撲翼飛行機器人的設計與研究

趙國堯，杜 強

（西華大學機械工程學院，四川 成都 610039）

相比于旋翼、固定翼飛行器，撲翼機器人具有易操控、可靠性高、隱蔽性強、噪聲小等優點，在軍用和民用領域有更廣闊的應用前景[1]。隨著數學、計算機、生物等技術的不斷發展，人們逐步發現了撲翼飛行生物的一些特有規律，為設計、研發出具有實際應用價值的撲翼飛行機器人奠定了基礎。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

加拿大Toronto 大學的Delaurier 設計出一種柔性機翼，可繞機身方向上下撲動[2]。他與合作伙伴Harris 在1991 年制造了1/4 翅翼的大型試驗機并試飛成功，被美國FAI 認為機械驅動撲翼飛行器的首次成功試飛，為后來撲翼飛行機器人研究奠定了基礎。此次大型撲翼飛行器實驗表明飛行器的重量與其長度的立方成正比，因其尺寸過大，且當前階段的撲翼空氣動力學理論尚不完善，致使大型撲翼飛行機器人的發展嚴重受阻。

1992 年，DARPA 提出“MAV”的概念以來，全球的研究人員開始深入探究微型撲翼飛行器。以較小的撲翼生物為藍本進行仿生研究。1998 年，Aero Vironment 公司聯合加州理工學院，仿蝙蝠研制出“Mirco-bat”的撲翼機器人，能滯空飛行22 分45 秒。2000 年，美國的佐治亞理工學院研發了一種往復式化學肌肉驅動的撲翼微型飛行器[3]。2011 年，美國的Aero Vironment 公司發布了一款類似蜂鳥、高頻率撲動飛行的微型撲翼機，名為“Nano Humming Bird”，它的出現被譽為撲翼發展史上的又一里程碑[4]，如圖1 所示。2018 年德國Festo 公司研制出“Smart Bird”，它同時考慮了翅翼的上下撲動及弦向扭轉運動，較好模擬出鳥的飛行狀態[5]，如圖2 所示。

圖1 Nano Humming Bird

圖2 Smart Bird

1.2 國內研究現狀

清華大學的曾理江[6]運用非線性理論，獲得了昆蟲的飛行參數。北航的孫茂[7]利用N-S 方程和渦動力學理論，從渦不失落角度進一步解釋了昆蟲飛行中產生高升力的機制。南航的昂海松[8]等人通過非定常渦格法，分析了仿鳥的復雜振動撲翼特性，提出一種新的變速-折疊翅翼結構，使得撲翼機的升力系數大幅度提高[9]。

2 關鍵技術分析

撲翼機器人的關鍵技術主要在于如何有效地解決非定常空氣動力學問題、撲翼機構的設計問題、撲翼翅翼的設計選擇問題以及撲翼飛行機器人的續航飛行能力等問題[10-11]。

2.1 空氣動力學問題

由于撲翼飛行機器人是仿昆蟲或鳥類的特殊飛行方式——撲翼，通過翅翼運動帶動空氣的流動，再反作用翅翼的相互影響過程，故經典的空氣動力學理論并不適用[11]。目前，主要通過風洞實驗和數值計算的方法進行研究。針對撲翼飛行機器人的非定常空氣動力學問題的研究，當前有兩種常見的分析方式：其一是剛體分析法。它假設撲翼機器人為剛體，采用非線性的牛頓-歐拉方程進行分析[12]；另一種是通過建立翅翼的運動學方程，來分析翅翼的動力學參數[13]。隨著大量研究工作的進行，以上方法的正確性逐漸得到驗證。但如何得到更優的飛行機理以及大幅提高升、推力仍是撲翼飛行器空氣動力學研究的重點和難點。

2.2 撲翼驅動機構的設計

無論是昆蟲還是鳥類飛行，撲翼驅動機構是實現撲翼飛行的最核心部件。常見的傳統撲翼驅動機構[14]包括：曲柄滑塊機構，由于滑塊運動低副的存在，增加了系統運行中的摩擦力，使得系統效率較低；單曲柄雙搖桿機構，因為兩側搖桿運動的不對稱性，會產生不平衡慣性力；雙曲柄雙搖桿機構，是對單曲柄雙搖桿機構優化后的一種機構，它是當前應用最廣泛的撲翼機構；空間曲柄搖桿機構，是針對微型撲翼機的微型化要求，所提出的一種空間機構，其原理同雙曲柄雙搖桿機構類似，不同之處在于將兩曲柄的旋轉中心轉過90°和將原先的轉動副換成球副，這樣使得撲翼機構更加緊湊和靈活，如圖3 所示。

圖3 空間曲柄搖桿機構

基于對傳統撲翼機構的探索，當前也有一些新的撲翼結構誕生，例如：王紅超等[15]研發出一種帶有彈性儲能原件連接的新型仿鳥撲翼機構，從翅翼獨立控制、能量消耗更少、合理的折疊翅翼平均升力更高三個方面介紹新型撲翼機構的優勢，如圖4 所示；李康康等[16]采用變剛度串聯關節機構和平面轉動冗余并聯機構實現翅翼的剛度變化，進一步研究了撲翼飛行機器人的升、推力隨撲翼剛度變化的機理。

圖4 新型仿鳥撲翼機構

2.3 翅翼的設計與選擇

觀察發現，幾乎所有的昆蟲都是單段翅翼結構且撲動頻率都較高。研究者發現蜻蜓的褶皺翅翼影響著翅翼的固有頻率和模態情況，使得蜻蜓在高頻撲動情況下不會發生共振，而且相比光滑翼型具有更好的升力特性[17]。除了對單段翅翼結構的研究，郝淑文[18]通過流固耦合的數值方法研究了氣動彈性對膜撲翼的氣動性能影響，發現具有剛性前緣、柔性后緣和適當厚度的翼型具有更好的氣動特性。

鳥類翅翼與昆蟲翅翼有較大不同，通常采用的是雙段翅翼結構。陳亮[19]等根據改進的葉素理論對仿鳥翅翼進行研究，發現鳥類翅翼的內段翼主要是產生升力，而外段翅翼主要產生飛行的推力。借鑒固定翼較成熟的翼型應用，對雙凸、平凸、凹凸、對稱以及S 型翼型進行數值對比，發現彎度較大的S 型翼型能有效提升撲翼的升力，而雙凸類翼型對撲翼飛行的推力貢獻較大。

無論是昆蟲還是鳥類，過去的研究者們常將其翅翼簡化為剛性翅翼進行流場分析，這顯然是不符合實際的[20]。近年來，隨著計算機水平的不斷發展提高，研究者們發現柔性翅翼不僅能提高飛行升力還能提供更大的推力，而且撲翼飛行器上撲過程能夠有效地減小空氣阻力[21-22]。因此，在翼型的設計與選擇過程中可以參考具有一定柔性變形規律的翅翼類型。

2.4 飛行動力系統

撲翼飛行機器人的動力裝置在滿足體積小、質量輕的前提下，需提供足夠的飛行速度和航程。當然不同驅動類型的撲翼機構需要不同的動力裝置。目前，最常見的動力源系統是微電機驅動、電磁驅動、壓電驅動和人造肌肉驅動等[23]。

北航的張鈺等[24]提出了一種新型電磁驅動的方案，并建立了微梁振動模型驗證了其可行性。國外Chattaraj N 等[25]發現了一種類似微撲翼與疊層壓電驅動器之間傳輸的分布式柔性機構，不僅減小了撲翼機構的橫向尺寸，還將原有的撲動頻率提高了13 倍。人造肌肉驅動通過注入化學元素產生化學能，使得“肌肉”的伸縮和彎曲實現撲翼機構的復雜運動。有學者指出，美國的佐治亞技術研究所GTRI 根據其特點研發了名為“Entomopter”的撲翼機[26]。以上動力系統特點如表1 所示。

表1 動力系統的優缺點

3 展望

隨著科技水平的不斷提高，從整體角度出發，對撲翼飛行機器人未來的研究和發展方向提出以下幾點展望：

（1）撲翼飛行的研究始終離不開空氣動力學。只有通過對昆蟲和鳥類飛行機理的深入研究，建立正確的數學模型，分析低雷諾數下非定常氣動特性，獲得氣動參數變化規律，才能為撲翼飛行機器人的設計提供理論依據。

（2）完善撲動機構的設計。通過對現有撲動機構的優缺點總結，實現新機構的創新，例如采用柔性機構、空間機構、多樣式組合機構等新型撲翼驅動機構，以完成更優異的驅動機構設計。

（3）翼型的選擇。不同類型的翼型具有不同的氣動特性，所以選擇合理的翼型極其重要。柔性翅翼能有效改善撲翼的氣動特性，隨著技術的發展，柔性翼技術將成為未來發展的必然趨勢。

（4）動力源的研究。由于微電機技術較成熟，在近期驅動器仍以微電機為主。要想獲得更優的微電機技術，只能對微電機的組成部件進行優化，或者研發出新型超微輕質高驅動智能化的裝置。

4 結束語

本文就撲翼飛行機器人的研究現狀進行了回顧和分析，并對其關鍵技術作了總結，最后對飛行機器人的發展趨勢作了展望。實驗和數值模擬方法是研究撲翼飛行氣動理論的有效方法；撲動機構、翅翼和動力系統的研究，是探尋更完善的撲翼飛行器結構及系統設計的有效途徑；撲翼飛行器的發展方向將是微型化、智能化、柔性化。