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仿生蝴蝶

指导教师:李祥 项目成员:吴乐怡、李博妍、俞可炀、张斯棋

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项目简介

项目概述

双舵机仿生蝴蝶项目是一个集机器人学、仿生学与智能控制于一体的综合性创新实践项目。该项目旨在通过精巧的结构设计与电子控制系统,模拟真实蝴蝶的飞行姿态与运动模式。其核心是利用两个微型舵机分别独立控制蝴蝶的一对翅膀,通过程序驱动舵机进行特定角度和频率的往复摆动,从而模仿蝴蝶翅膀的上下扑动。整体结构通常采用轻质材料制作翅膀和机身,以最大限度降低重量;控制系统则以开源微控制器(Arduino)为核心,负责接收指令、处理运动算法并输出精确的脉冲信号来控制舵机动作。该项目不仅涉及机械组装与调试,更涵盖了空气动力学等多学科知识的应用,是一个典型的软硬件结合的跨领域实践平台,为深入理解生物运动机理和轻型扑翼飞行器设计提供了直观而有趣的载体。

项目目标

本项目的核心目标在于成功设计并制作出一个能够稳定、逼真地实现仿生扑翼飞行的蝴蝶模型,并在此基础上探索其可控性与智能化应用潜力。具体目标分为三个层面:在基础功能层面,要求模型能够依托双舵机差动控制实现起飞及简单航向调整等基本飞行动作,飞行姿态应尽可能接近自然界蝴蝶的非对称、高频扑动特征;在性能优化层面,致力于提升系统的整体效率,包括优化机械结构以减少摩擦、编写高效控制代码以降低功耗,并尝试实现飞行姿态的实时反馈与稳定,增强其抗干扰能力;在拓展应用层面,则着眼于将该项目作为研究平台,探索其在教育演示、艺术装置、轻型侦察或环境监测等场景下的应用可能性,同时为后续更复杂的多关节仿生飞行器研究积累技术经验与数据。


项目成果

尽管项目未能实现完全自主的离地飞行,但其核心成果依然显著,成功研制出一套能够精确模拟蝴蝶扑翼运动的双舵机机械演示平台,外形上与蝴蝶相近。其运动姿态包括扑动频率、幅度以及两翼间可调节的非对称相位得到了高度还原,在静态测试中展现了蝴蝶飞行时复杂的空气动力学形态。

在技术层面,项目取得了多项实质性进展:首先,完成了完整的系统集成,包括轻量化机械结构、以Arduino为核心的低功耗控制系统以及定制编写的控制程序,该程序可灵活生成多种扑动模式。其次,项目深入探索并解决了扑翼飞行中的关键挑战,如重量分配、关节改进以及动力传递,这些经验为后续迭代奠定了坚实基础。尽管持续升力的生成受到材料强度与精加工水平等客观条件限制而未能完全突破,但项目成功实现了所有子系统的可靠运行与协同工作。

最终,项目产出超越了一个未能起飞的模型本身。它提供了一套经过验证的设计方案、可复用的软硬件模块、详尽的测试数据以及关于失稳因素(如升力与扭矩不足、结构形变)的宝贵分析报告。这些成果深刻揭示了从理论设计到实际飞行之间存在的工程鸿沟,明确了未来优化方向。该项目因此成为一个极具教育意义的里程碑,生动演示了仿生机器人从概念到实现的全过程,其探索过程中的经验与教训,与成功实现飞行同样珍贵。


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