Flapping mechanisms convert the rotational or linear motion of the actuator into flapping motion. Since the flapping mechanism is directly related to the motion of the wing, it is one of the major factors determining the aerodynamic performance of the flapping-wing air vehicle. In this study, a flapping mechanism to increase the aerodynamic performance of the flapping-wing air vehicle is proposed.
By combining two simple four-bar linkage mechanisms through a gear train, a mechanism that can increase the thrust generation by simultaneously generating the twisting and flapping motion is proposed. The kinematic analysis of the mechanism is performed, and the geometrical constraints of the design parameters are defined. The aerodynamic loads are analyzed through flapping and twisting angles obtained by the kinematic analysis. Design parameters are searched to maximize aerodynamic efficiency by combining the kinematic analysis and the aerodynamic analysis. The design parameter search is formulated as an optimization problem and it is solved using the genetic algorithm. The conventional flapping mechanism and the proposed mechanism are compared using the wind tunnel test. Compared to the mechanism that cannot generate twisting motion, it was confirmed that the proposed mechanism always generates larger thrust for various wings. It is confirmed that the proposed mechanism can generate aerodynamic loads more efficiently than the mechanism without twisting motion.
날갯짓 메커니즘은 구동기의 회전 또는 선형 운동을 날갯짓 운동으로 변환해주는 역할을 한다. 날갯짓 메커니즘은 날개의 운동과 직접적으로 관련되기 때문에 날갯짓 비행체의 공기역학적 성능을 결정짓는 주요한 요소 중 하나이다. 본 연구에서는 날갯짓 메커니즘을 이용하여 날갯짓 비행체의 공기역학적 성능을 증가시킬 방법에 대해 논의한다.
날개의 비틀림 방향 움직임과 날갯짓 운동이 동시에 발생해 추력 생성을 증가시킬 수 있는 메커니즘을 제안하였다. 메커니즘에 대한 운동학적 해석을 수행하였고, 운동학 분석을 통해 얻은 날갯짓 및 비틀림 각도를 이용해 공력을 해석하였다. 본 연구에서 수행된 운동학 분석과 신뢰성이 입증된 공력 해석 모델을 결합하여 공력 생성을 최대화하도록 최적화 문제로 정의하여 유전 알고리즘을 통해 설계 변수를 탐색하였다. 최적화된 설계 변수를 바탕으로 풍동 시험이 가능한 프로토타입을 설계하고 제작하였으며 비교를 위한 날갯짓 메커니즘을 추가로 설계하고 제작하였다. 본 연구에서 제안된 메커니즘과 비교 메커니즘을 다양한 날개에 대해 풍동 시험을 통해 비교하였다. 비틀림 운동이 없는 메커니즘과 비교하여 본 연구에서 제안하는 메커니즘이 항상 더 큰 추력을 발생하는 것을 확인했으며, 제안한 메커니즘이 추력 생성에 효과적임을 검증하였다.
