撲翼飛行器驅動機構回顧與展望

張弘志，宋筆鋒，孫中超，汪亮

西北工業大學 航空學院，西安 710072

撲翼飛行器屬于一種新型無人飛行器，在民用和軍用領域具有很大應用價值。撲翼飛行器的驅動機構是影響整機飛行性能的關鍵因素之一。隨著人們對撲翼飛行器性能的要求越來越高，撲翼飛行器的驅動機構也在不斷地發展更新，在最近20年里，更是涌現出了許多新型驅動機構。本文將對傳統純機械式撲翼驅動機構和基于智能材料的撲翼驅動機構做詳細的綜述，并總結各類驅動器的特點和發展趨勢。此外，柔性結構的使用提高了撲動驅動機構的性能，受到了國內外許多研究者的關注，因此本文還將簡要分析柔性結構在撲動驅動機構中的應用方式與效果。

1 純機械式驅動機構

純機械的撲翼驅動機構主要有基于直流電機的驅動機構、基于電磁鐵的驅動機構和靜電撲翼驅動機構3大類。基于直流電機的驅動機構的工作原理是利用各種機械傳動機構將電機輸出的連續回轉運動轉化為撲動翼的往復撲動運動，從而實現飛行器的撲翼飛行。基于電磁鐵的驅動機構則是通過交變的電磁場直接驅動撲動翼往復運動。而靜電撲翼驅動機構則是利用交變的靜電場驅動場內帶電體往復運動，從而帶動撲翼撲動。

1.1 基于直流電機的撲翼驅動機構

基于直流電機的撲翼驅動機構的設計核心在于運動變換裝置的選取。常見的將連續回轉運動變換為往復撲動運動的機械裝置有連桿機構、凸輪機構和繩輪機構等。這些變換裝置中連桿機構使用最廣泛，其技術也已經趨于成熟。

最早出現的也是最簡單的連桿機構為單曲柄雙搖桿機構，國外也將其稱為前置雙推桿機構[1]。這種驅動機構的工作原理是一個做回轉運動的曲柄通過2個連桿帶動2個擺動的搖桿以實現兩側鳥翼的撲動運動，其機構運動簡圖如圖1[2]所示。該機構只有一個自由度，結構簡單緊湊，構件較少質量較輕，且傳動效率較高。但是由于兩側撲翼運動的相位不完全對稱，兩側鳥翼產生的氣動力會有所差異[3]，因而使用該種驅動機構設計的仿鳥飛行器飛行不穩定，不易控制，容易出現墜機的危險。利用單曲柄雙搖桿機構設計的典型撲翼飛行器有特拉華大學的Pornsin-Sirirak等[4]的電動微型仿鳥飛行器“Microbat”(驅動機構示意圖見圖2[4])、中國臺灣的中華大學Tsai和Fu[5]的微型撲翼飛行器的驅動機構(驅動機構示意圖見圖3[5])。

為了減小單曲柄雙搖桿驅動機構帶來的兩側撲翼運動的相位差，許多學者對該機構進行了優化改進。其優化改進的基本原理是將兩側撲動翼運動的相位差作為目標函數，尋找影響該目標函數取值的自變量(此時目標函數為一個多元函數)，使用優化算法獲得目標函數的最小值以及各自變量的取值。本文作者團隊[6]曾使用遺傳算法對機構的參數進行優化，并完成了試飛，結果表明優化后的機構使兩側撲動翼運動的不對稱性降低為優化前的17.07%。同時西北工業大學的周凱等[3]根據仿生學、機械學等原理利用模式搜索法對目標函數進行優化，將兩翼運動的角度之差和角速度之差同時減小，經試飛后也收到了良好的效果。由此可以看出，對單曲柄雙搖桿機構進行最優化設計可以明顯改善飛行器飛行過程中左右傾斜晃動的現象，從而提高了飛行穩定性。

圖1 單曲柄雙搖桿(前置雙推桿)機構運動簡圖[2]Fig.1 Movement sketch of single crank double rocker (front double push rod) mechanism[2]

圖2 “Microbat”驅動機構示意圖[4]Fig.2 Schematic diagram of “Microbat” driving mechanism[4]

圖3 中華大學微型飛行器驅動機構示意圖[5]Fig.3 Schematic diagram of micro-aircraft driving mechanism in Chung Hua University[5]

單曲柄雙搖桿機構的撲動運動相位差是由機構的本身性質決定的，通過優化設計只能使其減小，而不能消除。為了完全消除兩側撲翼的運動相位差，人們開始利用運動對稱的機構裝備撲翼飛行器。其中雙曲柄雙搖桿機構(國外也稱為前置單曲柄機構[1])是目前應用最廣泛的驅動機構，其機構運動簡圖如圖4[7]所示。該機構的工作原理是使用一個小齒輪帶動兩側曲柄做無相位差的旋轉運動，兩側曲柄再分別帶動兩側撲動翼搖桿做無相位差的撲動運動。盡管雙曲柄雙搖桿機構完全消除了撲動運動的相位差，改善了撲翼飛行器的氣動性能，但是相對于單曲柄雙搖桿機構而言多引入了一個曲柄構件，從而增大了機構重量和摩擦損耗。該機構典型的應用實例有中國民航大學蘇漢平[8]設計的仿鳥撲翼飛行器，南京航空航天大學吉愛紅和沈歡[9]發明的模擬小黃蜂雙對翅無相差“拍—合”運動的“雙曲柄搖桿無相差雙對翼撲翼飛行器”樣機和Hsu等[10]在論文集中提到的基于前置平行單曲柄設計的微型撲翼飛行器(驅動機構示意圖見圖5[10])。

圖4 雙曲柄雙搖桿機構的機構運動簡圖[7]Fig.4 Movement sketch of double crank and double rocker mechanism[7]

圖5 前置平行雙曲柄撲翼機構示意圖[10]Fig.5 Schematic diagram of front parallel double crank flapping wing mechanism[10]

除了雙曲柄雙搖桿機構之外，能夠使撲動翼完全對稱運動的機構還有曲柄滑塊式撲翼驅動機構，其機構運動簡圖如圖6[11]所示。該機構的工作原理是曲柄通過連桿帶動中間滑塊上下移動，然后滑塊再通過連桿帶動兩側撲動翼搖桿往復撲動。安徽巢湖學院的徐兵等[12]利用該機構設計了一款曲柄滑塊式撲翼飛行器，其機構示意圖見圖7[12]。就單側撲翼而言，該機構實際上是一個平面六桿機構。盡管該機構的對稱性極好，但是由于引入了滑動副且增加了較多的構件，使得機械摩擦和重量均變得較大，這一點會嚴重影響撲翼飛行器的整體性能，因而未能得到廣泛應用。

圖6 曲柄滑塊式撲翼驅動機構簡圖[11]Fig.6 Movement sketch of crank-slider flapping wing driving mechanism [11]

除以上分析的常見機構外，近幾年出現的平面連桿式撲翼驅動機構還有很多，其中比較有特色的機構是西北工業大學胡峪等[13]基于曲柄導桿機構發明的搖櫓式撲翼控制機構，其機構運動簡圖如圖8[13]所示，裝置示意圖如圖9[13]所示。該機構中的曲柄帶動導桿上的撲翼(相當于槳葉)做搖櫓式的圓周運功，通過改變曲柄的旋轉方向即可改變推力的方向[13]。這種驅動機構結構簡單、控制方便、可靠性高，所驅動的撲動翼具有較高的氣動效率，是傳統平面連桿式撲動機構設計的一大突破。

圖8 曲柄導桿式驅動機構簡圖[13]Fig.8 Movement sketch of crank guiding-rod driving mechanism[13]

圖9 搖櫓式撲翼控制機構裝置示意圖[13]Fig.9 Schematic diagram of swinging flapping wing control mechanism[13]

隨著人們對撲翼飛行器仿生學原理的研究不斷深入，撲翼飛行器撲動翼的運動形式也在不斷增多。人們發現許多大型鳥類的翅膀在撲翼飛行過程中具有撲動、扭轉、彎曲折疊、揮擺4種主要運動形式[14]。因此為了使撲翼飛行器的運動形態更接近真實鳥類，從而提高氣動效率，人們開始研究使翼具有多種運動模式的驅動機構。對于中、大型的鳥類而言，撲動運動和彎曲折疊運動最為明顯，因此人們對多段式可彎曲折疊撲翼驅動機構做了大量的研究。哈爾濱工業大學深圳研究生院的姜洪利[15]研發了一種可同時實現鳥翼撲動運動和彎曲折疊運動的驅動機構，其機構運動簡圖如圖10[15]所示。該機構的工作原理是使用曲柄搖桿機構實現內翼的撲動運動，同時在內翼驅動機構的連桿和搖臂上串聯下一級連桿機構從而實現外翼的彎曲折疊運動。中北大學的趙志芳等[16]將兩段式可彎曲折疊撲翼驅動機構的構件位置和鳥翼的真實骨骼結構(鳥翼骨骼結構見圖11[16])做了詳細對比，并通過仿真分析發現飛行器翼尖的運動軌跡與真實鳥類翼尖運動的“8”字形軌跡極為相似，從仿生學的角度揭示了該機構的設計合理性。南京航空航天大學的黃鳴陽等[17]利用兩段式可彎曲折疊撲翼驅動機構設計了一款仿海鷗飛行器，該飛行器的撲動翼采用了柔性構件。在撲翼飛行過程中，仿海鷗飛行器的撲動翼在慣性力作用下可繞其弦線做被動扭轉運動，從而實現了撲動翼的撲動、主動折彎和被動扭轉3種運動形式的組合，通過氣動力計算和飛行試驗可以得知該飛行器比單一運動形式(只有撲動運動)的飛行器具有更好的飛行性能。武漢科技大學的華兆敏等[18]還設計了一種三段式可彎曲折疊撲翼驅動機構，其機構運動簡圖如圖12[18]所示。通過氣動力分析與計算，發現三段式撲翼機比兩段式撲翼機具有更好的氣動特性。

為了模仿鳥類翅膀更多的運動模式，人們逐漸將研究的目光轉移到空間連桿機構上。空間連桿機構的結構形式非常復雜，設計方法的靈活度較大，其設計與分析過程也變得更困難，但是其性能普遍優于平面連桿機構。北京航空航天大學的徐一村等[19]設計了一款空間曲柄搖桿撲翼機構，并制作了原理樣機，其機構運動簡圖如圖13[19]所示。經過試驗，發現空間曲柄搖桿機構的運動對稱性遠遠好于平面連桿機構。中國科學技術大學的魏榛等[20]發明了一種用于撲翼飛行器的空間平行曲柄連桿驅動機構，其運動簡圖如圖14[20]所示。該機構不僅可以實現撲動翼基本的撲動運動，還可以通過兩側曲柄機構的轉動產生相位差，使翼面產生扭轉角，從而改變撲動翼的迎角大小。這種驅動機構還被用在了研究鷹蛾懸停懸停飛行的撲翼實驗裝置中[21]，實驗表明該機構使飛行器的氣動效率得到了提升。

圖10 多段式可彎曲折疊撲翼驅動機構簡圖[15]Fig.10 Movement sketch of multi-stage folding flapping wing driving mechanism[15]

圖11 鳥翼詳細骨骼構造示意圖[16]Fig.11 Schematic diagram of bird wing detailed bone structure[16]

圖12 三段式可彎曲折疊撲翼驅動機構簡圖[18]Fig.12 Movement sketch of three-stage folding flapping wing driving mechanism[18]

國外的研究者研發了側裝曲柄機構用以裝備撲翼飛行器，側裝曲柄機構也是一種空間連桿機構，其特點是機構的運動平面與撲動翼撲動平面相互垂直，其中左右兩側的曲柄由同一齒輪帶動旋轉，從而可實現兩側撲動翼做無相位差的撲動運動[1]。日本大阪慢速飛行俱樂部[22]的微型飛行器和荷蘭“Delfly 2”[23]的驅動機構均采用側裝曲柄機構,其驅動機構示意圖分別見圖15[22]和圖16[23]。

圖13 空間曲柄搖桿機構簡圖[19]Fig.13 Movement sketch of spatial crank and rocker mechanism[19]

圖14 空間平行曲柄連桿驅動機構簡圖[20]Fig.14 Movement sketch of spatial parallel crank-rod driving mechanism[20]

鳥類和昆蟲等生物之所以能夠實現靈活高效的空中飛行，是因為其翅翼可以對各個運動模式進行主動控制，也就是說將撲動、扭轉、彎曲折疊和揮擺4種運動模式合理組合，并對其實施獨立控制，從而完成復雜的空中運動。這一點就需要撲翼飛行器的驅動機構具有多個運動自由度，而不是單純的使各個運動模式按照一定的相位關系組合起來。美國楊百翰大學的George[24]設計了一種空間多自由度的撲翼驅動機構，其機構示意圖如圖17[24]所示。該機構可以驅動撲動翼做撲動、扭轉、揮拍3種形式的運動，且這3種形式的運動相互獨立，無耦合關系。但是由于該機構結構復雜、體積較大，不容易使飛行器穩定飛行，因而目前只能用于在撲翼實驗臺做流場實驗。西北工業大學的李博揚[25]也設計了一款三自由度的撲翼驅動機構，并用于研究撲翼的各個運動參數對氣動力產生的影響。該機構使用3個電機配合工作可以實現撲動翼的撲動、扭轉和揮擺3種運動的獨立控制，其機構運動簡圖如圖18[25]所示。

圖15 大阪慢速飛行俱樂部的微型飛行器示意圖[22]Fig.15 Schematic diagram of Osaka Slow Flight Club’s micro-aircraft[22]

圖16 “Delfly 2”微撲翼飛行器驅動機構示意圖[23]Fig.16 Schematic diagram of driving mechanism of “Delfly 2” micro-flapping-wing aircraft[23]

除連桿機構以外，凸輪機構也可以將電機的連續回轉運動變換為撲動翼的往復撲動運動，因此也可以用作撲翼飛行器的驅動機構設計。西北工業大學的王利光等[26]發明了一種空間凸輪撲翼驅動機構，該機構使用空間凸輪帶動滑塊按照一定的運動函數關系沿直線運動，滑塊再通過一對連桿機構帶動兩側鳥翼做無相位差的撲動運動，其裝置示意圖如圖19[26]所示。浙江工業職業技術學院的丁長濤等[27]也設計了一種圓柱凸輪萬向節式仿鳥撲翼飛行機構，該裝置巧妙地將凸輪機構與萬向節組合起來，實現了撲動翼的高效撲動，其機構示意圖如圖20[27]所示。

圖17 楊百翰大學空間多自由度撲翼驅動機構示意圖[24]Fig.17 Schematic diagram of spatial multiple freedom degrees flapping wing driving mechanism by Brigham Young University[24]

圖18 空間三自由度撲翼驅動機構簡圖[25]Fig.18 Movement sketch of spatial three degree-of-freedom flapping wing driving mechanism[25]

圖19 空間凸輪撲翼驅動機構示意圖[26]Fig.19 Schematic diagram of spatial cam flapping wing driving mechanism[26]

仿生飛行器對驅動機構重量的限制極為苛刻，因此為了降低撲翼驅動機構的重量，人們開始采用繩輪機構裝備撲翼飛行器。浙江工業職業技術學院的丁長濤等[28]研發了一種線輪調幅卷膜式仿鳥撲翼飛行裝置，其機構示意圖如圖21[28]所示。該機構中的電機通過減速器帶動線輪轉動，纏繞在線輪上的牽引線和復位彈簧再帶動左右兩翼往復撲動。該機構中的牽引線和復位彈簧代替了曲柄搖桿機構中的連桿部分，因而重量有所減輕。美國Keennon等[29]也研發了一種基于繩輪傳動的撲翼驅動機構裝備仿蜂鳥微型飛行器，其裝置示意圖如圖22[29]所示。該驅動機構可以使撲動翼實現頻率在20 Hz以上、幅度在150°以上的撲動運動，其性能遠超過同等尺度連桿機構。

圖20 圓柱凸輪萬向節式撲翼驅動機構示意圖[27]Fig.20 Schematic diagram of cylindrical cam universal joint flapping-wing driving mechanism [27]

圖21 線輪調幅卷膜式撲翼驅動機構示意圖[28]Fig.21 Schematic diagram of wire wheel amplitude-adjusting rolling film flapping wing driving mechanism[28]

除以上機構外，人們也嘗試過使用其他種類的傳動方式設計撲翼飛行器的驅動機構。西北工業大學的付鵬等[30]使用不完全齒輪機構代替單曲柄雙搖桿機構中的翼搖桿構件，實現了左右翼的運動完全對稱，并且該機構又節省了一個連桿構件，從而減小了機械摩擦。該機構被成功用于微型撲翼飛行器的風洞試驗[31]，其裝置示意圖如圖23[31]所示。此外，上海交通大學的冷燁等[32]設計了一款極其簡單的仿生蝴蝶飛行器。這款飛行器的特別之處在于它的驅動機構省略了所有的運動變換裝置，利用舵機直接驅動撲動翼往復擺動，其機構示意圖如圖24[32]所示。由于該機構幾乎不存在摩擦損耗，因而其驅動效率較高。

圖22 “蜂鳥”繩輪傳動式撲翼驅動機構示意圖[29]Fig.22 Schematic diagram of “Hummingbird” rope wheel flapping wing driving mechanism[29]

圖23 不完全齒輪撲翼驅動機構示意圖[31]Fig.23 Schematic diagram of incomplete gear flapping wing driving mechanism[31]

圖24 仿生蝴蝶飛行器驅動機構示意圖[32]Fig.24 Schematic diagram of bionic butterfly aircraft driving mechanism[32]

1.2 基于電磁鐵的撲翼驅動機構

基于電磁鐵設計的驅動機構具有響應速度快、供能電壓低、輸出力較大和驅動位移大等多種優點，因而在仿生飛行器的設計中也得到了廣泛的應用。基于電磁鐵設計的撲翼驅動機構按照工作原理可以分為2類：一類是利用通電導體在磁場中受到的安培力驅動翼往復運動；另一類是利用磁性物體在磁場中受到的電磁吸力來帶動撲翼撲動。

北京航空航天大學的嚴小軍等[33]設計了一種低壓電磁驅動的人造撲翼，并制作出了原理樣機，進行了相應的實驗。驅動機構設計的基本原理是利用通電導體在磁場中受安培力作用而產生位移。在帶動撲動翼撲動的金屬翼桿上纏繞導線，并將翼桿置于一組極性相反的平行磁鐵產生的磁場中，在導線中通入交流電后，翼桿會在導線產生的安培力合力作用下做往復運動，從而帶動撲動翼撲動，其驅動機構示意圖如圖25[33]所示。

北京航空航天大學的張鈺和劉志偉[34]同樣也利用了通電導體在磁場中受安培力的驅動原理設計了一款電磁撲翼的實驗裝置，其機構原理示意圖如圖26[34]所示。實驗者將一根金屬微梁置于磁場中，并在其兩端加以約束。當向金屬梁中通入交變電流時，金屬梁就會在磁場中受交變的安培力作用，從而帶動撲動翼撲動。圖26中:IAC為通電電流，VAC為電壓，F為撲動翼受到的安培力。利用該款驅動機構，實驗者成功測定了驅動電壓、通電頻率和磁場強度對撲翼振幅的影響。

圖25 低壓電磁驅動的人造撲翼驅動機構示意圖[33]Fig.25 Schematic diagram of low-voltage electromagnetic artificial flapping wing driving mechanism [33]

圖26 基于金屬微梁振動的電磁撲翼實驗裝置組成及工作原理示意圖[34]Fig.26 Schematic diagram of composition and working principle of electromagnetic flapping wing experiment device based on metal microbeam vibration[34]

南開大學的方勇純等[35]利用磁性體在磁場中受吸合力作用的基本原理設計了一款微型撲翼機構，其產品示意圖如圖27[35]所示。該機構在工作過程時向電磁線圈中通入交變電流，搖動磁鐵在電磁線圈和回中磁鐵的作用下做往復擺動，從而帶動末端撲動翼運動。該機構還可以通過迎角偏轉磁鐵和迎角輔助磁鐵實現撲動翼的扭轉運動，從而在飛行過程中改變撲動翼的迎角。

圖27 可變迎角的電磁驅動撲翼機構示意圖[35]Fig.27 Schematic diagram of electromagnetic flapping wing mechanism with variable angle of attack[35]

為了增大電磁驅動器的輸出位移，人們將位移放大機構引入到了撲翼驅動機構的設計中。Meng[36]和Liu[37]等分別研制了2款基于電磁驅動的撲翼飛行器，其驅動機構示意圖如圖28[36]和圖29[37]所示。在他們研制的機構中都使用了柔性鉸鏈作為位移放大機構，從使撲動翼具有更大的撲動角度。此外Liu等[37]的設計的撲翼飛機還可以實現撲動翼的扭轉運動。這樣對驅動機構進行設計，可以明顯地提高撲翼飛行器的飛行效率，因此該種設計方式得到了較為廣泛的應用。

經驗表明，當電源的激勵頻率和撲翼機構的固有頻率相近時(即機構處于共振狀態)，電磁撲翼的輸出位移可以達到最大，此時飛行器的能耗也最低。但是基于共振方式的電磁撲翼只能在一段很窄的頻率范圍(共振頻率附近)內撲動，一旦驅動力頻率稍遠離共振頻率，撲動翼的撲動幅度就會急劇降低，升力驟降，最終導致飛行器無法飛行。對于克服這一缺陷，上海交通大學的張衛平等[38]研發了一種可變共振頻率的電磁驅動式雙驅動微撲翼飛行器，其驅動機構示意圖如圖30[38]所示。這種機構的特點是采用了一種電流變扭轉材料安裝到撲翼驅動機構上。電流變扭轉材料在不同附帶電荷或電勢下表現出不同的扭轉剛度,進而使機構整體獲得不同的共振頻率。此時通過調節電流變扭轉材料的電流即可改變系統的共振頻率，使得驅動機構可以在任意頻率下工作。這一驅動機構的使用顯著提高了飛行器的飛行效率和環境適應能力。

圖28 Meng等的電磁撲翼示意圖[36]Fig.28 Schematic diagram of for Meng et al electromagnetic flapping-wing mechanism [36]

圖29 Liu等的電磁撲翼示意圖[37]Fig.29 Schematic diagram of for Liu et al electromagnetic flapping wing mechanism [37]

電磁驅動的撲翼機構通過巧妙的設計也可以做到像連桿機構那樣實現多自由度的運動。韓國先進科學技術研究所的Yoon等[39]利用電磁驅動器開發了一款可以使撲動翼同時實現撲動和扭轉運動的空間多自由度驅動機構，其裝置示意圖如圖31[39]所示。Yoon等的機構運動靈活且控制簡單，是電磁驅動機構研究的又一重大進展。

圖30 可變共振頻率的電磁雙驅動機構示意圖[38]Fig.30 Schematic diagram of electromagnetic double driving mechanism with variable resonance frequency [38]

圖31 空間多自由度電磁驅動撲翼機構示意圖[39]Fig.31 Schematic diagram of space multi-degree-of-freedom electromagnetic flapping wing mechanism[39]

1.3 靜電撲翼驅動機構

靜電驅動器由于能量密度較低、驅動電壓較高且變形較小，因而在最初的撲翼飛行器的驅動機構設計中很少使用。但是隨著飛行器尺寸的微小化，靜電換能器逐漸顯示出其優越之處。由于靜電驅動器通過電壓驅動、易于集成和控制的特點，同時伴隨著半導體加工技術的發展，犧牲層刻蝕技術的開發，為靜電致動技術的研究提供了可能的技術背景，使靜電致動在微型致動器的研究開發中占據了突出的位置[40]。

靜電撲翼驅動機構在工作過程中機械運動與靜電場相互耦合，呈現強非線性的特征，其動態特性極其復雜，因此大多數關于靜電撲翼機構的研究都集中在驅動器的靜態特征上[41-43]。西北工業大學的侯宇等[44]建立了一種扭轉式靜電微撲翼驅動機構的動力學模型，并利用數值方法研究了靜電撲翼驅動器非線性耦合場的動態特性，其驅動機構模型示意圖如圖32[44]所示。該研究的結論為靜電撲翼驅動器的設計與應用提供了一定的理論基礎。

圖32 扭轉式靜電撲翼驅動器的模型示意圖[44]Fig.32 Schematic diagram of torsional electrostatic flapping-wing actuator model[44]

早期的靜電微撲翼驅動器均采用交流電壓，基于受迫振動原理來驅動撲動翼上下撲動[45]。這種驅動器輸出位移太小，且交流電路體積較大，無法微型化，另外使用時容易出現吸合短路的危險，因而一直未能成功普及使用。針對這些缺點，北京航空航天大學的楊藝和中國科學院的車云龍[46]共同提出了一種基于自激振動、靜電驅動原理的微撲翼驅動機構，并進行了優化設計與實驗仿真，其驅動機構結構示意圖如圖33[46]所示。正如Dickinson[47]的研究結果所述，若要實現飛行器撲動翼的高升力特性，不僅要使撲動翼具有較大的撲動幅度和較高的撲動頻率，還要在其撲動過程中結合扭轉運動。因此楊藝和車云龍在撲動翼根部安裝了柔性鉸鏈以實現撲動翼在撲動過程中的被動扭轉運動。經驗證，該驅動器在91 Hz的工作頻率下實現了±40°的撲動幅度和±25°的扭轉幅度，并輸出了1.5 mg的升力，升重比較以往靜電微撲翼驅動器有大幅度提升。

圖33 基于自激振動、靜電驅動原理的微撲翼驅動機構結構示意圖[46]Fig.33 Schematic diagram of micro flapping wing driving mechanism based on self-excited vibration and electrostatic driving principle[46]

此外北京航空航天大學的嚴小軍等[48]也利用靜電撲翼驅動器設計了一種自激式人工翅膀，其機構示意圖如圖34[48]所示。這種人工翅膀的設計同樣實現了在撲動運動過程中附加扭轉運動，其運動實現的基本原理與文獻[46]所述的機構相似。利用電路和驅動構件的自激振蕩原理實現多條金屬梁的往復彎曲運動以帶動撲動翼撲動和扭轉，其能源可來源于直流電池，無需復雜的交流電路。自激振動的驅動原理是靜電撲翼驅動器設計領域的又一重大突破。

圖34 自激式人工翅膀驅動機構示意圖[48]Fig.34 Schematic diagram of self-excited artificial wing driving mechanism[48]

1.4 純機械式撲翼驅動機構特點及發展趨勢

通過上述對各類傳統撲翼驅動機構的列舉與分析可以總結出其特點與發展趨勢如下：

1) 基于直流電機的撲翼驅動機構經歷了由簡到繁，再由繁到簡的發展歷程。隨著仿生學的逐漸深入，撲翼所具有的運動形式從最初的單一撲動運動逐漸發展到“撲動—扭轉—彎曲折疊—揮擺”混合運動，對應的驅動機構組成規模也隨之由簡到繁。由于人們對撲翼飛行器飛行效率的要求越來越高，希望將驅動機構的摩擦損耗和重量盡可能降低，因而不得不將已經變得極其復雜繁瑣的驅動機構逐漸化簡，以減少不必要的構件和運動副。

2) 隨著撲翼飛行器需要的運動自由度數量增多，基于直流電機的撲翼驅動機構的發展遇到了瓶頸。從機械學的角度講，一個機構要求實現多少個自由度，就需要配備多少個電動機。對于基于直流電機的撲翼驅動機構而言，自由度數量增多，意味著飛行器裝備的電動機就要增多，這會導致驅動機構變得極其笨重，以至于無法應用。

3) 基于電磁鐵的撲翼驅動機構發展迅速，應用越來越廣泛。電磁驅動器具有動力強勁、輸出位移大、響應迅速、供電電壓低、成本低廉等優點，因而成為撲翼驅動機構研究領域的熱點之一。但是由于電磁線圈相對其他電子元件而言體積較為龐大難以集成，限制了其在微型飛行器領域中進一步發展。

4) 隨著仿生飛行器的尺度逐漸減小，電子技術不斷發展，靜電驅動器在撲翼機構中廣泛應用的可能性越來越大。由于靜電驅動器的供電電壓較高，很難找到合適的能源設備裝備于仿生飛行器上，因此一直未能得到廣泛應用。但是隨著微機電系統(MEMS)技術的快速發展，使得高能量密度電源的誕生具備了可能性。此外隨著靜電驅動器理論的進一步深入研究，發現隨著飛行器的尺度減小，靜電驅動器的優勢越來越大，因此靜電驅動器有可能在未來被廣泛裝備于微型撲翼飛行器中。

2 基于智能材料的驅動機構

智能材料(也稱為靈巧材料)是一種能感知外部刺激，并能進行判斷處理，且自身可執行驅動的材料[49]。將智能材料用于撲翼驅動機構的設計是最近幾年仿生飛行器領域熱門的研究方向。首先智能材料在機械系統中既可以作為驅動器又可以起到結構的作用，因而可以對傳統復雜的機械傳動機構進行化簡，使整個系統變得簡單，容易實現小型化。其次智能驅動器相比于直流電機、電磁驅動器等傳統驅動器而言，運動形式較為靈活，通過合理設計容易實現多自由度的運動。此外多數智能驅動器具有體積小、質量輕、效率高的特點，更加適合小型仿生飛行器的設計。隨著智能材料的設計理論和制備技術逐漸發展，會有越來越多的微型撲翼飛機裝備智能驅動器。目前研究和應用較多的基于智能材料的撲翼驅動機構主要有壓電撲翼驅動機構、人工肌肉撲翼驅動機構兩大類。

2.1 壓電撲翼驅動機構

壓電驅動機構是利用壓電體的逆壓電效應工作的，即在電場的作用下產生機械變形[50]，從而帶動撲翼運動。壓電撲動驅動機構根據驅動器的結構形式主要分為3類，分別為壓電堆疊式撲翼驅動機構、壓電雙晶片式撲翼驅動機構和壓電纖維撲翼驅動機構。這3類壓電撲翼驅動機構均得到了廣泛的應用。

單一的壓電陶瓷產生的驅動位移很小，在設計上經常將多片壓電陶瓷堆疊在一起使用，因此形成了壓電堆疊驅動器。北京航空航天大學的李道春等[51]基于壓電片堆疊的原理發明了一種微型撲翼關節，其結構示意圖如圖35[51]所示。該關節主要由5部分組成，分別是前結構桿、動子、預緊機構、壓電定子和后結構桿，其中前后結構桿分別與飛行器的前翼和后翼相連。壓電定子包括驅動頭、兩組壓電疊堆、電極和定子基座,其中兩組壓電疊堆的構造相同,位移方向相互垂直。壓電疊堆的一端固定在定子基座上,另一端與驅動頭固定。調節兩組壓電堆疊通電的相位差可以實現關節的正反方向運動。該關節運動速度快、輸出力矩較大且精度高，因而有較好的發展前途。

壓電雙晶片是壓電陶瓷的另一種組合形式，它可以在電壓的驅動下產生彎曲變形，其結構示意圖如圖36[52]所示。西北工業大學的劉嵐等[53]使用壓電雙晶片設計了一款微撲翼飛行器的驅動器。該驅動器的工作原理是將壓電雙晶片作為懸臂梁，一端固定在機架上，一端與撲翼相連，壓電體在通電后可進行彎曲運動以帶動撲翼產生位移，其工作原理圖如圖37[53]所示。為了擴大驅動位移，他們提出一種撲動翼共振激勵放大位移的驅動機理。此時作為懸臂梁的壓電雙晶片撲翼驅動機構具有2種主要振動模態，一種是較低頻率的一階彎曲模態，另一種是較高頻率的一階扭轉模態。當激勵頻率接近一階彎曲固有頻率時可以實現撲動翼大幅度撲動，當激勵頻率接近一階扭轉固有頻率時可以實現撲動翼大幅度往復扭轉運動。只要撲動翼彎曲與扭轉的固有頻率比較接近時,選擇適當的激振頻率就能得到所需要的撲動與扭轉組合運動。

圖35 壓電堆疊式微型撲翼關節結構組成示意圖[51]Fig.35 Schematic diagram of piezoelectric stacked micro flapping wing joint structure composition[51]

圖36 壓電雙晶片結構組成示意圖[52]Fig.36 Schematic diagram of piezoelectric bimorph structure composition[52]

圖37 基于撲動翼共振放大機理的壓電雙晶片撲翼驅動器原理示意圖[53]Fig.37 Schematic diagram of piezoelectric bimorph flapping-wing actuator based on wings resonance amplification mechanism[53]

壓電纖維復合材料(MFC)具有驅動變形能力強、機電響應速度快、柔性良好等多種優點[54]，并且因其獨特的結構特征使得其驅動性能優于整體壓電晶片[55]，因而也被廣泛應用于撲翼驅動機構的設計中。寧波大學的吳高華等[56]使用壓電纖維復合材料設計了一款仿生撲翼機器人，其結構示意圖如圖38[56]所示。該驅動機構使用三級杠桿將壓電纖維驅動器的輸出位移放大后帶動撲翼運動，因此具有撲動幅度大、平衡性好、飛行動力強勁等優點。但是多級杠桿機構的傳動路徑較長，可能會造成一些的功率損失。

圖38 柔性壓電纖維撲翼驅動機構示意圖[56]Fig.38 Schematic diagram of flexible piezoelectric fiber flapping-wing driving mechanism[56]

單獨壓電驅動器的輸出位移較小，大多數情況下無法滿足撲翼機構的工作需求，因此壓電驅動器經常要與位移放大機構配合使用。新加坡國立大學Zhang等[57]研發了一種滑塊式位移放大機構(SIDM)，其機構組成示意圖如圖39[57]所示。該飛行器使用壓電晶體作為驅動器的動力源，壓電晶體在交流電的作用下發生往復直線運動，而后再經過滑塊搖桿機構將位移放大輸出給翼，從而實現翼的大幅度撲動。飛行器整體壓電驅動機構裝配圖如圖40[57]所示。

圖39 滑塊搖桿位移放大機構組成示意圖[57]Fig.39 Schematic diagram of slider rocker displacement amplification mechanism[57]

美國加州大學的Sitti[58]也研發了一款壓電驅動的微型撲翼飛行器，他們采用柔性四桿機構對壓電驅動器的輸出位移進行放大，其機構組成示意圖如圖41[58]所示。該機構中的柔性鉸鏈不僅沒有摩擦損耗，還可以充分吸收機構運動過程中的沖擊振動，并且還對系統能量進行調節儲存，因而該機構具有較高的傳動效率，有著廣泛的應用前景。

圖40 基于SIDM的壓電撲動驅動機構示意圖[57]Fig.40 Schematic diagram of piezoelectric flapping wing driving mechanism based on SIDM [57]

圖41 使用柔性鉸鏈放大機構的壓電驅動器機構簡圖[58]Fig.41 Sketch of piezoelectric driving mechanism using flexible hinge amplification[58]

2.2 人工肌肉撲翼驅動機構

人工肌肉根據其能量來源和材料內部結構分為外在收縮式和內在收縮式2種[59]。外在收縮式人工肌肉又分為氣動人工肌肉和液壓人工肌肉，由于其動力源較為龐大，因而不適合裝備撲翼飛行器。內在收縮式是一種對外界激勵有簡單響應的材料，其中研究最為廣泛的是電活性聚合物(EPA)。EPA在電場或電流刺激下，因其內部結構改變而產生變形，其變形量比形狀記憶合金(SMA)和電活性陶瓷高出1～2個數量級。同時EPA還具有質量輕、柔性好、無噪聲等特點，與真實肌肉的性能極為相似，甚至在某些方面超越了真實肌肉[60]，因而可用于仿生飛行器驅動機構的設計。EPA按照其驅動機理可分為電子型EPA和離子型EPA，由于電子型EPA的驅動電壓高達千伏，因此也不適合做仿生飛行器的驅動機構；而離子型EPA的熱點轉向電壓較低，且效率較高，因此可以用于制作仿生撲翼驅動器[59]。在所有的離子型EPA中，離子聚合物金屬復合材料(Ionic Polymer Metal Composites，IPMC)的響應速度較快且變形量較大，被廣泛用于撲翼驅動機構的設計。

圖42[61]為IPMC人工肌肉驅動器的工作原理示意圖，當IPMC人工肌肉兩側存在電勢差時，IPMC向陽極彎曲。若對其施加交流電，可以實現IPMC的往復彎曲運動，從而可帶動翼撲動。

圖42 IPMC人工肌肉驅動器工作原理示意圖[61]Fig.42 Schematic diagram of working principle of IPMC artificial muscle actuator[61]

廈門大學的徐兵[62]曾用IPMC設計了一種可以同時實現撲動和扭轉三維運動的撲翼驅動器，其驅動機構示意圖如圖43[62]所示(其中IPMC使用圖案化電極)。同時他還對IPMC的性能進行了測試，實驗證明IPMC各項性能指標滿足撲翼驅動器的要求。

圖43 使用圖案化電極的IPMC人工肌肉撲翼驅動器試驗樣件的結構示意圖[62]Fig.43 Schematic diagram of test specimen of IPMC artificial muscle flapping wing actuator using patterned electrodes[62]

智能驅動器的設計應當根據不同的智能材料的性質進行“取長補短”，于是人們開始嘗試設計采用混合驅動方式的撲翼驅動機構。中國科學沈陽自動化研究所的李洪誼等[63]研發了一種人工肌肉與電磁混合驅動的仿蠅機器人，其結構示意圖如圖44[63]所示。這款機器人采用電磁驅動的方式實現撲動翼的往復撲動運動，充分發揮了電磁驅動器響應迅速、撲動位移大的優勢；采用IPMC人工肌肉配合柔性鉸鏈驅動實現兩側撲動翼的主動扭轉，充分發揮了IPMC運動靈活的特點。這款撲翼飛行器可以在飛行過程中實現主動轉彎的功能，從而其環境適應性得以大幅度使提升。

圖44 人工肌肉與電磁混合驅動的仿蠅機器人結構組成示意圖[63]Fig.44 Schematic diagram of fly-like robot driven by artificial muscle and electromagnet[63]

吉林大學的孫霽宇等[64]也利用電致人工肌肉設計了一種自調節變形可折疊翼機構用于裝備撲翼飛行器。該產品巧妙地將人工肌肉和連桿機構結合起來，實現了撲動翼的彎曲折疊，其裝置示意圖如圖45[64]所示。在飛行過程中，人工肌肉驅動器受單片機的控制，能夠快速精準地完成收翼和展翼的動作。

圖45 基于電致人工肌肉驅動的自調節變形可 折疊翼機構示意圖[64]Fig.45 Schematic diagram of self-adjusting deformable foldable wing mechanism based on electro-induced artificial muscle driving[64]

國外的研究者也對人工肌肉撲翼驅動器做過相關研究，Kim等[65]曾對IPMC人工肌肉驅動器的技術參數(驅動力、輸出位移等)做過測試，結果表明其性能指標能夠滿足撲翼飛機的設計要求。此外他們還制作了一款由IPMC驅動的人工撲翼用于進一步試驗，其結構示意圖如圖46[65]所示。

圖46 實驗用IPMC驅動的人工撲翼結構示意圖[65]Fig.46 Schematic diagram of artificial flapping wing driven by IPMC in experiment [65]

此外美國佐治亞理技術研究院的Entomopter等[66]曾研究了一種名為“Entomopter”的微型撲翼飛行器，其樣機示意圖如圖47[66]所示。這種飛行器的驅動機構由往復式化學肌肉(RCM)制成。其驅動的原理是向化學肌肉中注射一定量的化學燃料，使其在肌肉內部發生化學反應，將燃料的化學能轉化為動能以驅動化學肌肉做往復式運動，從而實現撲翼的上下撲動。這種機構形式簡單，但是化學反應不易控制，因而未能廣泛使用。

圖47 化學肌肉驅動的微型撲翼飛行器樣機示意圖[66]Fig.47 Schematic diagram of micro flapping wing aircraft driven by chemical muscle[66]

隨著人工肌肉制備技術的快速發展，出現了一種性能更加優良的電致驅動人工肌肉，即PVC凝膠人工肌肉(PVC-Gel)。PVC-Gel驅動器具有響應速度快、輸出力大、驅動位移大、柔性良好等優點，故而有潛力被用于撲翼驅動機構。工程上常將多片PVC-Gel驅動器堆疊應用，故而稱為PVC-Gel堆疊驅動器，其結構組成示意圖如圖48[67]所示。

圖48 PVC-Gel堆疊驅動器組成示意圖[67]Fig.48 Schematic diagram of PVC-Gel stack actuator composition[67]

2.3 基于智能材料的撲翼驅動機構現狀特點及發展趨勢

根據上述對各種基于智能材料的撲翼驅動機構的列舉和分析，可以總結其特點與發展趨勢如下：

1) 在微小型撲翼飛行器中，壓電驅動器得到了廣泛的應用，其技術也較為成熟。壓電驅動器的響應速度極快，且驅動力大，容易精確控制，其驅動位移小的缺點也可以采用相應的位移放大機構得以補償，因而被廣泛應用于微小型撲翼飛行器的驅動機構設計中。

2) 隨著材料學和化學制備技術的逐步發展，將有越來越多的人工肌肉用于撲翼驅動機構的設計中。人工肌肉具有輸出位移大、運動靈活、柔韌性強等多種優點，因而受到撲翼飛行器研究者的青睞。另外使用人工肌肉可以方便地實現撲翼更多自由度的運動，這一點是其他類型驅動器無法與之相比的。

3) 多自由度的撲翼飛行器可以采用組合動力形式。智能材料的使用要點之一是“取長補短”，應當根據驅動機構的運動要求和各種類型智能材料的特點合理布置驅動器，從而多自由度撲翼飛行器的高效飛行。

3 柔性結構在撲翼驅動機構中的應用

自然界中鳥類與昆蟲的骨骼、關節以及翅膀均具有一定的柔性。各國的研究者們對飛行生物的這一特點展開了大量的研究。為了使撲翼飛行器的驅動機構更真實地模擬鳥類與昆蟲的生理結構，研究者們逐漸將一些柔性結構用于撲翼飛行器驅動機構的設計中。從機械學的角度分析，可以認為撲翼飛行器的驅動機構由構件與運動副2部分組成。因此目前柔性結構在撲翼飛行器驅動機構中的應用情況可大致分為2類，一類是柔性化運動副，另一類是柔性化構件。

柔性化運動副又可分為2種使用方式，一種是剛性鉸鏈與彈簧組合使用，另一種是直接采用柔性鉸鏈代替原始的剛性鉸鏈。中國民航大學的張威等[68]針對剛性鉸鏈與彈簧組合使用方式對撲翼飛行器驅動機構的性能影響建立了詳細的數學模型，其計算模型示意圖如圖49[68]所示。計算結果表明合理地使用柔性結構可以使電動機的負載變得均勻，其轉速也可以變得更穩定，這樣不僅可以大幅度提高驅動機構的機械效率，還可以顯著延長電動機的使用壽命。

圖49 剛性鉸鏈與彈簧組合使用情形下的驅動機構計算模型示意圖[68]Fig.49 Schematic diagram of calculation model of driving mechanism with combined use of rigid hinge and spring[68]

將機構中的一些剛性鉸鏈直接替換為柔性鉸鏈可以顯著降低運動副間的摩擦損耗，并可以起到一定的減重效果，目前這種設計理念很受人們歡迎。南洋理工大學的Lau等[69]設計了一款名為“Dipteran”的微撲翼飛行器，其驅動機構組成示意圖如圖50[69]所示。

圖50 “Dipteran”微撲翼飛行器柔性驅動機構示意圖[69]Fig.50 Schematic diagram of flexible driving mechanism of “Dipteran” micro flapping wing aircraft[69]

研究者將傳統的曲柄滑塊驅動機構中的一部分剛性旋轉鉸鏈替換為柔性鉸鏈以構成柔性驅動機構。實驗證明這種使用柔性鉸鏈直接替代剛性鉸鏈的設計理念可以節省更多的能量。

剛性鉸鏈與柔性元件組合使用的方式在發揮柔性結構緩沖、吸振、節能的作用同時，還可以保證驅動機構的運動副具有足夠的強度，且設計方案便于實現。直接使用柔性鉸鏈替換剛性鉸鏈的使用方式盡管可以實現減摩減重的功效，但是柔性鉸鏈在往復運動過程中極易出現疲勞破壞，其強度問題將成為設計過程的難點。

撲翼飛行器驅動機構中的構件包括傳動構件(連桿、搖臂等)和執行構件(撲動翼)。將剛性傳動機構中的一些剛性構件替換為柔性構件可以使機構大幅度簡化，顯著減少運動副的使用，從而起到減重、減摩、減振、降噪的作用。柔性構件的引入還可以增強驅動機構的柔順性，提高飛行器的飛行效率。武漢科技大學的屠凱等[70]設計了一種柔性空間四桿機構用于研究撲翼飛行器各個運動參數對氣動力的影響，其驅動機構組成示意圖如圖51[70]所示。實驗者使用Adams軟件建立了撲翼機構的剛柔耦合動力學模型，分析了該柔性機構的運動特性，證明機構可以滿足仿生飛機的設計要求。

柔性連桿與柔性鉸鏈一樣，在使用過程中同樣存在疲勞損壞的問題，另外存在柔性連桿的撲翼飛行器驅動機構在仿真計算過程中需要考慮柔性連桿的非線性大變形問題，這將使得機構的設計過程變得繁瑣復雜。從效率、重量、強度等多方面考慮，柔性連桿比較適用于仿昆蟲等微型撲翼飛行器驅動機構的設計中，而在仿鳥類等中大型撲翼飛行器中的應用則需要進一步研究探索。

撲翼飛行器的撲動翼是其驅動機構的執行構件，它的結構形式同樣影響著驅動機構的性能。隨著仿生飛行器的深入發展，柔性撲動翼越來越受人們的關注。鳥類的翅膀具有一定的柔性，可以根據不同的飛行環境主動或被動地調整其外在形狀，以便獲得更高的飛行效率。因此人們為了進一步提高仿鳥飛行器的飛行效率，也開始使用柔性撲動翼來裝備撲翼飛行器。西北工業大學的年鵬等[71]研發了一種翼根附有翼型的柔性撲翼，其翼結構組成示意圖如圖52[71]所示。通過風洞試驗證明該種柔性撲動翼可以明顯改善撲翼飛行器的飛行性能。

圖51 柔性空間四桿機構組成示意圖[70]Fig.51 Schematic diagram of spatial flexible four-bar mechanism composition[70]

圖52 翼根附翼型的柔性撲翼結構示意圖[71]Fig.52 Schematic diagram of flexible flapping wing with airfoil attached to root[71]

4 結 語

撲翼驅動機構種類繁多，且各有特點。從目前的發展形勢看，基于直流電機的撲翼驅動機構應用最廣泛，且技術也較為成熟。但是隨著人們對撲翼飛行器運動靈活性和飛行效率的要求越來越高，基于直流電機的驅動機構遇到了發展瓶頸，人們不得不探索新型驅動機構。基于智能材料的撲翼驅動機構成為了目前仿生飛行器領域的研究熱點，壓電、人工肌肉等新材料大量應用于撲翼機構的設計中。為了進一步提高撲翼飛行器的飛行效率，人們嘗試將柔性結構應用到撲翼機構的設計中，并取得了較為顯著的成果。

[21] 魏榛,高東奇,賈立超,等.一種用于研究鷹蛾懸停飛行的撲翼實驗裝置[J].實驗力學,2010,25(4):393-400.

WEI Z, GAO D Q, JIA L C, et al. A flapping-wing experimental device for studying hovering flight of hawk moth [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2010,25 (4): 393-400 (in Chinese).