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系統識別號 U0002-1009201209145000
中文論文名稱 大行程拍翼減速機構
英文論文名稱 Flapping mechanisms with large stroke angles
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 江逸偉
研究生英文姓名 Yi-Wei Chiang
學號 699370275
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-13
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-戴慶良
委員-李其源
中文關鍵字 拍翼式飛行器  拍翼  行程角  相位差  彈簧 
英文關鍵字 Ornithopters  Flapping wing  Stroke angles  Phase lag  Spring 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究群在拍翼式微飛行器MAV 之技術開發已逾9 年,開發之20 cm 翼
展“金探子”系列,技術已相當純熟,且能連續滯空超過8 分鐘。微飛行器機構
一直都是飛行器飛行主要核心之一,修改機構提供下一代新型MAV 拍翼式機
構設計參考。鳥類其飛行方式大都以滑翔及盤旋為主,拍翼行程角約達60~70
度;蜂鳥卻可以做到懸停飛行,其拍翼行程角為120 度。對飛行來說拍翼行程
角越大越能做到懸停,但以往四連桿機構微飛行器,皆存在著不可避免的相位
差,相位差是因兩個機構未能同步運轉所致,這會造成飛行不穩定。目前金探
子傳動機構拍翼行程角為53 度,雙翼相位差小於3 度。利用微飛行器機構為
原型進行改良,探討使用彈簧改善,並加大行程角和減少相位差。.
英文摘要 Tamkang University MEMS group has already developed flapping wing
ornithopters (MAVs) for over 9 years. The development of the 20cm-wingspan
“Golden Snitch” has a flight endurance of more than 8 minutes. How to
modify the flapping mechanism for the new generation of MAVs is always
one of the most crucial issues. Most of the birds have their flight way mainly
in gliding and loitering, and the flapping wing stroke angle is approximately
60 to 70 degrees. The hummingbirds can hover and the flapping stroke angle
is 120 degrees. Bigger flapping stroke angle can do hovering better, but in the
past four-bar linkage has the inevitable phase lag. The phase lag is due to the
fail in mechanism symmetry and synchrony, which can cause unstable flight.
The current transmission mechanism of “Golden Snitch” has the flapping
wing stroke angle of 53 degrees, and the phase lag is less than 3 degrees.
Improvements for the prototype of using the spring to increase the stroke
angle and reduce the phase lag flapping mechanism have been demonstrated.
論文目次 目錄
中文摘要..................................................................................................... I
英文摘要.................................................................................................... II
目錄...........................................................................................................III
圖目錄....................................................................................................V
表目錄....................................................................................................VIII
第一章 緒論...............................................................................................1
1-1 研究動機......................................................................................2
1-2 文獻回顧......................................................................................5
1-3 研究目的與架構........................................................................10
第二章 微飛行器機構設計....................................................................11
2-1 微飛行器機構分析模擬............................................................11
2-2 微飛行器機構改良....................................................................19
2-2-1 大行程角改良..................................................................19
2-2-2 零相位差...........................................................................20
2-2-3 橡皮筋機構......................................................................20
2-2-4 簧片機構...........................................................................21
2-2-5 彈簧機構...........................................................................22
2-2-5-1 彈簧類型................................................................22
2-2-5-2 彈簧常數計算公式.................................................25
第三章 微飛行器實驗觀測....................................................................26
3-1 高速CCD...................................................................................26
3-2 實驗架構....................................................................................30
3-2-1 彈簧機構尺寸比較...........................................................30
3-2-2 鋁合金設計及製造..........................................................41
3-3 風洞實驗設備............................................................................46
3-3-1 開路式低速風洞...............................................................46
3-3-2 六軸力規..........................................................................47
3-3-3 DAQ(Data Acquisition)卡.................................................47
3-4 硬體架構....................................................................................48
3-5 初步風洞數據............................................................................49
第四章 結論與未來方向........................................................................54
4-1 結論............................................................................................54
4-2 未來建議.....................................................................................57
參考文獻...................................................................................................58
附錄 A 風洞數據.....................................................................................64
附錄 B 實際飛行.....................................................................................72
附錄 C 導軌機構.....................................................................................73
附錄 D 雙彈簧機構實際飛行................................................................74

圖目錄
圖 1-1 達文西飛行器設計草圖.................................................................2
圖1-2 初航者............................................................................................3
圖1-3 Eagle-II ............................................................................................3
圖1-4 金探子............................................................................................4
圖1-5 全塑膠化的金探子........................................................................4
圖1-6 微型蒼蠅機器人.............................................................................8
圖1-7 美國Delaware 大學製作的蜻蜓MAV..........................................8
圖2-1 Ornithopter zone 線上軟體分析傳動連桿尺寸...........................12
圖2-2 拍翼機構運轉模擬示意圖..........................................................12
圖2-3 四連桿傳動機構設計...................................................................13
圖2-4 拍翼行程角示意圖......................................................................14
圖2-5 (a) 修改第一桿8mm 拍翼軌跡分解圖;(b) 拍翼軌跡分析圖
.......................................................................................................17
圖2-6 曲柄四連桿機構輸出桿之轉動範圍: (a)右極限; (b)左極限....19
圖2-7 橡皮機構: (a)示意簡圖; (b)完成品.............................................21
圖2-8 簧片機構: (a)示意簡圖; (b)反對稱示意圖; (c)完成品..............22
圖2-9 板狀彈簧與螺旋彈簧基本結構..................................................22
圖2-10 一般螺旋拉伸彈簧基本結構....................................................23
圖2-11 彈簧機構: (a)示意簡圖; (b)完成品...........................................24
圖3-1 本研究使用之高速CCD.............................................................27
圖3-2 以橡皮筋連接兩輸出桿以降低相位差.......................................28
圖3-3 以彈簧連接兩輸出桿以降低相位差...........................................29
圖3-4 以簧片連接兩輸出桿以降低相位差...........................................29
圖3-5 基座與雙翼三連桿間隙圖...........................................................30

圖 3-6 16T 雙桿彈簧機構(同條件) .........................................................32
圖3-7 20T 雙桿彈簧機構(同條件) .........................................................33
圖3-8 16T、20T 雙翼彈簧彈性係數與行程角關係圖.........................34
圖3-9 16T、20T 雙翼彈簧彈性係數與相位差關係圖.........................34
圖3-10 (a)反裝配;(b)正裝配彈簧........................................................35
圖3-11 加裝機身16T、20T 雙翼彈簧彈性係數與行程角關係圖.....37
圖3-12 加裝機身16T、20T 雙翼彈簧彈性係數與相位差關係圖......37
圖3-13 16T 彈簧彈性係數行程角總關係圖.........................................40
圖3-14 16T 彈簧彈性係數相位差總關係圖.........................................40
圖3-15 放電線切割加工示意圖............................................................41
圖3-16 鋁合金傳動系統組件設計圖第一桿桿套................................42
圖3-17 改良之鋁合金傳動組件............................................................42
圖3-18 修改桿件16T 彈簧彈性係數行程角關係圖...........................44
圖3-19 修改桿件16T 彈簧彈性係數相位差關係圖...........................44
圖3-20 開路式低速風洞........................................................................46
圖3-21 六軸力規....................................................................................47
圖3-22 DAQ(Data Acquisition)卡...........................................................47
圖3-23 風洞實驗設備架構....................................................................48
圖3-24 攻角20 度不同風速升、推力關係圖: (a)推力; (b)升力.........53
圖4-1 重心向前飛行軌跡示意圖...........................................................56
圖4-2 (a)雙彈簧機構; (b)二桿彈簧機構................................................57
圖A-1 各種風速0m/s-2m/s,電壓3.7V,攻角0-50°之推力變化....66
圖A-2 各種風速0m/s-2m/s,電壓3.7V,攻角0-50°之升力變化....66
圖A-3 各種風速0m/s-2m/s,電壓3.7V,攻角0-50°之推力變化....68
圖A-4 各種風速0m/s-2m/s,電壓3.7V,攻角0-50°之升力變化....69
圖A-5 各種風速0m/s-2m/s,電壓3.7V,攻角0-50°之推力變化....71
圖A-6 各種風速0m/s-2m/s,電壓3.7V,攻角0-50°之升力變化....71
圖B-1 實際飛行路徑圖.........................................................................72
圖C-1 導軌機構設計圖.........................................................................73
圖D-1 雙彈簧機構拍翼分解圖.............................................................74
圖D-2 雙彈簧加裝襯套拍翼分解圖......................................................74
圖D-3 實際飛行路徑圖.........................................................................75

表目錄
表2-1 第一桿的拍翼行程角、相位差的變化(X 代表桿件相撞或卡住)
....................................................................................................... 14
表2-2 第二桿的拍翼行程角、相位差的變化(X 代表桿件相撞或卡住)
....................................................................................................... 15
表2-3 第三桿的拍翼行程角、相位差的變化(X 代表桿件相撞或卡住)
....................................................................................................... 15
表2-4 修改第一桿和第二桿的拍翼行程角、相位差的變化 ............... 18
表2-5 使用彈簧材質與尺寸 ................................................................... 24
表3-1 高速CCD 規格 ............................................................................ 27
表3-2 拍翼式微飛行器機構尺寸 ........................................................... 30
表3-3 16T 雙翼彈簧機構關係表 ............................................................ 32
表3-4 20T 雙翼彈簧機構關係表 ............................................................ 33
表3-5 16T 雙翼彈簧機構加裝機身關係表 ........................................... 36
表3-6 20T 雙翼彈簧機構加裝機身關係表 ........................................... 36
表3-7 16T 彈簧彈性係數關係表 .......................................................... 39
表3-8 修改桿件16T 彈簧彈性係數關係表 ......................................... 43
表3-9 拍翼式微飛行器初步機構質量比較 ........................................... 45
表3-10 拍翼式微飛行器初步風洞數據(風速0 m/s) ........................... 51
表3-11 拍翼式微飛行器初步風洞數據(風速1 m/s) ............................ 51
表3-12 拍翼式微飛行器初步風洞數據(風速2 m/s) ........................... 52
表A-1 測量尺寸為外徑 2.5mm,線徑 0.3mm.................................... 65
表A-2 測量尺寸為外徑 4mm,線徑0.5mm-不鏽鋼材質 ..................
表A-3 測量尺寸為外徑2.5mm,線徑0.3mm-第一桿7mm-第三桿4mm
.................................................................................................. 70
參考文獻 參考文獻
[1] 百家諸子 中國哲學書電子化計劃, from
http://ctext.org/mozi/book-13/zh
[2] Leonardo De Vinci Renaissance Man, from
http://www.xcis-pro.com/de_vinci.html
[3] 何仁揚,「拍撲式微飛行器之製作及其現地升力之量測研究」,碩
士論文,機電工程學系,淡江大學,台北,2005。
[4] 施宏明,「結合PVDF 現地量測之拍撲式微飛行器製作」,碩士論
文,機電工程學系,淡江大學,台北,2007。
[5] 徐振貴,「拍翼式微飛行器之設計、製造與測試整合」,博士論文,
機電工程學系,淡江大學,台北,2008。
[6] 高敏維,「微拍翼機可撓翼之氣動力實驗」,碩士論文,機電工程
學系,淡江大學,台北,2008。
[7] 高崇瑜,「應用精密模造技術於微飛行器套件組之設計與製造」,
碩士論文,機電工程學系,淡江大學,台北,2009。
[8] 廖俊瑋,「翼展10 公分之拍翼式微飛行器研製」,碩士論文,機
電工程學系,淡江大學,台北,2009。
[9] L. Zeng, Q. Hao, K. Kawachi, “A scanning projected line method for
measuring a beating bumblebee wing,” Optics Communications,
Vol.183, pp.37–43, 2000.
[10]T. N. Pornsin-siriraka, Y. C. Tai, H. Nassef, C. M. Ho,
“Titanium-alloy MEMS wing technology for a micro aerial vehicle
application,” Sensors & Actuators: A Physical, 89, 95-103,2001.
[11]胡舉軍,「旋翼與振翅翼之數值研究」,博士論文,航空太空工程
研究所,國立成功大學,台北,2002。
[12]許書凱,「振翼機構之類型合成與運動分析」,碩士論文,機械工
程系,崑山科技大學,2004 年。
[13]R. Żbikowski, C. Galiński, C.B. Pedersen, “Four-bar linkage
mechanism for insectlike flapping wings in hover: concept and an
outline of its realization,” Journal of Mechanical Design,
Transactions of the ASME ,127 (4), pp. 817-824, 2005.
[14]M. Syaifuddin, H. C. Park and N. S. Goo, “Design and evaluation of
a LIPCA-actuated flapping device,” Smart Materials and
Structures ,15 (5), art. no. 009, pp. 1225-1230, 2006.
[15]C.-S. Lin, C. Hwu, and W.-B. Young, “The thrust and lift of an
ornithopter’s membrane wings with simple flapping motion,”
Aerospace Science and Technology, 10 (2), pp. 111-119, 2006.
[16]L.-J. Yang, C.-K. Hsu, J.-Y. Ho, and C.-K. Feng, “Flapping wings
with PVDF sensors to modify the aerodynamic forces of a micro
aerial vehicle,” Sensors and Actuators A: Physical, v. 139, pp. 95-103,
2007.
[17]R. Wood, “Fly, robot fly,” IEEE Spectrum, pp. 25-29, March, 2008.
[18]Zheng Hu and Xinyan Deng, “A flight strategy for intelligent aerial
vehicles learned from dragonfly,” University of Delaware U.S.A.,
Aerial Vehicles, In-Tech Book Corp., 2009.
[19]陳繹亘,「六自由度電控撲翼機平台之研製:馬達控制器與模擬」,
碩士論文,航空太空工程學系,成功大學,2008 年。
[20]L.-J. Yang,C-K Hsu, H-C Han, and J-M Miao, “A light flapping
micro-aerial-vehicle using electrical discharge wire cutting
technique,” Journal of Aircraft, v. 46, n. 6, pp. 1866-1874, 2009 .
[21]L.-J. Yang, J.-M. Maio, A.-F. Kuo, and C.-K. Hsu, Jun. 28-Jul.1, 2010,
“Effect of flexural stiffness on the aerodynamic forces of flapping
MAVs,” The 28th AIAA Applied Aerodynamics Conference, Chicago
(art. no. AIAA 2010-5077).
[22]林博揚,「運用基底彈簧之平面四連桿靜平衡機構之設計」,碩士
論文,機械工程學研究所,台灣大學,2007。
[23]林博揚,「彈簧平衡機構之設計及應用」,博士論文,機械工程學
研究所,台灣大學,2011。
[24]Bret W. Tobalske Department of Biology, University of Portland,
5000 North Willamette Boulevard, Portland, OR 97203, USA ,
11 ,July ,2007.
[25]U. M. Norberg, Vertebrate Flight: Mechanics, Physiology,
Morphology, Ecology and Evolution, Springer, New York, 1990.
[26]Hedenstrom, L.C. Johansson, M. Wolf, R. Von Busse, Y. Winter,and
G.R. Spedding, “Bat flight generates complex aerodynamic tracks,”
Science, Vol. 316, No. 5826, pp. 894-897, 2007.
[27]Ornithopter zone website, from http:// www.ornithopter.org
[28]Liu, C.H. and Cheng, S., “Direct singular positions of 3RPS parallel
manipulators,”ASME Journal of Mechanical Design, vol.126, pp.
1006-1016, November 2004.
[29]McIntosh S., Agrawal, S., and Khan, Z., “Design of a mechanism for
biaxial rotation of a wing for a hovering vehicle,” IEEE/ASME
Transactions on Mechatronics, vol. 11(2), pp 145-153, 2006.
[30]謝 志誠, 機械製造第八章塑膠材料及加工,
http://www.taiwan921.lib.ntu.edu.tw/mypdf/mf08.pdf。(2010)。
[31]黃馨慧,「古中國簧片掛鎖之機構設計」,博士論文,機械工程學
系,成功大學,台南,2004。
[32]賴耿陽,「彈簧之設計及製造」,復漢出版社印行,P3、4、5,
1977.12。
[33]李勇圻,「纖維種類對編織複合材料螺旋彈簧壓縮與疲勞性能之
影響」,碩士論文,紡織工程研究所,逢甲大學,2006。
[34]莊育傑,「以知識為基之圓柱形螺旋彈簧設計系統」, 碩士論文,
機械與航太工程研究所,中華大學,2008。
[35]劉惟信,機械最佳化設計,全華科技圖書股份有限公司,pp. 12-8,
2001。
[36]林明璋,「滑蓋手機之機構研究」,碩士論文,材料與製造工程機
械工程組碩士班,逢甲大學,2008。
[37]H. Takahashi et al., “Measurement of differential pressure on a
butterfly wing,” Proc. of IEEE MEMS’10, pp. 63-66, 2010.
[38]許政慶,「拍翼式微飛行器之拍翼行程角對氣動力影響」,碩士論
文,機電工程學系,淡江大學,台北,2009。
[39]陳泓嘉,「微飛行器風洞測試訊號擷取半自動化之研究」,碩士論
文,機電工程學系,淡江大學,台北,2010。
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2012-09-10公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2012-09-10起公開。


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