扑翼机构动态展示设计

摘 要

从扑翼飞行器的概念被提出以来那天起，由于扑翼机良好的性能和广泛的使用价值，近些年来，各国一直没有停止探索的脚步，也取得了一定意义上的成果。国内外知名高校也在扑翼机领域有了很大的进展，国内的知名大学如清华大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学等。国外有美国乔治亚理工学院、加利福尼亚理工学院、荷兰Delft 大学等。全球相关机构对于有关微型扑翼飞行器方面的研究已经取得了一些成果。
本次毕业设计题目是扑翼机构动态展示设计。通过分析扑翼机整机的机构组成及其工作原理进行动态展示设计，了解其工作期间的运动状况、各个部分之间的相互配合关系。并利用SolidWorks和Keyshot三维设计软件为扑翼机建模及动画制作的过程、意义进行阐述，为扑翼机的宣传进行三维演示渲染。通过三维动态演示设计，三维模型和运动仿真以及动画图像进行模拟与演示并呈现，提供产品的讲解、宣传，通俗形象及生动地描述了其运作情况，将产品特点、优势、实现结果形象直观的展示出来，帮助大众更好的认知扑翼机。

1 方案分析

1.1. 工作原理分析

(1) 此次设计的扑翼机根据昆虫的翅膀进行的仿生设计，通常昆虫的翅膀有四片，围绕躯干作上下的摆动，向下摆动时下侧翅膀展开，上侧翅膀向上折叠成V字形，下侧翅膀向下折叠的V字形[1]。由于上下翅膀在摆动时的受力面积不同，产生的反作用力也不同，从而产生向上升起的力，当两侧翅膀摆动产生的上升力大于自身重力时，既可飞行[12]。
(2) 通过调节可活动的机翼骨架的长度来调整扑翼运动时所产生的力，从而控制扑翼机更加稳定的飞行。后调整机身的长度，来控制飞行时的平衡。
(3) 最后通过选择电机的转数和额定功率，控制动力的输出，找到合适的临界点，即扑翼运动产生的力大于但不远大于自身重力，从而稳定的飞行。

2 结构组成分析

(1)齿轮连动机构
通过电机带动主轴齿轮转动，主轴齿轮转动时上面的减速齿轮带动其中一个连动齿轮转动，再由连动齿轮带动另一个连动齿轮转动，来完成主体齿轮的连动[2]。如图2.1所示。

图2.1 齿轮连动机构
(2)扑翼部分
扑翼包括两个可以活动的主骨架，四个翅膀支撑框架组成[15]。通过齿轮转动带动两个对称连杆运动，连杆与两侧扑翼连接，故扑翼运动[3]。如图2.2所示。

图2.2 扑翼部分
扑翼上有四个翅膀支撑框架，翅膀骨架上带有四片机翼，通过扑翼运动产生的上升力来带动整个机体的飞行。良好的材料能够使扑翼像鸟类的翅膀一样具有柔韧性，灵活性[4]。如图2.3所示。

图2.3 翼片部分

2.1 项目制作流程的确定

经过沟通协定，所绘制的三维模型能够完整的展示出扑翼机构；动画作品能够完整准确的扑翼机构的外观设计及其运动状态、展示其工作原理；产品宣传册美观大方；宣传海报整体风格符合项目要求。项目制作旨在于展示工作原理及其性能。整体简洁大方，画面美观，配色合理，动作流畅。
具体流程如下：
（1）首先用SolidWorks进行三维模型建立
（2）通过SolidWorks运动仿真模块导出仿真动画
（3）利用KeyShot8软件对模型进行初步渲染
（4）利用Premiere Pro等后期包装软件对动画进行包装
（5）对宣传册以及海报进行设计
（6）制作实物模型
动画能够体现某企业关于堆取料机此产品的智能化和科技感，从而凸显企业对于产品的科技研发。在视频的节奏上，根据背景音乐的选定，严格控制影片节奏，使动画，音乐完美融合。
宣传册和海报是宣传产品的最佳手段之一，为了符合扑翼机构的整体基调，选用了蓝色和白色作为海报和宣传册的主题颜色，蓝色和白色象征着天空，同时象征着自由，给人宁静、明亮的感受。让人产生视觉上的愉悦。
对扑翼机构外观造型设计而言，主要应该在功能设计和外观设计上符合真实性、以及模型设计的美学。
（1）比例指标
形态设计中比例美应从以下两个方面体现：设计中扑翼机构的各部分之间的比例应该符合预先设定，其次是要注意各比例间的协调统一。
（2）稳定性指标
这里说的稳定性都是指通过人的视觉观察，通过几何稳定性及视觉稳定性给人形成的“稳”与“不稳”的感官印象。
2.4 制作脚本
通过对扑翼机的了解，根据项目风格，制定项目脚本。制作影片脚本时要将镜头名称、时间、画面内容、画面效果描述一一对应相互配合以便于有明确思路来制作动画。

3 三维建模及渲染

3.1 建模

由于本次项目所介绍的扑翼机需要严格遵守模型的尺寸，所以1:1进行建模。用Solidworks 2016建模软件，通过对照实物尺寸、拟定方案，进行建模[6]。
建模方案如下：利用solidworks 2016软件对主体骨架进行三维建模，然后对主传动齿轮进行三维建模，再对两个机翼传动齿轮进行三维建模，最后对机翼和插销进行三维建模，零件模型全部建造好之后在主体上进行安装，最终完成扑翼机的三维结构[13]。
步骤如下：
(1)三角架及机身建模：首先进入solidworks 2016软件的零件模块，选择基准面，绘制出三角架主体部分草图[7]，完成草图绘制，执行“拉伸凸台/基体”命令，给定参数，之后在模型后视面绘制草图，同样执行“拉伸凸台/基体”命令，建立出机身部分，完成后如图3.1所示。

图3.1 三角架及机身
(2)主传动齿轮建模：首先进行草图绘制，执行“拉伸凸台/基体”命令，给定参数后拉伸草图。之后在拉伸表面绘制草图，重复执行执行“拉伸凸台/基体”命令，之后在齿轮中央绘制草图执行“拉伸切除”命令，拉伸出齿轮内孔，之后在齿轮后侧绘制草图，执行“拉伸切除”命令，拉伸出减重槽[8]。完成后如图3.2所示。

图3.2 主传动齿轮
(3)枢转齿轮建模（一对）：首先进行草图绘制，执行“拉伸凸台/基体”命令，给定参数后拉伸草图。之后在拉伸表面绘制草图，重复执行执行“拉伸凸台/基体”命令，之后在齿轮中央绘制草图执行“拉伸切除”命令，拉伸出齿轮内孔[9]，之后在齿轮后侧绘制草图，执行“拉伸切除”命令，拉伸出减重槽，如图3.3所示。

图3.3 枢转齿轮

4 宣传册及海报设计

宣传册是利用视觉形象化广告的设计之一。样品册和海报的设计可以有效的提高大众对产品的认知，方便服务项目的介绍，有益于宣传产品。对产品做特别说明，以便引起消费者的注释，引起大众的兴趣爱好。宣传册封皮设计如图5.1所示。

图5.1 宣传册封皮设计
利用平面设计理论与方法、人机工程学操作习惯等依据、品牌推广等手段，进行扑翼机宣传册设计，宣传册设计简洁大方，应满足广大群众的审美要求。宣传册清晰易懂，与主题颜色搭配协调，设计符合扑翼机的风格。塑造产品具有科技感、高品质的形象。利用Photoshop软件进行宣传册的制作、并对海报进行设计，通过调节图形、色彩以及文字的排版，完成宣传册及产品海报的设计。海报设计如图5.2所示。

图5.2 海报设计

5 实物模型制作

通过网上购买的齿轮组、连接杆、以及0.5mm、1mm碳棒、对实物模型进行组装，具体步骤如下:
(1)将齿轮安装在机身三角架上，用销固定。
(2)将连动齿轮在确保与主轴齿轮啮合的情况固定在机身三角架上。
(3)将扑翼安装在机身三角架上，并用销固定。
(4)用连杆将齿轮和扑翼连接起来，确保齿轮转动带动扑翼运动。
(5)安装电机，保证电机齿轮和主轴齿轮接触良好。
(6)安装机翼骨架和机身骨架。
(7)安装翼片。
完成后如下图6.1、6.2所示。

图6.1 实物模型图

6 结 论

本次毕业设计项目为扑翼机构动态展示设计，扑翼机拥有广泛的前景，未来将应用在军事领域，搜救领域，追踪侦查领域等。通过动画形的展示出了扑翼机的运动机构和原理，并通过此次对三维模型的制作以及运动仿真，到后来的动画的制作与分析，全面了解到科技发展进进步在生活中能带给我的好处和方便。在三维模型制作的过程，我们需要在清晰地讲解技术的基础，以及对参数的严格把控。另一方面，在动画作品的色彩调节、构图、明暗、镜头衔接以及节奏把握等方面进行艺术在创造，遵循影视艺术的规律来创造。
在本次毕业设计项目中，通过对于工作原理及相关机构的分析；利用SolidWorks三维设计软件进行扑翼机构三维建模及模型的装配，利用KeyShot8对建立好的模型进行渲染，得到产品图片；并用SolidWorks进行仿真视频输出，再用Premiere Pro完成对后期视频的剪辑与制作、完成产品的宣传视频；最后利用Photoshop进行宣传册、海报的设计；最后将三维模型进行实物制作，得到产品实物模型。在本次设计环节中，分为五大部分对项目进行了设计，其中包括：项目目标的确定、项目背景的了解、方案的分析、扑翼机构的了解以及项目的制作过程。通过本项目，我们可以达成以下目标：
(1)全方位的讲解扑翼机构，并诠释了该机构运动的原理。
(2)栩栩如生的三维动态的演示，更直观更形象的展示出扑翼机构，帮助大众了解扑翼机。
帮助企业产品推广，激发大众对扑翼机的热情。