸引更多游客，进一步促进景区的品牌形象和市场竞争力。

本文设计巧妙融合了机械工程的精密与生物力学的灵感。以曲柄连杆机构作为核心动力传递与转换元件，不仅赋予了仿真蝴蝶逼真的飞行姿态，还展现了机械美学与自然美学的和谐统一，为仿生机器人、教育玩具及艺术装置等领域提供了新颖的设计思路。

二、机械结构设计

（一）蝴蝶结构设计

仿生蝴蝶无人机的设计灵感源自自然界的蝴蝶，其外形和翅膀结构高度仿生，兼具美观与功能性。翅膀部分采用了轻量化和柔软性的风筝布材料，辅以一毫米的碳棒作为骨架。风筝布具备良好的柔韧性和耐用性，确保翅膀在高速飞行中不易损坏，同时碳棒提供了必要的支撑，使翅膀保持理想的形态。

为了模仿真实蝴蝶的飞行姿态，仿生蝴蝶无人机的翅膀设计成向前倾斜一定角度，使其在飞行过程中更加稳定和高效。通过对碳棒的灵活运用，翅膀可以保持一定的弯曲度和柔韧性，从而减少在飞行过程中遇到的空气阻力。

在传动设计上，考虑到传统舵机的重量问题，我们选用了电机带动齿轮以及曲柄摇杆机构来驱动翅膀。这种电机能够提供高转速以及高扭矩，再通过减速齿轮传动以及曲柄摇杆机构，实现稳定的飞行。通过对减速齿轮模数以及大小的精准控制，仿生蝴蝶无人机可以模拟蝴蝶翅膀的往复扇动，使得飞行过程更加自然和灵活。

翅膀与机身的连接处采用了过盈配合的方式，同时在翅膀中后段增设了固定支架，防止在飞行过程中因升力过大导致的滑动或失效。这种设计确保了翅膀与机身的牢固连接，提高了无人机的整体稳定性和安全性。

（二）曲柄摇杆机构

我们选用的为最为普遍的四杆曲柄摇杆机构，不过在曲柄方面选用并不是杆，而是使用齿轮，因为使用空心杯电机可以提供高马力、高扭矩的同时伴随的是高转速。而大自然中的蝴蝶翅膀扑动频率为5Hz到6Hz，而空心杯电机的转速远大于这个数值。因此我们选择使用减速齿轮去为其减速增扭。

我们在观察大自然中的蝴蝶翅膀扑动模型时发现，蝴蝶翅膀上下扑动的角度并非完全延水平对称，而且向上扑动的角度略大于向下的角度，因此我们选用了Ⅰ型曲柄摇杆机构。

Ⅰ型曲柄摇杆机构。满足的是Ⅰ型曲柄摇杆机构;行程速比系数K>1 （极位夹角） ， 且摇杆慢行程和摆动方向与曲柄转向相同 （如图3所示） ，其特征为A、D位于、两点所在直线t-t的同侧， 构件尺寸关系为。

（三）Ⅰ型曲柄摇杆机构摆角的调节

已知、长度以及的两个极限位置、， 求此时曲柄、连杆的长度各为多少。分析得、的两个极限位置对应着曲柄AB的两个极限位置， 即从动连架杆对应着曲柄（此时， 连杆与曲柄压缩共线） ，从动连架杆对应着曲柄（此时， 连杆与曲柄拉直共线） ， 连接、， 分别用刻度尺测量出、的长度。设曲柄， 连杆， 则根据以上理论可以得到一组方程式：

解出该二元一次方程， 确定a、b， 从而确定曲柄与连杆的具体长度。

参考文献：

[1]张娟.基于MATLAB的曲柄摇杆机构优化设计方法分析及应用[J].机电信息，2024，（03）：36-38.DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.009.

[2]姚钊泓，陈翔，林琳，等.基于Solidworks的GW4型隔离开关三维机械模型与应用研究[J].中国设备工程，2023，（S2）：129-131.

[3]付晓坤.两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真[D].沈阳理工大学，2023.DOI：10.27323/d.cnki.gsgyc.2023.000776.

[4]贾振兴.基于通用全局优化算法对铁路AFC设备堆叠送票模块中曲柄摇杆机构的优化设计[J].现代制造技术与装备，2018，（04）：36-37+40.DOI：10.16107/j.cnki.mmte.2018.0305.

[5]齐晓霞.无急回运动特性的曲柄摇杆机构的设计[J].机械工程与自动化，2015，（04）：105-106.

[6]郑筱春.具有最佳传动角的曲柄摇杆急回机械设计[J].机械设计，1985，（04）：26-27.DOI：10.13841/j.cnki.jxsj.1985.04.008.

作者简介：金威（2003-）、男，湖北黄石人，车辆工程，2021级，车辆工程；陈裕（2004-）、男，湖北黄冈人，车辆工程，2022级，车辆工程；李汶玲（2004-）、女，湖北武汉人，数字媒体艺术，2022级，数字媒体艺术；程真（2003-）、男，湖北咸宁人，车辆工程，2021级，车辆工程

通讯作者：汪字康，男，1990.10，汉族，湖北武汉，硕士，讲师，机工程。

课题项目：省级创新训练项目：基于数字孪生的仿生蝴蝶在智慧城市的环境检测应用设计（202411654028）