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系統識別號 U0002-1608201317562900
中文論文名稱 仿蜂鳥懸停機構之初探
英文論文名稱 The Preliminary Study of Hummingbird-like Hover Mechanisms
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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 鄭杰明
研究生英文姓名 Chieh-Ming Cheng
學號 600370133
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-06-21
論文頁數 85頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-蕭富元
委員-湯文慈
中文關鍵字 拍翼式微飛行器  懸停  行程角  相位差 
英文關鍵字 flapping micro air vehicle (FMAV)  hover  stroke angle  phase lag 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究目的期盼製作仿蜂鳥懸停飛行之拍翼機構。其三個設計重點:1.大行程角。2.零相位差。3.高拍翼頻率。針對前兩個設計重點,作者以「史蒂芬生第三型六連桿」機構包含瓦特四連桿直線機構,創新擴展為一個10桿件、13接頭的拍翼機構,拍翼行程角可設計70°-150°之範圍,雙翼相位差近乎0°。使用放電線切割(EDWC)針對鋁合金材質進行加工製作。提升拍翼頻率之實驗方面,分為五種不同的齒輪比做比較,分別為齒輪比6.67、8.57、21.3、26.6以及27.4,經比較拍翼頻率及扭矩後,得知較佳者為齒輪比21.3的機構,最高拍翼頻率22Hz。推力表現較佳者為齒輪比26.6的機構,最高推力3.2g。
進一步使用齒輪比26.6的機構進行不同機翼的試飛實驗,測試機翼分別為Nano Hummingbird機翼(翼面積31.84cm2,展弦比9.08)、尺度律機翼(翼面積43.79cm2,展弦比6.6)、「金探子」機翼(翼面積123.4cm2,展弦比3.78)。試飛結果顯示,「金探子」機翼產生的最大推力5.48g,並成功以66°的高攻角自由飛行57秒,且在3.7V驅動電壓下,最大拍翼行程角達100°以上,雙翼相位差控制在5°以下,拍翼頻率接近22Hz;成果皆符合拍翼飛行之三個設計方向,有利於未來仿蜂鳥懸停飛行工作之推展。
英文摘要 The purpose of this research was to provide a FMAV with a hummingbird-like hovering function. The corresponding flapping mechanism should have three merits of large stroke angle, zero phase lag, and high flapping frequencies. Based on the Stephenson-III type 6-bar linkage mechanism, including the Watt's 4-bar linkage linear mechanism, the author novelly proposed using this mechanism for hovering motion with 10 bars and 13 pin-joints. It provided the large stroke angle design up to 150° and without phase lag. The aluminum-alloy mechanisms are fabricated by electrical discharge wire cutting (EDWC) technique. Regarding the higher flapping frequency, 5 different gear reduction ratios (6.67, 8.57, 21.3, 26.6, 27.4) were investigated to have the better performance. The gear ratio 21.3 case generates the largest frequency of 22Hz and the driving torque. Meanwhile the gear ratio 26.6 case generates the largest thrust force of 3.2 gram fore.
Furthermore the author selected 3 kinds of wing foils with the aspect ratios of 9.08 (Nano Hummingbird), 6.6 (scaling law), 3.78(Golden snitch) to perform the flight test by this new flapping mechanism (26.6 gear ratio).The flight test showed that the Golden Snitch wing case generates the largest thrust force of 5.48 gram fore. and successfully free flew with 66° high attack angle for 57 seconds. Under such a condition of 3.7V driving, the flapping stroke is observed above 100° and the phase lag between two wings is no more than 5°. The flapping frequency could be near to 22 Hz. In summary, the improved performance of the novel flapping mechanism in this thesis is believed to have substantial contribution to the development of hummingbird-like FMAVs.
論文目次 第1章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 事前工作 5
第2章 設計概念 7
2-1 研究動機 7
2-2 研究目的 7
2-2-1 拍翼行程角 9
2-2-2 相位差 10
2-2-3 拍翼頻率 13
第3章 機構設計 15
3-1 滑軌機構 15
3-2 彈簧機構 16
3-3 雙齒輪機構 16
3-4 側桿機構 17
3-5 雙側桿機構 18
第4章 機構分析 20
4-1 拓樸構造及自由度 20
4-2 接點位置及桿件尺寸 22
4-2-1 雙側桿之瓦特直線機構 22
4-2-2 雙側桿之雙層四連桿 24
4-3 基座設計 26
第5章 機構實作 27
5-1 初次組裝 27
5-2 機構優化改良 29
5-2-1 材料選擇 30
5-2-2 加工方式 30
5-2-3 減少摩擦力 31
5-2-4 減少手工誤差 33
5-2-5 尺寸改良 34
5-2-6 設計同平面之桿件輸出 36
5-3 機構成品 37
第6章 實驗與測試 38
6-1 高速攝影機實驗架構 38
6-2 機翼安裝 39
6-3 頻率及扭矩分析 40
6-4 行程角與相位差 45
6-5 力規實驗 47
6-5-1 力規實驗架設 47
6-5-2 實驗數據 49
6-6 機翼比較 50
6-7 六軸力規 55
6-8 飛行測試 57
6-8-1 飛行測試1-懸掛飛行 57
6-8-2 飛行測試2-自由飛行 59
第7章 結論 62
參考文獻 64
附錄A 尺度律公式表 68
附錄B 彈簧機構 69
附錄C 雙齒輪機構 73
附錄D 單側桿機構 74
附錄E 鋁合金材質之機械及物理性質 75
附錄F 鉚釘「金探子」 77
附錄G 實驗數據資料 78

圖目錄
圖 1-1 加州理工學院「微蝙蝠」............................................................... 2
圖 1-2 合拍機制示意圖............................................................................... 3
圖 1-3 南韓KONKUK 大學製作之FMAV................................................ 4
圖 1-4 KONKUK 大學微飛行器懸停圖...................................................... 4
圖 1-5 微飛行器Nano Hummingbird.......................................................... 5
圖 1-6 Nano Hummingbird 搭配攝影機飛行............................................... 5
圖 1-7 初航者.............................................................................................. 6
圖 1-8 Eagle-II .............................................................................................. 6
圖 1-9 「金探子」....................................................................................... 6
圖 1-10 「Pro-金探子」.............................................................................. 6
圖 1-11 懸停式對稱雙對翼微飛行器......................................................... 6
圖 2-1 「淡江蜂鳥」計畫示意圖............................................................... 8
圖 2-2 拍翼懸停示意圖(俯視) .................................................................... 9
圖 2-3 「金探子」機構設計圖................................................................. 10
圖 2-4 升力與齒輪相位差之關係............................................................. 10
圖 2-5 Ornithopter zone 提供之線上拍翼角度分析軟體............................11
圖 2-6 翼展與質量的尺度律..................................................................... 13
圖 3-1 滑軌機構設計圖............................................................................. 15
圖 3-2 彈簧機構設計圖............................................................................. 16
圖 3-3 I-Bird 機構....................................................................................... 16
圖 3-4 SmartBird 機構................................................................................ 16
圖 3-5 雙齒輪機構設計圖......................................................................... 17
圖 3-6 Nano Hummingbird 機構設計(a+b=c) ............................................ 17
圖 3-7 單側桿機構設計圖......................................................................... 18
圖 3-8 單側桿機構實體圖......................................................................... 18
圖 3-9 雙側桿機構設計圖......................................................................... 19
圖 3-10 瓦特蒸汽機.................................................................................... 19
圖 3-11 瓦特平行四連桿直線機構........................................................... 19
圖 3-12 瓦特直線機構............................................................................... 19
圖 4-1 雙側桿機構桿件名稱..................................................................... 20
圖 4-2 雙側桿機構節點名稱..................................................................... 20
圖 4-3 瓦特直線機構................................................................................. 22
圖 4-4 瓦特機構分析圖............................................................................. 23
圖 4-5 雙側桿之雙層四連桿機構示意圖................................................. 25
圖 4-6 機構分析之上死點與下死點......................................................... 25
圖 4-7 雙側桿機構基座設計..................................................................... 26
圖 5-1 雙側桿初代模擬組裝..................................................................... 28
圖 5-2 雙側桿初代切割零件..................................................................... 28
圖 5-3 雙側桿初代機構,(a)正面;(b)反面............................................ 28
圖 5-4 雙側桿初代相位差分析................................................................. 29
圖 5-5 機構改良變化................................................................................. 30
圖 5-6 放電加工線切割機......................................................................... 31
圖 5-7 放電線切割加工示意圖................................................................. 31
圖 5-8 鋁合金板光滑面表面粗糙度......................................................... 32
圖 5-9 鋁合金板切割面表面粗糙度......................................................... 32
圖 5-10 墊片設計圖................................................................................... 33
圖 5-11 切割完成之墊片........................................................................... 34
圖5-12 翼桿與第三桿之夾角................................................................... 35
圖 5-13 機構錯位....................................................................................... 35
圖 5-14 「金探子」不同平面輸出桿....................................................... 36
圖 5-15 改善「金探子」之同平面輸出桿............................................... 36
圖 5-16 輸出桿同平面應用於雙側桿機構製作........................................ 36
圖 5-17 齒輪比6.67 或8.57 之機構重1.8g ............................................. 37
圖 5-18 齒輪比21.3 或27.43 之機構重2g .............................................. 37
圖 5-19 齒輪比26.67 之機構重2.2g ........................................................ 37
圖 6-1 實驗架設......................................................................................... 38
圖 6-2 Nano Hummingbird 機翼尺寸圖..................................................... 39
圖 6-3 展弦比9.08 之Nano Hummingbird 機翼...................................... 39
圖 6-4 「初航者」(a)兩翼分開(b)兩翼連接於機身............................... 40
圖 6-5 機翼安裝設計................................................................................. 40
圖 6-6 機翼安裝......................................................................................... 40
圖 6-7 0.5mm 碳纖維棒拍動情況.............................................................. 42
圖 6-8 0.8mm 碳纖維棒拍動情況.............................................................. 42
圖 6-9 0.5mm 與0.8mm 碳纖維棒扭矩比較............................................. 43
圖 6-10 機構空轉時(無機翼)頻率與扭矩關係......................................... 44
圖 6-11 裝上機翼後頻率與扭矩關係....................................................... 44
圖 6-12 頻率與齒輪比關係圖................................................................... 45
圖 6-13 機構空轉實際拍翼角度............................................................... 46
圖 6-14 齒輪比21.3 實際拍翼角度.......................................................... 46
圖 6-15 齒輪比26.6 實際拍翼角度.......................................................... 46
圖 6-16 齒輪比21.3,3.7V 拍翼分解圖.................................................. 47
圖 6-17 淡江航太系之LW-9028 雙軸力規.............................................. 48
圖 6-18 X、Y 雙軸方向力......................................................................... 48
圖 6-19 力規實驗架構............................................................................... 48
圖 6-20 推力方向定義............................................................................... 49
圖 6-21 不同齒輪比之推力比較............................................................... 50
圖 6-22 展弦比6.6 之尺度律機翼............................................................ 50
圖 6-23 展弦比3.78 之「金探子」機翼.................................................. 51
圖 6-24 不同機翼之扭力比較................................................................... 52
圖 6-25 不同機翼之推力比較................................................................... 53
圖 6-26 不同機翼之單位推力比較........................................................... 53
圖 6-27 雷射光照射煙線流場................................................................... 54
圖 6-28 Nano Hummingbird 機翼流場圖................................................... 54
圖 6-29 尺度律機翼流場圖....................................................................... 54
圖 6-30 「金探子」機翼流場圖............................................................... 55
圖 6-31 風洞測試系統:(a)低速吸入式風洞;(b)精密六軸力規........... 55
圖 6-32 不同風速之升力比較................................................................... 56
圖 6-33 不同風速之推力比較................................................................... 56
圖 6-34 淡江蜂鳥總重(懸掛飛行) ............................................................ 57
圖 6-35 試飛實驗架設............................................................................... 58
圖 6-36 與垂直面夾角............................................................................... 58
圖 6-37 懸掛飛行軌跡............................................................................... 59
圖 6-38 淡江蜂鳥總重(自由飛行) ............................................................ 60
圖 6-39 跳水式起飛(合成圖) .................................................................... 60
圖 6-40 飛行攻角....................................................................................... 61
圖6-41 自由飛行軌跡............................................................................... 61
圖 B-1 實驗用彈簧.................................................................................... 69
圖 B-2 彈簧機構示意圖............................................................................ 70
圖 B-3 彈簧機構........................................................................................ 70
圖 B-4 彈簧機構相位差............................................................................ 70
圖 B-5 雙彈簧機構.................................................................................... 71
圖 B-6 雙彈簧機構飛行軌跡.................................................................... 72
圖 C-1 雙齒輪機構.................................................................................... 73
圖 C-2 齒輪相疊(雙齒輪機構側視圖)...................................................... 73
圖 D-1 單側桿機構(a)正面(b)反面........................................................... 74
圖 F-1 鉚釘組裝「金探子」..................................................................... 77
圖 F-2 精度不足造成多處干涉................................................................. 77

表目錄
表 2–1 改變第一桿長度之變化................................................................ 12
表 2–2 改變第二桿長度之變化................................................................ 12
表 2–3 改變第三桿長度之變化................................................................. 13
表 4–1 雙側桿機構拓樸構造矩陣............................................................ 21
表 5–1 雙側桿機構初代尺寸設計............................................................ 27
表 5–2 鑽石研磨膏研磨前後表面粗糙度................................................. 32
表 5–3 雙側桿機構70°行程角尺寸設計.................................................. 35
表 6–1 頻率與齒輪比關係表.................................................................... 45
表 6–2 不同機翼尺寸比較........................................................................ 51
表 A-1 翅膀尺寸與飛行參數對質量的冪函數.......................................... 68
表 B-1 「金探子」與雙彈簧機構數據比較............................................. 71
表 E-1 5052 鋁合金機械性質.................................................................... 75
表 E-2 6061 鋁合金機械性質.................................................................... 75
表 E-3 7075 鋁合金機械性質.................................................................... 75
表 E-4 5052 鋁合金物理性質.................................................................... 76
表 E-5 6061 鋁合金物理性質.................................................................... 76
表 E-6 7075 鋁合金物理性質.................................................................... 76
表 G-1 齒輪比6.67 之雙側桿機構數據................................................... 78
表 G-2 齒輪比8.57 之雙側桿機構數據................................................... 79
表 G-3 齒輪比21.33 之雙側桿機構數據................................................. 79
表 G-4 齒輪比26.67 之雙側桿機構數據................................................. 80
表 G-5 齒輪比27.43 之雙側桿機構數據................................................. 80
表 G-6 齒輪比21.3 之0.5mm 與0.8mm 碳纖維棒之比較...................... 81
表G-7 尺度律機翼數據............................................................................. 82
表 G-8「金探子」機翼數據...................................................................... 82
表 G-9 機翼單位推力比較......................................................................... 83
表 G-10「金探子」推力(雙軸力規量測).................................................. 84
表 G-11 0°攻角不同風速之升推力比較(六軸力規).................................. 84
表 G-22 20°攻角不同風速之升推力比較(六軸力規)................................ 84
表 G-33 60°攻角不同風速之升推力比較(六軸力規)................................ 85
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