機(jī)器人作業(yè)參考-撲翼飛行機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析

//文通大學(xué)

機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與綜合

——撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

姓名:

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學(xué)號(hào):

日期:

撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

摘要

仿生撲翼飛行機(jī)器人是一種具有新穎移動(dòng)方式的、集多種前沿技術(shù)于一體的

新概念仿生飛行器，目前己成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一，無論在軍事還是民用領(lǐng)

域都有著廣闊的應(yīng)用前景。本文在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外最新研究成果基礎(chǔ)上，圍繞仿生

撲翼飛行機(jī)理、仿生翼運(yùn)動(dòng)模型以及撲翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)展開了研究與探索。

首先介紹了仿生撲翼飛行的研究背景，分析了仿生撲翼飛行的特點(diǎn)及其可觀

的應(yīng)用前景；闡述了仿生撲翼飛行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，探討了目前和將來研究中

所遇到的一些關(guān)鍵技術(shù)。

基于空氣動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)仿生撲翼飛行機(jī)器人的可行性進(jìn)行了分析；探討了

動(dòng)物飛行方式及其尺度律對(duì)仿生撲翼飛行機(jī)器人設(shè)計(jì)的啟發(fā)，指出采用撲翼布局

是解決在低雷諾數(shù)下飛行難點(diǎn)的一種可行方案；重點(diǎn)研究了動(dòng)物撲翼飛行機(jī)理，

為研制仿生撲翼飛行機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

根據(jù)動(dòng)物撲翼系統(tǒng)特點(diǎn)，探討了仿生翼設(shè)計(jì)的i些重要因素;重點(diǎn)提出了撲

式和洗式運(yùn)動(dòng)模型的概念，并分析比較了兩者的特點(diǎn)，詳細(xì)探討了撲式運(yùn)動(dòng)模型

的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)動(dòng)物飛行尺度律，確定了樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)；就基于連桿機(jī)構(gòu)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)

構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析比較，探討了撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)途徑和方法，并針對(duì)基

于四桿機(jī)構(gòu)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)樣機(jī)功率需求，選擇了適合撲

翼樣機(jī)的動(dòng)力裝置、能源，設(shè)計(jì)了減速機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。

對(duì)飛行方向控制、撲翼姿態(tài)以及柔性翅的模仿提出了自己獨(dú)特新穎的觀點(diǎn)，

并把這些觀點(diǎn)應(yīng)用在撲翼式飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)之中。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建立三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和受力分析，得到了

較好的仿真和分析結(jié)果。

本文所有工作都取得了預(yù)期效果，相信隨著研究工作的深入及相關(guān)技術(shù)的完

善，仿生撲翼飛行機(jī)器人的研究必將取得突破性的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：仿生，撲翼飛行機(jī)器人，動(dòng)物飛行機(jī)理，尺度律，撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，三維

建模，運(yùn)動(dòng)仿真，應(yīng)力分析

TheDesignandAnalysisofBionic

Flapping-wingAerialRobot

Abstract

BionicFlapping-wingAerialRobot(BFAR)isaaerialvehiclewithnewconcept,

whichhasnovellocomotionmethodandinvolvesandinvolvesadvancedtechnologies.

BFARbecomesahotspotofresearchrecently,andhasextensiveapplicationin

militaryandcivilian.OnthebasisofsummarizingalIkindsoflatestresearch

achievementsonthisfield,theflapping-wingflightmechanism>themovementmodel

ofbionicwingsandtheflapping-wingdrivesystemarestudiedinthispaper.

Firstly,theresearchbackgroundofBFARisintroduced;thecharacteristicsand

theapplicationprospectsareanalyzed.Itisalsoconcludedthatflapping-wingflight

hashigherefficiencyandbiggerminiaturedegree,andtheBFARisthetendencyof

flightrobot.Thisthesisreviewsthedevelopmentandcurrentresearchsituationof

BFAR,alsodiscusseskeytechnologiesofBFAR.

Basedontheaerodynamicstheory,thefeasibilityofBFARisanalyzed.The

designinspirationofBFAR,whichcomesfromtheflightmodeandscalingrule,is

probedinto.Itisproposedthatflapping-wingflightisadoableschemetosolvethe

difficultyofflightunderlowRenaud.Theflapping-wingflightmechanismofanimal

isinvestigatedinparticular,andtheresultsprovideatheoryfoundationfordeveloping

BFAR.

AccordingtothecharacteristicsofanimaFsflapping-wingsystem,some

importantfactorsofthebionicwing,designflapping-wingandwashing-wingare

discussed.Anewconceptofthelocomotionisbroughtforward,andtheir

characteristicsanalyzedrespectively.Theapproachtorealizetheflapping-wingmode

isstudiedindetails.

Onthefoundationofanimalflightscalingrule,thedesignparametersofthe

prototypeareworkedout.Thedesignofflapping-wingactuators,basedonlinkage

mechanism,isanalyzed,themethodsandwaysofrealizingtheactuatorsarealso

discussed,thedesignofactuatorsbasedonthefour-linkagemechanismisoptimized.

Inconformitytothedemandpower,themotiveequipmentandenergysystemare

selected;thegear-downtransmissionsystemandcontrolsystemareframed.

Ihaveputforwardmyownuniqueandinnovativeideasondirectioncontrol,

flappinggesturesandflexiblewings,atlast,Iusetheseviewsinthedesignofflying

robots.

Accordingtothedesignedparameters,Ihavebuiltathree-dimensionalmodel,

mademotionsimulationandstressanalysisofthemodel.Atlast,Igotagood

simulationandanalysisresult.

Alltheworkofthisthesisshowsagoodachievement.Withthedevelopmentof

researchwork,wethinkfirmlythattheresearchofBFARwillmakeabreakthroughin

thefuture.

Keywords:Bionics,Flapping-wingaerialrobots,Flightmechanismofanimals,Scalingrule,

Flapping-wingactuators,Optimizeddesign,3Dmodeling,motionsimulation,stressanalysis

目錄

1緒論............................................................1

1.1引言.........................................................1

1.2撲翼飛行特點(diǎn)及其應(yīng)用前景....................................1

2撲翼飛行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀........................................3

2.1早期研究情況................................................3

2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀................................................3

2.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀................................................8

3撲翼機(jī)器人研制的關(guān)鍵技術(shù).......................................10

3.1空氣動(dòng)力學(xué)問題..............................................10

3.2飛行動(dòng)力和能源問題.........................................10

3.3仿生翼、撲翼機(jī)構(gòu)和材料.....................................11

3.4通信和控制系統(tǒng).............................................11

4兩類撲翼式飛行方式的比較.......................................13

4.1鳥類的飛行機(jī)理..............................................13

4.2昆蟲的飛行機(jī)理..............................................15

4.2.1昆蟲飛行的非定常特性......................................15

4.2.2昆蟲翅膀的形狀和結(jié)構(gòu)....................................16

4.2.3昆蟲飛行的非定常高升力機(jī)理..............................17

5撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及分析.....................................20

5.1撲翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇.........................................20

5.2動(dòng)力裝置與能源的選擇.......................................24

5.2.1動(dòng)力裝置................................................24

5.2.2能源的選擇..............................................25

5.3齒輪減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).........................................25

5.4撲翼四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析...........................26

5.5仿生翼、機(jī)身、尾翼和控制系統(tǒng)...............................30

6撲翼飛行機(jī)器人的建模...........................................32

6.1機(jī)架.......................................................32

6.2動(dòng)力源.....................................................33

6.3運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)...................................................34

6.4飛行方向控制系統(tǒng)...........................................35

6.5撲翼.......................................................37

6.6控制系統(tǒng)...................................................38

6.7撲翼機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)..........................................39

7機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析...............................................40

8撲翼受力分析..................................................46

結(jié)論...........................................................53

參考文獻(xiàn).........................................................55

1緒論

1.1引言

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)飛行機(jī)器人的研究多集中于固定翼和旋翼類型，這兩種類型的

飛行機(jī)器人各有特長(zhǎng)，但活動(dòng)場(chǎng)所和工作環(huán)境等都受到一定的限制。隨著軍事、

民用的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于許多任務(wù)而言，固定翼和旋翼類型的機(jī)器人

的飛行方式是不夠的。因此，為了適應(yīng)任務(wù)的復(fù)雜性和環(huán)境的多樣性，對(duì)具有更

好機(jī)動(dòng)靈活性的飛行方式的研究是勢(shì)在必行，即要在飛行方式上進(jìn)行創(chuàng)新。與固

定翼和旋翼類型的飛行機(jī)器人相比，撲翼飛行方式由于其具有更大的機(jī)動(dòng)靈活

性、更好的避障能力以及低廉的飛行費(fèi)用，因而受到國(guó)內(nèi)外眾多研究者的廣泛關(guān)

注。許多國(guó)家都已在這方面進(jìn)行了研究，如美國(guó)加州大學(xué)、日本東京大學(xué)等都已

經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究探索工作，國(guó)內(nèi)的科學(xué)家們也開始了這方面的基

礎(chǔ)研究工作。

仿生撲翼飛行機(jī)器人目前還處在一個(gè)剛剛開始和興起的階段，雖然取得了一

些階段性研究成果，但距離實(shí)用階段還有很遠(yuǎn)，仍有很多理論和實(shí)踐工作需要進(jìn)

行深入研究。我國(guó)應(yīng)利用這個(gè)有利時(shí)機(jī)，加大投入，爭(zhēng)取在仿生撲翼飛行機(jī)器人

研究的某些關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破。

1.2撲翼飛行特點(diǎn)及其應(yīng)用前景

仿生撲翼飛行機(jī)器人或仿生撲翼飛行器，既屬于飛行器范疇，又屬于新概念

的仿生飛行機(jī)器人研究范疇，是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)

制造的新型E行機(jī)器人:隨著對(duì)動(dòng)物飛行機(jī)理的認(rèn)識(shí)和微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)、

空氣動(dòng)力學(xué)和新型材料等的快速發(fā)展，仿生撲翼飛行機(jī)器人在目前己成為一個(gè)新

的研究熱點(diǎn)。

仿生撲翼飛行機(jī)器人若研制成功，它便有一些飛行機(jī)器人所不具有的優(yōu)點(diǎn):

如原地或小場(chǎng)地垂直起飛，極好的飛行機(jī)動(dòng)性和空中懸停性能以及飛行費(fèi)用低

廉，它將舉升、懸停和推進(jìn)功能集于一撲翼系統(tǒng)，可以用很小的能量進(jìn)行長(zhǎng)距離

飛行，因此更適合在長(zhǎng)時(shí)間無能源補(bǔ)充及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)。自然界的飛行

生物無一例外地采用撲翼飛行方式，這也給了我們一個(gè)啟迪，同時(shí)根據(jù)仿生學(xué)和

空氣動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果可以預(yù)見，在翼展小于15cm口寸，撲翼飛行比固定翼和旋翼

飛行更具有優(yōu)勢(shì)，微型仿生撲翼飛行機(jī)器人也必將在該研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

仿生撲翼飛行器通常具有尺寸適中、便于攜帶、飛行靈活、隱蔽性好等特點(diǎn),

因此在民用和國(guó)防領(lǐng)域有十分重要而廣泛的應(yīng)用，并能完成許多其他E行器所無

法執(zhí)行的任務(wù)。它可以進(jìn)行生化探測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)，進(jìn)入生化禁區(qū)執(zhí)行任務(wù);可以

對(duì)森林、草原和農(nóng)田上的火災(zāi)、蟲災(zāi)及空氣污染等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);可以進(jìn)入人員

不易進(jìn)入地區(qū)，如地勢(shì)險(xiǎn)要戰(zhàn)地，失火或出事故建筑物中等;特別是在軍事上，

仿生撲翼飛行器可用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、巡邏、突襲、信號(hào)干擾以及進(jìn)行城市作戰(zhàn)等。

2

2撲翼飛行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

2.1早期研究情況

眾所周知，早在中國(guó)西漢時(shí)代就曾有人來模仿鳥的飛行，世界上第一架按技

術(shù)規(guī)程設(shè)計(jì)的撲翼機(jī)圖紙出自著名畫家達(dá)?芬奇之手，它是根據(jù)鳥類飛行機(jī)理進(jìn)

行設(shè)計(jì)的，至今仍完好地保存在博物館內(nèi)。但過了300多年后，科學(xué)家們才重新

開始考慮撲翼機(jī)，并把它作為一種飛行器來研究。在19世紀(jì)中期，由考夫曼、

英國(guó)人哈爾格萊夫和德國(guó)人李林塔爾對(duì)撲翼機(jī)的理論所作的研究及實(shí)踐成為撲

翼飛行器發(fā)展史上重要的里程碑。

20世紀(jì)初，俄羅斯科學(xué)家和設(shè)計(jì)師們?cè)谶@一領(lǐng)域內(nèi)取得了重大突破，但鑒

于知識(shí)背景，當(dāng)時(shí)的撲翼飛行器也不能算理想的飛行器。一系列的失敗迫使科學(xué)

家們重新進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，通過試飛實(shí)踐和所積累的理論資料，科學(xué)家們看到了許

多問題，如:機(jī)翼?yè)鋭?dòng)時(shí)效果不明顯，并未產(chǎn)生理想的升力和推力。另外，關(guān)鍵

一點(diǎn)是科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到之前那些僅靠人體自身肌肉的力量來驅(qū)動(dòng)的撲翼飛行器

是無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行的。由此至20世紀(jì)中后期，人類歷經(jīng)艱辛才發(fā)明了撲翼滑

翔飛行器和動(dòng)力撲翼飛行器。但是仍由人發(fā)出功率，故不能獨(dú)立起飛，只有獲得

必要的高度才能滑翔飛行，在無上升氣流情況下，要靠駕駛員人力撲動(dòng)機(jī)翼，以

減緩某一時(shí)刻的下降速度;后者當(dāng)時(shí)則利用了發(fā)動(dòng)機(jī)來完全或部分取代人力。在

1986年，美國(guó)人波拉.麥克里辿在動(dòng)力撲翼飛行器上取得過一定成績(jī)，但須要加

裝大傳動(dòng)比的減速器才能使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足撲翼工作要求，相比之下，蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)、

電動(dòng)機(jī)等更適合撲翼飛行器使用。

2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀

初期的撲翼飛行機(jī)器人的發(fā)展融入了許多科學(xué)家的艱苦努力，但整體上都顯

得較為龐大且也相當(dāng)笨重:，離實(shí)用還相當(dāng)甚遠(yuǎn)，和目前發(fā)展的撲翼飛行機(jī)器人

相比，也顯得很笨拙，卻為后期的研究工作提供了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)外對(duì)仿生撲翼飛行機(jī)器人的研究始于90年代初，目前研究工作主要包括

仿生飛行機(jī)理、微型仿生飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研制、材料及單個(gè)部件研究等幾個(gè)

方面。隨著MEMS技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)和新型材料等的發(fā)展，如今的撲翼飛行機(jī)

器人也越來越靈巧且逐漸小型化，離實(shí)用也越來越近，它的發(fā)展也成為飛行器研

究領(lǐng)域最為熱門的前沿學(xué)科。其主要的進(jìn)展有以下幾方面：

（一）“大撲翼”

20世紀(jì)末，撲翼飛行器的發(fā)展也取得了可喜的成功。在1996年，加拿大人

詹姆斯.德拉瑞爾研制了“大撲翼”，由24馬力的兩沖程超輕型發(fā)動(dòng)機(jī)通過一個(gè)

3

機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置直接與機(jī)翼相連，一個(gè)鏈齒條裝置驅(qū)動(dòng)位于飛行員身后的兩個(gè)構(gòu)架

上下運(yùn)動(dòng)，使機(jī)翼中段被反復(fù)抬出。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到3800轉(zhuǎn)/分的最大速度時(shí)，機(jī)

翼能撲動(dòng)L3次每秒。德拉瑞爾也認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)上最大的挑戰(zhàn)是機(jī)翼，必須承認(rèn)這

是歷史上技術(shù)最復(fù)雜的機(jī)翼。通過研究鳥類飛行的慢動(dòng)作照片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在這一

瞬間發(fā)生了太多不同的運(yùn)動(dòng)，要模仿這些運(yùn)動(dòng)實(shí)在不易。在設(shè)計(jì)時(shí)，德拉瑞爾提

出，只要能產(chǎn)生撲動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)巧妙結(jié)合的效果就足夠了，經(jīng)過多年研究，他們

驗(yàn)證了一種剪切一彎曲設(shè)計(jì)和三軸控制方法原理的可行性，在“大撲翼”上，飛

行員通過操縱水平定面來控制俯仰，向控制應(yīng)該是撲翼的第三個(gè)功能，“大撲翼”

的機(jī)翼還不行，它的機(jī)翼設(shè)計(jì)排除了使用常規(guī)的副翼進(jìn)行直接滾轉(zhuǎn)控制的可能，

因此還得依靠方向舵。至于滾轉(zhuǎn)控制則靠的是一種偏航一滾轉(zhuǎn)禍合的方法。然而

理論研究和模型試驗(yàn)不能證明一切，所有設(shè)計(jì)都還需在試飛中檢驗(yàn)。今天的撲翼

飛行器就像上個(gè)世紀(jì)40年代的超音速飛機(jī)一樣，未知領(lǐng)域還非常多，特別是穩(wěn)

定性和控制問題在設(shè)計(jì)過程中依然是非常重要的難題。遺憾的是“大撲翼”的首

次試飛及改進(jìn)后的試飛均未達(dá)到要求，但它卻為隨后的深入研究工作提供了很好

的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

（二）“夜鷹”

在“大撲翼”的研究期間，加拿大人杰姆?泰斯和賽德也正在嘗試研制撲翼

機(jī)…“夜鷹”，他們的設(shè)計(jì)原理與德拉瑞爾的完全不同，而是更想接近鳥類的飛

行方式，因而飛行器沒有垂尾和方向舵，而是靠控制撲翼角度和頻率來操縱，加

上一個(gè)獨(dú)立控制的鴿子似的尾部上下、左右地運(yùn)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)著，同時(shí)在氣流合適時(shí)

保持滑翔，轉(zhuǎn)向則是靠獨(dú)立反向機(jī)翼彎曲。他們利用液壓作動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，能對(duì)撲翼

角度和頻率施加直接控制，當(dāng)然控制的量還得由計(jì)算機(jī)精確掌握，同時(shí)液壓部件

也要有很高的重復(fù)頻率和疲勞耐受力。雖然“夜鷹”在理論研究研究上漸趨成熟，

但試飛結(jié)果同“大撲翼”一樣，也未達(dá)到既定要求，故還需不斷改進(jìn)。

（三）微型撲翼飛行器

自20世紀(jì)中后期以來，鑒于仿生撲翼飛行機(jī)器人潛在的更具吸引力的應(yīng)用

前景，其在短時(shí)間內(nèi)就吸引了許多研究者的關(guān)注，研究主要集中在撲翼飛行仿生

機(jī)理和撲翼結(jié)構(gòu)方面，關(guān)于較大尺寸及微型撲翼的空氣動(dòng)力學(xué)研究也逐漸成為熱

點(diǎn)。

仿生學(xué)原理方面研究工作通常分為結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和升力機(jī)理幾部分進(jìn)行?！?/p>

些學(xué)者對(duì)昆蟲和鳥類的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了比較深入的研究。了解到昆蟲和鳥類

與飛行有關(guān)的奇異、微妙的結(jié)構(gòu)和功能。通過吊飛和自由飛行試驗(yàn)研究，得到昆

蟲和鳥類撲翅飛行運(yùn)動(dòng)模式，以及一系列有意義的飛行參數(shù)，如撲動(dòng)頻率、撲動(dòng)

幅度等。Wooton認(rèn)為昆蟲飛行能力和飛行技巧的多樣性大半來自于翅型多樣性

和微妙復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。許多生物飛行的非定常機(jī)理以及生物的飛行運(yùn)動(dòng)模式也

在模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得以提出。

1973年weis-Fohg在對(duì)黃蜂的飛行運(yùn)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種產(chǎn)生升力

4

的“振翅拍擊和揮擺急動(dòng)(ClapandFling)”機(jī)構(gòu)，并論述了這種機(jī)構(gòu)產(chǎn)生瞬時(shí)升

力的機(jī)理。

1994年smith用有限元法和氣動(dòng)翼段法建立了飛蛾翅膀的彈性動(dòng)力學(xué)與空氣

動(dòng)力學(xué)耦合模型，研究了在氣動(dòng)力和慣性力作用下翼的各階彎曲和扭轉(zhuǎn)振型，并

與剛性翼模型進(jìn)行了對(duì)比。

1996年英國(guó)劍橋大學(xué)的Ellington等為研究撲翅周圍的旋渦，研制了雷諾數(shù)

與天蛾相同的扇翅模型一扇板。通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此扇板在下扇時(shí)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈

的前緣旋渦，此前緣渦在上拍和下拍過程中均不脫落，他們經(jīng)過分析認(rèn)為前緣渦

不脫落是昆蟲翅膀產(chǎn)生高升力機(jī)制之一，提出由于翅膀下拍產(chǎn)生前緣渦從而產(chǎn)生

較大升力的"動(dòng)態(tài)失速"(dynamicsstall)機(jī)制。LiuH等用數(shù)值求解Navier-Stokes

方程，證實(shí)昆蟲翅膀在上拍和下拍過程中都存在附著前緣渦。

1997年Hall等提出一種使撲翼大幅值拍打產(chǎn)生升力和推力的最小環(huán)流分布

的計(jì)算方法;Jones等系統(tǒng)地分析計(jì)算了單撲翼和前后組合撲翼的非定常流場(chǎng)、推

力和功率。

1999年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校以Dickinson為首的研究小組［20］在一個(gè)裝

滿礦物油的油罐中對(duì)機(jī)械翅進(jìn)行試驗(yàn)，模擬昆蟲在低雷諾數(shù)下的飛行情況，得出

了昆蟲依靠延遲失速(delayedstall)＞旋轉(zhuǎn)循環(huán)(rotationalcirculation)與尾流捕獲

(wakecapture)的共同作用來產(chǎn)生高升力的結(jié)論。

另外，WeiShyy、Stacey等口從生物學(xué)角度出發(fā)，主要研究了低雷諾數(shù)下的

撲翼運(yùn)動(dòng)和柔性翼型對(duì)飛行的影響，認(rèn)為柔性翅能增大升力。SrygleyRB等提

出昆蟲在飛行過程中根據(jù)飛行力需要，交替采用幾種非定常高升力機(jī)理。Jones

研制出一個(gè)具有上下兩對(duì)均可產(chǎn)生拍打和俯仰運(yùn)動(dòng)的撲翼機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了風(fēng)洞試

驗(yàn)。

仿生學(xué)原理研究的最終目的是研制成功仿生飛行機(jī)器人。以上這些研究較好

地解釋了一些生物的非定常高升力機(jī)理，也推動(dòng)了仿生撲翼飛行關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)

展，但對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)研究較少，尚未形成一套完整和適用理論來指導(dǎo)仿生研究。另

外可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)際上關(guān)于大尺寸撲翼的研究已經(jīng)從單純理論分析計(jì)算開始轉(zhuǎn)向研

制實(shí)際撲翼機(jī)構(gòu)。

微型撲翼飛行器的興起與美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的重視是分不

開的。早在1982年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校就開始進(jìn)行微型撲翼飛行的運(yùn)動(dòng)

機(jī)理和空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，并在十幾年研究的基礎(chǔ)上于1998年開始實(shí)行微

型撲翼飛行昆蟲(MicromechanicalFlyingInsect,MFI)的研究計(jì)劃，目的是模擬蒼

蠅的獨(dú)特飛行性能，設(shè)計(jì)出一種能夠獨(dú)立自主操縱的微飛行機(jī)器，如圖1所示。

該項(xiàng)目共分為四個(gè)階段:可行性分析、結(jié)構(gòu)加工制作、空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)翼控制研

究以及飛控和集成綜合系統(tǒng)研究。研究人員己對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)特性作了詳細(xì)分

析，設(shè)計(jì)研制了一種仿昆胸腔結(jié)構(gòu)(一種由壓電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的差動(dòng)機(jī)構(gòu))，其能源

由尾部的太陽(yáng)能電池供給，現(xiàn)已取得初步成功。接下來的工作是研制機(jī)翼的閉環(huán)

5

控制器，通過控制機(jī)翼產(chǎn)生的力的大小和改變機(jī)翼扇動(dòng)模式，以使其能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定

飛行。

圖1MFI及其獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院(GTRI)的“Entomopter是工程師Michelson和他的助手

研制的“仿昆蟲微型撲翼飛行器”，如圖2所示，這種微型飛行器有著與蝴蝶翅

膀相似的機(jī)翼，機(jī)翼采用特殊結(jié)構(gòu)和材料制成，可在一種往復(fù)式化學(xué)肌肉

(ReciprocatingChemicalMuscle,RCM)驅(qū)動(dòng)下上下?lián)鋭?dòng)，機(jī)翼上下?lián)鋭?dòng)能根據(jù)昆

蟲飛行原理提供升力，并使飛行器具有盤旋能力，尾部的天線能夠增加平衡作用。

該撲翼飛行器的研究者期望它能在未來的火星探測(cè)中發(fā)揮其重要作用。

圖2Entomopter及其火星探測(cè)概念機(jī)

日本東京大學(xué)IsaoShimoyama和他的研究小組最早從事微型仿生飛行機(jī)器

人的研究，他們的研究重點(diǎn)是各種驅(qū)動(dòng)器、能源以及基于MEMS技術(shù)研制仿生

翅和柔性錢鏈機(jī)構(gòu)，取得很多研究成果。圖3所示為電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的仿昆E行機(jī)器

人。圖示結(jié)構(gòu)中，板A、B、C構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)翅無摩擦運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)，板B、板

C與板A上分別涂有相反磁性的磁層，翅膀上的灰色彈性薄膜是控制翅下拍時(shí)

打開，上拍時(shí)閉合。在電磁場(chǎng)的作用下，板B和板C朝著與板A運(yùn)動(dòng)方向相反

的方法運(yùn)動(dòng)，使得翅膀上下拍動(dòng)。另外，日本東北大學(xué)KShimasaki和他的研究

小組也開展了電磁驅(qū)動(dòng)微型仿生飛行機(jī)器人研究，如圖4所示，在電磁力驅(qū)動(dòng)下,

6

下拍時(shí)磁性翅膀向下壓聚酷亞胺翅膀，兩個(gè)翅膀一起向下拍動(dòng)，上拍時(shí)聚釀亞胺

翅膀在聚乙烯較鏈處向下彎曲，從而上下拍動(dòng)產(chǎn)生升力差。他們的研究重點(diǎn)是柔

性較鏈和共振系統(tǒng)。日本研究者還研究了幾種微型仿生飛行機(jī)器人，如靜電場(chǎng)驅(qū)

動(dòng)微型仿生飛行機(jī)器人、螺線管驅(qū)動(dòng)的仿昆拍動(dòng)大模型、靜電驅(qū)動(dòng)的仿昆拍動(dòng)小

模型等，并通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)初步證明微型仿生飛行機(jī)器人的可行性。

圖3東京大學(xué)研制的仿昆蟲飛行機(jī)器人圖4東北大學(xué)研制的微型飛行機(jī)器人

加州大學(xué)和AeroVironment公司及加州洛杉磯大學(xué)共同研制了微型撲翼飛行

器，名為“Microbat',如圖5所示。該微型飛行器的研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)研

究了撲翼飛行方式的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性，并制作了一種輕型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將微電

機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)翼的煽動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，該飛行器的機(jī)翼能以20Hz的頻率煽動(dòng)，

采用Nicd-50電池作為動(dòng)力源，并在非控制條件下進(jìn)行了18秒、46米遠(yuǎn)的飛行

實(shí)驗(yàn)。這也是迄今為止文獻(xiàn)公開報(bào)道的、有技術(shù)細(xì)節(jié)的、可以持續(xù)飛行的微型仿

生撲翼飛行器。

美國(guó)加州大學(xué)還計(jì)劃在2004年研制出翼展5?10mm,重46mg,180Hz壓電

石英驅(qū)動(dòng)的四翼“機(jī)器蒼蠅”，又稱“黑寡婦(BlackWidow)”，如圖6所示。美

國(guó)斯坦福研究中心(SRI)和多倫多大學(xué)在DARPA的資助下，設(shè)計(jì)了多種撲翼微型

飛行器模型，圖7所示為他們共同研究的一種撲翼微型飛行器“Mentor”，它有4

片由“人工肌肉”驅(qū)動(dòng)的撲動(dòng)機(jī)翼和用來保持穩(wěn)定的尾翼，整個(gè)飛行器約30厘

米，重不到住5千克，并在2002年2月成為世界上第一架成功懸浮空中的微型

撲翼飛行器。研制人員希望能夠把它縮小至蜂鳥大小，這樣它就可以被用于監(jiān)視

工作了。此外，DARPA也資助了基于彈性動(dòng)力和熱動(dòng)力的撲翼飛行器研究工作,

另外幾種類型的微撲翼飛行機(jī)構(gòu)也正在研制并取得了一定的成功。

7

圖5加州大學(xué)和AeroVironment公司及加州洛杉磯大學(xué)共同研制的Microbat

圖6機(jī)器蒼蠅構(gòu)想圖圖7DARPA資助下的“Mentor”

此外，還有一些研究機(jī)構(gòu)專門研究微型撲翼飛行機(jī)器人中單個(gè)部件，研究較

多是微動(dòng)力源。麻省理工正在研制微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組，可產(chǎn)生13g

推力，自身重僅Igo發(fā)動(dòng)機(jī)用硅制成，轉(zhuǎn)速106r/min以上。美國(guó)M-DOT公司

己于近期研制可一種微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)長(zhǎng)約7.6cm,重量85g,可以產(chǎn)生

6.272N推力。IGR公司正在研制固體氧化物燃料電池，其能量密度是鋰電池好

幾倍。

2.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)仿生撲翼飛行的研究起步相對(duì)較晚，但國(guó)內(nèi)科學(xué)家們始終關(guān)注著其發(fā)

展動(dòng)態(tài)，近期國(guó)內(nèi)不少高等院校和科研機(jī)構(gòu)也開始這方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工

作。仿生學(xué)方面，張志濤等、曹雅忠等、程登發(fā)等、吳孔明和郭予元、彩萬志等

分別開展了生物飛行動(dòng)力學(xué)、生理學(xué)、功能形態(tài)學(xué)等方面的研究。清華大學(xué)的曾

理江等人重點(diǎn)進(jìn)行了昆蟲運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究和應(yīng)用以及有關(guān)昆蟲運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量和

分析，在此基礎(chǔ)上建立了昆蟲運(yùn)動(dòng)模型，研究了昆蟲運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

升力產(chǎn)生機(jī)理方面，北京航空航天大學(xué)的孫茂等用Navier-Stokes方程數(shù)值

解和渦動(dòng)力學(xué)理論研究了模型昆蟲翼作非定常運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)力特性，解釋了昆蟲

產(chǎn)生高升力的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上探索了微型飛行器的飛行原理，包括氣動(dòng)布局新

概念、新控制方式、最大速度、允許重量、需要功率等問題。止匕外，北京大學(xué)、

安徽工業(yè)大學(xué)和廈門大學(xué)也對(duì)昆蟲飛行產(chǎn)生高升力非定常機(jī)理進(jìn)行了探討。

8

南京航空航天大學(xué)的昂海松等對(duì)鳥類飛行機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出一種新

型的變速一折疊模型，通過非定常渦格法的計(jì)算分析了仿鳥復(fù)合振動(dòng)的撲翼氣動(dòng)

特性。為微型撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了一定參考依據(jù)。哈爾濱工程大學(xué)楊蘭

生等也對(duì)鳥撲翼模型進(jìn)行分析，并提出一種仿生撲翼空間關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。

在昆蟲和鳥類飛行機(jī)理研究基礎(chǔ)上，西北工業(yè)大學(xué)目前也正在研制微型撲翼

飛行器，如圖8所示，飛機(jī)采用聚合物鏗電池和微型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，碳纖維機(jī)架，

柔性機(jī)翼，總重約15g,撲翼頻率15-20HZ,由于受電池容量限制，飛行時(shí)間約

8-18so試驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)在低速風(fēng)洞中進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。南京航空航天大學(xué)胡宇群

等對(duì)微型飛行器中的若干動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了研究，南京航空航天大學(xué)胡鈴心也成

功了國(guó)內(nèi)第一架在空中懸浮飛行的撲翼飛行器，如圖9所示。

圖8西北工業(yè)大學(xué)的微型撲翼飛行器圖9南京航空航天大學(xué)研制的微撲翼飛行器

上海交通大學(xué)蔡弘等研究了翼展50-60mm的基于電磁和基于壓電驅(qū)動(dòng)

的撲翼MAV方案。中科院趙亞博也就關(guān)鍵力學(xué)和智能材料問題進(jìn)行了研究。但

總體而言，我國(guó)在這方面的研究與國(guó)外相比尚有一定差距，尤其在實(shí)踐方面更是

如此,可見中國(guó)在仿生撲翼飛行器方面的研究可謂任重而道遠(yuǎn)。相信不久的將來,

我國(guó)在仿生撲翼飛行器方面的研究必能取得重大進(jìn)展與突破。

9

3撲翼機(jī)器人研制的關(guān)鍵技術(shù)

雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)撲翼飛行器空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)及其實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的研究己

取得了初步的理論和試驗(yàn)成果，但這些研究距離實(shí)際能夠飛行的撲翼飛行器尚有

一定差距。為了實(shí)現(xiàn)撲翼飛行，除了應(yīng)繼續(xù)從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步深入地研究仿

生機(jī)理之外，非定常機(jī)理的研究、高性能的動(dòng)力系統(tǒng)和能源問題、高效驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

的設(shè)計(jì)與制造以及以后的通信與控制系統(tǒng)等應(yīng)成為撲翼飛行器研制的關(guān)鍵。

3.1空氣動(dòng)力學(xué)問題

仿生撲翼飛行機(jī)器人的空氣動(dòng)力學(xué)問題非常復(fù)雜。由于目前研究的都是尺寸

小、速度低類的，仿生撲翼飛行機(jī)器人要在比較低的雷諾數(shù)下飛行，此時(shí)空氣粘

滯力很大，這與飛機(jī)完全不同，顯然飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)理論不能完全適合于仿生

撲翼飛行機(jī)器人。

仿生撲翼飛行研究以模仿鳥和昆蟲類撲翅運(yùn)動(dòng)為主，但昆蟲和鳥類的翅膀不

像飛機(jī)翼那樣具有標(biāo)準(zhǔn)的流線型，而是類似的平面薄體結(jié)構(gòu)。按照傳統(tǒng)的空氣動(dòng)

力學(xué)理論，它們無法有效地利用空氣的升力和阻力，因而就很難起飛。但是它們

翅膀在拍動(dòng)過程中伴隨著快速且多樣性的運(yùn)動(dòng)，這會(huì)產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部

不穩(wěn)定氣流，這種非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)效應(yīng)是研究和理解昆蟲、鳥類飛行機(jī)理和空

氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)而實(shí)現(xiàn)仿生飛行的重要基礎(chǔ)。目前仿生撲翼飛行機(jī)器人在低雷諾

數(shù)下的空氣動(dòng)力學(xué)問題還處在試驗(yàn)階段，沒有具體的理論和經(jīng)驗(yàn)可以遵循，只能

參考常規(guī)飛行器設(shè)計(jì)中所采用的一些成熟技術(shù)，如氣動(dòng)力計(jì)算方法與軟件系統(tǒng)，

在此基礎(chǔ)上發(fā)展新的理論和試驗(yàn)技術(shù)。因此應(yīng)在充分認(rèn)識(shí)生物飛行非定?？諝鈩?dòng)

力學(xué)及翅膀運(yùn)動(dòng)模式的基礎(chǔ)上，提取精華并簡(jiǎn)化運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)能有效地產(chǎn)生升力

和推進(jìn)力的仿生機(jī)構(gòu)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)仿生撲翼飛行的目的。

3.2飛行動(dòng)力和能源問題

動(dòng)力裝置在仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中起著關(guān)鍵作用，也是目前微型仿生撲

翼飛行機(jī)器人發(fā)展所面臨的制約因素之一。動(dòng)力裝置要在保證整個(gè)飛行器尺寸小

的前提下，能提供足夠的能量并轉(zhuǎn)化為機(jī)器人所需驅(qū)動(dòng)力，以及維持機(jī)載設(shè)備工

作所需電能。研制高功率和高能量密度微型動(dòng)力裝置和微型動(dòng)力源是一個(gè)迫切需

要解決的問題。

早期仿生撲翼飛行器的研究經(jīng)驗(yàn)告訴我們，僅靠人體肌肉的力量來驅(qū)動(dòng)的撲

翼飛行器是無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行的。由于微型仿生撲翼飛行器要求外形較小、質(zhì)量

輕、驅(qū)動(dòng)元件效率高、能耗少，這就要求在對(duì)仿生撲翼飛行內(nèi)在關(guān)系的分析了解

10

基礎(chǔ)上，對(duì)其能源動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量、大小以及功率等方面的因素對(duì)撲翼飛行驅(qū)動(dòng)

的作用進(jìn)行深入細(xì)致的探討。

目前動(dòng)力裝置主要采用微型馬達(dá)、微型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、基于MEMS技術(shù)的微

靜電致動(dòng)器、壓電致動(dòng)器以及交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器、各種人造肌肉等。這些都在國(guó)內(nèi)

外的研究中被嘗試應(yīng)用，但考慮到驅(qū)動(dòng)效率，馬達(dá)依然是較常用的驅(qū)動(dòng)器，目前

的馬達(dá)做的非常微小，如上海交大研制的直徑為1mm的電磁型超微馬達(dá)等。另

外，人造肌肉具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快以及具有更高的動(dòng)力與質(zhì)量

比等特點(diǎn)，也是將來的發(fā)展方向。

為驅(qū)動(dòng)提供能量的能源種類很多，如電化學(xué)電池、燃料電池、微型渦輪發(fā)電

機(jī)、熱光電發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池等。由于仿生撲翼飛行機(jī)器人最終目標(biāo)是自主飛

行，因此無線式供給將是以后發(fā)展的重點(diǎn)?？紤]到撲翼飛行對(duì)質(zhì)量和大小的要求,

在今后的研制過程中，電池和微型馬達(dá)應(yīng)是相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的首選對(duì)象。

3.3仿生翼、撲翼機(jī)構(gòu)和材料

設(shè)計(jì)和制造具有非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性的高效仿生翼，是仿生撲翼飛行研究

中亟待解決的問題。飛行所需氣動(dòng)力都是靠機(jī)翼上下拍動(dòng)來產(chǎn)生。因此仿生翼必

須輕而堅(jiān)固，能夠在高頻振動(dòng)下不會(huì)斷裂，且要能夠提供足夠的升力和推進(jìn)力等。

仿生翼的研究包括翼的結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)模式的實(shí)現(xiàn)、材料的選擇以及與制

造有關(guān)的工藝問題。在設(shè)計(jì)過程中，翼形主要還是仿造動(dòng)物翅膀形狀，翼的重量

要輕，在撲動(dòng)過程中還要有靈敏的柔性，當(dāng)然還要通過多種翼形比較，選擇最有

效的形狀。進(jìn)行仿生翼研究的目的并不是要完全模仿生物的翅膀來實(shí)現(xiàn)靈巧的運(yùn)

動(dòng)模式，而是在進(jìn)一步研究鳥類、昆蟲翅膀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，提取其

精髓并進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而研制出更具靈活性和更優(yōu)運(yùn)動(dòng)性能的翼形。撲翼機(jī)構(gòu)

也不同與一般運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，模仿生物的翅膀的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模式，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就需要實(shí)現(xiàn)

復(fù)合運(yùn)動(dòng)，高頻和摩擦是一個(gè)重要的問題。

此外，材料的選擇涉及仿生撲翼飛行的整個(gè)過程，設(shè)計(jì)中的重量輕、柔性以

及微型化等要求都與材料有關(guān)。另外，為保證整體重量輕，翼有一定強(qiáng)度且能靈

活變形，聚脂化合物及碳纖維等也被廣泛采用。在研制過程中，必須綜合考慮撲

翼飛行的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性及機(jī)構(gòu)制作的工藝特性要求來選擇合適性能

的材料。

3.4通信和控制系統(tǒng)

在仿生飛行器的發(fā)展過程以及未來的應(yīng)用過程中，通信和控制系統(tǒng)是必不可

少的重要裝備，這其中的翼變化控制和穩(wěn)定性控制是控制系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。

像鳥類和昆蟲一樣實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生撲翼飛行的控制是不現(xiàn)實(shí)的，控制系統(tǒng)須根據(jù)

11

實(shí)際使用要求進(jìn)行很大的簡(jiǎn)化。首先，將外部條件簡(jiǎn)化，即考慮飛行環(huán)境是理想

的;其次，可采用多級(jí)簡(jiǎn)單控制方法。另外，結(jié)合實(shí)際研制過程，遙控操作、電

子調(diào)速及方向舵相結(jié)合的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)仍將是首選。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式控制系統(tǒng)的發(fā)展

為仿生撲翼飛行器的控制系統(tǒng)研究提供了很好的前景。

此外，該類飛行器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)往往要遠(yuǎn)離操縱者，這就要求飛行器必須具

備靈敏的通信系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制及傳遞收集到的有價(jià)值信息等。研制

適合的GPS接收機(jī)和地面匹配系統(tǒng)是較為前沿的通信方式，這對(duì)該類飛行器的

發(fā)展來說是非常必要的。目前適用于仿生飛行器的通信系統(tǒng)仍處于不斷發(fā)展階

段，但隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，更加先進(jìn)的通信技術(shù)肯定能夠得以實(shí)

現(xiàn)。

12

4兩類撲翼式飛行方式的比較

自然接種撲翼式飛行方法主要有兩種，一種是常見的鳥類的飛行方式，另…

種是昆蟲的飛行方式，兩者都是撲翼式飛行，但是飛行的機(jī)理、飛行方式卻不盡

相同，下面我們進(jìn)行全面的分析。

4.1鳥類的飛行機(jī)理

鳥類通過撲翼能產(chǎn)生大部分的升力和前進(jìn)力，此外鳥類也借助大氣實(shí)現(xiàn)翱翔

和滑翔飛行，這兩部分介紹已經(jīng)比較成熟。這里主要對(duì)鳥的撲翼過程進(jìn)行分析。

撲翼是鳥類所共有的飛行方式。鳥翼從功能上分為兩部分，外翼和內(nèi)翼。內(nèi)

翼的作用與飛機(jī)的機(jī)翼相似，它主要由伯努利原理產(chǎn)生升力，是鳥翼中彎度最大

的部分，鳥通過自體控制內(nèi)翼在飛行過程中的適時(shí)迎角而不產(chǎn)生失速，獲得飛行

所需的部分升力。外翼同樣能產(chǎn)生升力，但是它主要產(chǎn)生前進(jìn)力。與內(nèi)翼相比較,

這部分彎度較小，同時(shí)更具有柔韌性。

通常鳥在撲翼過程中翼根和翼梢之間會(huì)形成幾何相對(duì)扭轉(zhuǎn)外翼部分的扭轉(zhuǎn)

比較大，帶動(dòng)內(nèi)翼作小角度扭轉(zhuǎn)。當(dāng)向下?lián)湟頃r(shí)，翼內(nèi)側(cè)產(chǎn)生升力和阻力（合力F

方向如圖10（a）所示），翼外側(cè)產(chǎn)生升力和推進(jìn)力（合力F方向如圖10（c）所

示），如此在整個(gè)翼面上形成的總空氣動(dòng)力方向指向前上方（可分解為向上的總升

力和向前的總推進(jìn)力）。

圖10撲翼的扭轉(zhuǎn)受力示意

為了更好地說明鳥的撲翼運(yùn)動(dòng)，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，鳥翅在正常飛行（不考

慮起飛降落）時(shí)的運(yùn)動(dòng)可分解為三個(gè)關(guān)鍵部分:①垂直運(yùn)動(dòng)（上撲下?lián)洌?②軸向運(yùn)動(dòng)

（翅的扭轉(zhuǎn)）;③翅的折疊（上撲過程中）。鳥翼的各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)示意如圖11所示。

外翼的活動(dòng)范圍要比內(nèi)翼大得多，前臂部的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能使翅的每一部分獲得不同

的迎角，其適時(shí)扭轉(zhuǎn)作用就是在升力和阻力之間尋找最優(yōu)點(diǎn)。另外，在上撲過程

中，垂直方向阻力會(huì)急劇增大，這時(shí)翅膀就會(huì)依靠折疊和展羽運(yùn)動(dòng)來減小迎風(fēng)的

有效面積，從而減小阻力。鳥在飛行過程中主要依靠尾翼的彎曲與扭轉(zhuǎn)和肘部的

彎曲來控制身體的平衡并做出各種飛行姿態(tài)。

13

前臂扭轉(zhuǎn)

肘部彎曲

迎角產(chǎn)生羽毛

圖11鳥翅的詳細(xì)分解及運(yùn)動(dòng)示意

鳥在撲翼過程中就是結(jié)合鳥翅各個(gè)部分的協(xié)調(diào)靈活運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生有效的升力

和前進(jìn)力。除此之外，動(dòng)物仍需要依靠由撲動(dòng)引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)來推進(jìn)［52］。

Knoller和Betz分別在1909和1912年首先獨(dú)立地提出了對(duì)撲翼推進(jìn)的解釋。

Katzmayr貝U在1922年對(duì)Knoller-Betz效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。1935年，VonKannan

和Brugers對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的尾渦所誘導(dǎo)出的阻力或推力提出了理論上的解釋。

當(dāng)位于尾渦中心面上方的一組渦按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而位于下方的按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，

在尾渦中心面附近將形成一個(gè)方向與來流方向相反的流動(dòng)區(qū)域，如圖12所示，

這是帶來阻力的尾渦的特征;反之，當(dāng)位于尾渦中心而上方的一組渦按逆時(shí)針轉(zhuǎn)

動(dòng)，而位于下方的按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在尾渦中心面附近形成一個(gè)量值更大且方向

與前方來流

方向一致的流動(dòng)區(qū)域，如圖13所示，此時(shí)尾渦誘導(dǎo)出推進(jìn)力。在滑翔飛行

時(shí)，動(dòng)物身后形成的尾渦與圖12中的性質(zhì)相同，此時(shí)它們的飛行阻力具有較大

的渦阻含量。而當(dāng)動(dòng)物進(jìn)行簡(jiǎn)單撲翼時(shí)，撲翼誘導(dǎo)出的則是與圖2—巧中性質(zhì)相

同的尾渦，于是撲翼上便有推力的產(chǎn)生。類似圖13的簡(jiǎn)單撲翼使很大一部分撲

翼功率以渦的形式消耗在尾渦中，除非撲翼頻率非常低，否則推進(jìn)效率相當(dāng)?shù)汀?/p>

14

圖12誘導(dǎo)出阻力的尾渦

圖13誘導(dǎo)出推力的尾渦

4.2昆蟲的飛行機(jī)理

4.2.1昆蟲飛行的非定常特性

昆蟲的飛行機(jī)理要比鳥類的飛行機(jī)理復(fù)雜的多，昆蟲的飛行雷諾數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于

鳥類，傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)無法解釋昆蟲在低雷諾數(shù)環(huán)境下飛行。然而，昆蟲在飛

行時(shí)能攜帶兩倍于自身重量的物品，其飛行技巧也是令人驚嘆的，是任何現(xiàn)有的

飛行器所無法比擬的。

參照螺旋槳推進(jìn)理論中的前進(jìn)比（AdvanceRatio,亦稱相對(duì)進(jìn)距）定義，可

以定義撲翼飛行中的前進(jìn)比J為飛行速度與撲翼翼尖運(yùn)動(dòng)的平均速度之比。

15

其中U是飛行速度，1是迎長(zhǎng)，f是撲翼頻率，。為弧度表示的撲翼幅度。

一般地，非定常飛行狀態(tài)時(shí)前進(jìn)比J<1,而準(zhǔn)定常以及定常飛行時(shí)的前進(jìn)比

J>lo自然界的大黃蜂、黑蠅和果蠅它們自由飛行時(shí)的前進(jìn)比分別在0.66,0.50

和.033左右。一般來說，體重小于55g的昆蟲和一些鳥類都處于非定常區(qū)域。所

以，昆蟲包括小鳥的飛行機(jī)理要用非定常空氣動(dòng)力學(xué)解釋。

4.2.2昆蟲翅膀的形狀和結(jié)構(gòu)

要解釋昆蟲的高升力機(jī)理，必須先弄清其翅膀的結(jié)構(gòu)，昆蟲的高升力與其翅

膀的微妙結(jié)構(gòu)是分不開的。雖然昆蟲種類繁多，翅膀形狀和結(jié)構(gòu)也各不相同，但

具有很多共同點(diǎn)。如圖14所示，通常翅膀形狀呈三角型，具有三邊:靠近頭部的

稱為前緣，靠近尾部稱為內(nèi)緣和后緣，其余一邊稱為外緣。但在昆蟲飛行機(jī)理和

生飛行進(jìn)行，照固定基語，后和外同稱為后緣。

圖14昆蟲翅膀的形狀和結(jié)構(gòu)

一些昆蟲翅膀厚度只要1微米，卻能承受住飛行中產(chǎn)生的強(qiáng)大氣動(dòng)力，主要

是因?yàn)槌岚蚴怯蓤?jiān)韌而又富有彈性以及具有一定剛度翅脈組成。翅脈由縱向翅脈

和橫向翅脈組成，就像骨架一樣對(duì)翅面起著支撐、加固作用?？v向翅脈沿翅長(zhǎng)度

方向外伸，類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，其橫截面在翅根部較大并由翅根向翅尖逐漸減小，

橫向翅脈將縱向翅脈相互連接在一起，縱橫向翅脈連接后類似于桁架結(jié)構(gòu)，從結(jié)

構(gòu)上來說提供了很大的強(qiáng)度和剛度。

昆蟲為了在飛行過程中產(chǎn)生足夠升力，就不能只是簡(jiǎn)單地、不加扭轉(zhuǎn)地反復(fù)

撲動(dòng)兩翅，需要通過翅膀的靈巧變形，利用空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)來產(chǎn)生足夠有效的升

力。昆蟲使其翅靈巧變形的方法很多，而下面兒種是最常用的：

16

第一，昆翅都能在一定范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，因而在撲翅過程中其迎角不斷變

化，這點(diǎn)和鳥的翅膀一樣，翅翼發(fā)生螺旋形狀扭轉(zhuǎn)，很像螺旋槳的推進(jìn)面的彎曲

形狀;同時(shí)也利用翅膀撲動(dòng)過程中和渦相關(guān)的非定常機(jī)理來產(chǎn)生大部分升力。

第二，翅的彎度(翅前緣到后緣的凸曲線的曲率)能夠改變。風(fēng)洞測(cè)試表明，

同樣大小的兩塊板在不失速的前提下，彎度越大的板獲得的升力越大。仿生學(xué)研

究表明，昆翅在一個(gè)撲動(dòng)循環(huán)中有大部分時(shí)間是彎曲的。

第三，昆蟲能夠改變其翅翼的受力面積，使上下?lián)鋭?dòng)產(chǎn)生升力系數(shù)差。生物

學(xué)研究表明:有些種類的蝴蝶能夠通過改變前后翅的相互疊合程度來改變翅的總

面積;蝗蟲則能在上撲時(shí)將其后翅收縮到半折疊狀態(tài)，以減小其后翅面積。

第四，昆蟲能采用傾斜的撲翅平面，使得其在向前飛行時(shí)，翅下?lián)湎鄬?duì)與空

氣的速度要大于上撲時(shí)。當(dāng)需要使用接近水平面的撲翅平面時(shí)，昆蟲會(huì)將其整個(gè)

軀體向前傾斜來做到這一點(diǎn)。

生物學(xué)研究表明，構(gòu)成昆蟲翅膀的生物材料非常剛硬，也具有較大的彈性模

量，柔性對(duì)于飛行是有益的，翅膀柔性越大，飛行機(jī)動(dòng)性和靈活性越大。

4.2.3昆蟲飛行的非定常高升力機(jī)理

昆翅在一個(gè)撲動(dòng)循環(huán)中的運(yùn)動(dòng)可以分為四個(gè)部分:當(dāng)翼翅以很大的攻角在空

氣中掃掠時(shí)的兩個(gè)平動(dòng)(下?lián)]和上揮)和當(dāng)翼翅在轉(zhuǎn)變掃掠方向時(shí)的兩個(gè)快速轉(zhuǎn)

動(dòng)(順翅和反翅)。在這個(gè)過程中，昆蟲通過翅膀的變化就能產(chǎn)生大于自身體重許

多倍的升力，有關(guān)這個(gè)過程非定常流動(dòng)機(jī)制的解釋主要有：

(1)拍擊與揮擺(ClapandFling)

拍擊一揮擺機(jī)制可以分為四個(gè)過程，如圖15所示。首先，兩翅總是在其向

上撲動(dòng)的頂點(diǎn)處拍到一起(A)。然后兩翅繞其后緣逐漸旋轉(zhuǎn)并從前緣處分開(B)。

這時(shí)兩翅間夾角增大，強(qiáng)迫空氣流入兩翅分開時(shí)造成的真空中，隨著兩翅交角增

大，空氣流動(dòng)使得翅表面很快形成兩個(gè)相反的附體環(huán)流(C)。當(dāng)翅張開到一定角

度，兩分開，各自撲動(dòng)，這時(shí)翅表面各有一個(gè)附體環(huán)流，使得下?lián)鋾r(shí)產(chǎn)生盡可能

大升力(D)。這種靠翅膀旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生環(huán)流及升力的機(jī)理還未完全得到了解，但

事實(shí)上多飛行動(dòng)物都利用這一機(jī)制，如鴿子起飛時(shí)所需要的大升力便是由翅膀背

部拍揮擺而產(chǎn)生的。

17

A

D

k".

圖15合攏和分開機(jī)制

(2)前緣渦和延遲失速

昆蟲翅膀以大迎角撲動(dòng)時(shí)，由于在翅膀前緣處有壓力梯度，流體在前緣處產(chǎn)

生分離，便形成如圖16(a)所示前緣渦。由于渦的快速轉(zhuǎn)動(dòng)，在翅上表面形成

低壓區(qū)，因而產(chǎn)生升力。

前緣渦產(chǎn)生能瞬時(shí)增大升力，渦的分離又會(huì)使升力順時(shí)減小，但昆蟲翅膀不

會(huì)像飛機(jī)機(jī)翼一樣由于分離而發(fā)生失速現(xiàn)象。前緣渦產(chǎn)生后就向上表面后緣流

去，由于在很短的瞬間內(nèi)，翅膀的快速翻轉(zhuǎn)使前緣渦不會(huì)與翼翅分離，此時(shí)渦又

重新附著在前緣,使得翅前緣在整個(gè)撲動(dòng)過程中都有前緣渦附著，都有升力產(chǎn)生,

從而形成延遲失速。

(3)旋轉(zhuǎn)環(huán)流

當(dāng)翼翅接近折返點(diǎn)時(shí)，.翼翅開始繞著展向軸快速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖16(b)、(c)、(d)

所示，此時(shí)翼翅的轉(zhuǎn)動(dòng)增加了圍繞翼翅的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)量，同樣使得翼翅的升力獲得增

加。這是一種與馬格斯(MagnusEffect)性質(zhì)相同的機(jī)制。

(4)尾流捕獲

尾流捕捉機(jī)制如圖16(e)所示。昆蟲翅膀每一次拍動(dòng)后都產(chǎn)生一個(gè)誘導(dǎo)尾渦,

這是由翅膀在流體中平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)引起的。翅膀拍動(dòng)速度特別快，在前一行程尾流

還沒來得及散開時(shí)，翅膀迅速改變方向，向后推動(dòng)這個(gè)攪動(dòng)空氣。撲翼使很大一

部分撲翼功率以渦的形式消耗在翅尾渦中，而尾流捕獲恰好能有效回收損失的能

量，提高昆蟲飛行效率，顯著地增加了翼翅的升力。

18

圖16昆蟲撲翼產(chǎn)生高升力的機(jī)制

19

5撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及分析

仿生翼及其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是仿生撲翼飛行機(jī)器人的關(guān)鍵所在，能否設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合

理、工作效率高的仿生翼及其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)成敗的決定性環(huán)節(jié)。翼

的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式對(duì)動(dòng)物的飛行起著非常重要的作用。從總體來看，目前對(duì)仿生

翼的研究是零散的，尚缺乏深層次系統(tǒng)和全面的理論研究。本文在對(duì)撲翼飛行有

了一定的理解后，對(duì)撲翼機(jī)器人進(jìn)行仿生機(jī)械設(shè)計(jì)、分析。

對(duì)撲翼機(jī)器人的設(shè)計(jì)重要集中在以下幾個(gè)方面進(jìn)行：撲翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、

仿生翼的設(shè)計(jì)、動(dòng)力源設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我

們可以得到如圖17的仿生撲翼飛行機(jī)器人的主要組成部分示意圖。

圖17仿生撲翼飛行機(jī)器人的主要組成部分

5.1撲翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

參考國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，我們可以看到，根據(jù)所設(shè)計(jì)的撲翼機(jī)器人是仿鳥還是仿

昆蟲，撲翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類主要有兩種。一種是連桿機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；一種

是共振機(jī)構(gòu)，由壓電晶體的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)。這兩種機(jī)構(gòu)都可以有效的產(chǎn)生圍繞

某軸的搖桿運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)仿生翼進(jìn)行撲翼運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生升力和前進(jìn)力。但是這兩

種機(jī)構(gòu)又各有各的特點(diǎn)，連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是撲翼運(yùn)動(dòng)的幅度較大，可以產(chǎn)生較大

的升力和前進(jìn)力，并且機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，有很成熟的機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)可以參考，但是

也存在著一定的問題，那就是結(jié)構(gòu)較大，較為容易磨損，只能用于仿真“較大”

的鳥類或昆蟲，要應(yīng)用于仿真較小的鳥類或昆蟲，則須依靠MEMS技術(shù)，這就

受制于MEMS技術(shù)的水平程度。這種機(jī)構(gòu)應(yīng)用比較成熟，有較多的成功的案例,

給撲翼式機(jī)器人帶來了希望。共振機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且結(jié)構(gòu)尺寸明顯減小，

20

可以用于仿真尺寸很小的昆蟲類，它利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，用電壓產(chǎn)生的

相應(yīng)壓電晶體的位移來作為直線驅(qū)動(dòng)，并未驅(qū)動(dòng)中間傳遞機(jī)構(gòu)，而是直接利用電

壓來驅(qū)動(dòng)“翅”來產(chǎn)生相應(yīng)的擺動(dòng)。這種“翅”利用單層或者多層壓電晶體與彈

性層（如薄鋼片）橫向或縱向疊加而成，當(dāng)給壓電晶體通電的時(shí)候，壓電晶體產(chǎn)

生一定的位移，帶動(dòng)彈性層一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電壓的頻率較高時(shí)，翅膀振動(dòng)的頻率就

較高，當(dāng)振動(dòng)的頻率與機(jī)構(gòu)的固有頻率相同時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生共振，這時(shí)翅

膀振動(dòng)的幅值最大，產(chǎn)生的升力也就最大，最終實(shí)現(xiàn)撲翼飛行。但是這種機(jī)構(gòu)也

有它本來的缺陷。首先是振動(dòng)所需的電壓較大，很難由電池供應(yīng)，其次壓電晶體

振動(dòng)產(chǎn)生的位移相當(dāng)小，為微米量級(jí)，需要較好的位移放大機(jī)構(gòu)方能實(shí)現(xiàn)，最后

就是振動(dòng)的情況很難控制。雖然這種機(jī)構(gòu)存在著種種的缺陷和未解決的問題，但

是這種機(jī)構(gòu)的尺寸可以制作的非常小，距離我們希望的尺寸相當(dāng)接近，是撲翼機(jī)

器人的未來。

綜合考慮兩種撲翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和自己所具有的知識(shí)范圍，選擇連桿機(jī)

構(gòu)作為這次撲翼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

撲翼機(jī)構(gòu)外形的要求主要是左右對(duì)稱，左右搖桿要對(duì)稱并同步撲翼動(dòng)作。因

此，我們?cè)O(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)也要保證以下幾點(diǎn)：

1）撲翼機(jī)構(gòu)的自由度為一；

2）需要有一桿件作為固定機(jī)架；

3）需要有一桿件作為輸入桿；

4）需要有不同的兩個(gè)桿件作為左、右翅膀桿；

5）需使左、右翅膀桿和機(jī)架連接，能產(chǎn)生左、右對(duì)稱的撲翼動(dòng)作，即要求

左、右翅膀桿撲動(dòng)動(dòng)作要同步；

6）機(jī)架有多接頭來連接其他桿件；

7）輸入桿可為曲柄或者滑塊，且輸入桿和機(jī)架只能以轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副連接;

8）左、右翅膀桿件都為搖桿，必須都與機(jī)架連接，且接頭只有轉(zhuǎn)動(dòng)副，以

保證翅膀桿在撲動(dòng)過程中長(zhǎng)度不變；

9）左、右翅膀桿的運(yùn)動(dòng)要有急回特性，使仿生翼具有更好的氣動(dòng)性能，來

獲得有效升力；

10）要盡可能少的桿件，保證撲翼機(jī)構(gòu)的緊湊、輕巧。

以下是幾種撲翼機(jī)構(gòu)的示意圖（圖18）,下面將對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比分析。

21

圖18滿足設(shè)計(jì)條件的撲翼機(jī)構(gòu)

撲翼機(jī)構(gòu)主要將往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成撲翼運(yùn)動(dòng)，輸入構(gòu)件的特點(diǎn)決定

采取何種輸入來產(chǎn)生對(duì)稱同步的撲翼運(yùn)動(dòng)。如圖18(a)所示，當(dāng)撲翼機(jī)構(gòu)的輸入

是桿件時(shí)，可以用具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性的機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)，如齒輪，且傳動(dòng)的效率也很

高。如圖18(b)而當(dāng)輸入是滑塊時(shí)，要實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)就要將一些具有往復(fù)運(yùn)動(dòng)特

性的機(jī)構(gòu)應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)，常見的簡(jiǎn)單緊湊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有往復(fù)移動(dòng)從動(dòng)

件凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄移動(dòng)倒桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)