一種新型仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)

王紅超，杜小雷

計(jì)算機(jī)科學(xué)與自動(dòng)化技術(shù)

一種新型仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)

王紅超，杜小雷

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，福建 廈門 361000）

在分析目前常見的仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)自然界多數(shù)鳥類共同的飛行特征設(shè)計(jì)出一種新型的仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)。新型仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)的兩側(cè)撲翼能以不同速度和頻率撲動(dòng)，在兩側(cè)撲翼上產(chǎn)生不同的升力，使得撲翼機(jī)器人可以在突風(fēng)等復(fù)雜氣流環(huán)境下飛行。通過反饋控制，可以使兩側(cè)撲翼分別固定在各自的位置上，實(shí)現(xiàn)撲翼鳥在復(fù)雜氣流環(huán)境下的滑翔飛行。內(nèi)翼和外翼通過彈性器件連接，在撲翼撲動(dòng)的過程中可以模仿真實(shí)鳥類的翅膀折疊動(dòng)作以提高撲翼平均升力。

撲翼鳥；撲翼機(jī)構(gòu)；飛行機(jī)器人；微型飛行器

撲翼飛行是幾乎所有自然界具有飛行能力的生物采用的飛行方式，與固定翼飛行相比，這種方式通過翅膀的上下?lián)鋭?dòng)產(chǎn)生升力和推力，具有效率高、尺寸小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)[1]。從古至今人們一直渴望能像鳥兒一樣在空中飛翔，然而這一夢想至今沒有實(shí)現(xiàn)，目前僅有部分撲翼機(jī)器人可以模仿鳥兒在無風(fēng)或弱風(fēng)的環(huán)境中通過人工手拋進(jìn)行簡單的飛行；降落也需要人工接住，否則就會(huì)摔到地上。自然界中鳥類翅膀的構(gòu)造非常復(fù)雜，通常由骨骼、肌肉、羽毛和多個(gè)關(guān)節(jié)組成，上下?lián)鋭?dòng)過程中通常伴隨著翅膀的弦向的轉(zhuǎn)動(dòng)、展向的伸縮以及扭轉(zhuǎn)[2]，甚至某些羽毛都可以單獨(dú)控制。鳥兒的每寸肌膚都可以感受氣流，根據(jù)氣流變化隨時(shí)調(diào)整翅膀、尾翼、羽毛等身體各個(gè)部件的姿態(tài)以達(dá)到它們想要的飛行狀態(tài)。自然界的鳥類經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，形成了出色的飛行能力，其飛行效率、機(jī)動(dòng)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前所有的人造飛行器[2]。迄今為止人類還無法制造出具有和鳥類相同結(jié)構(gòu)的翅膀，無法制造出隨處都可感受氣流的傳感器，也無法完全模擬出鳥類撲翼的各種飛行姿態(tài)[1]。

目前報(bào)道出來的可以飛行的仿鳥撲翼機(jī)器人的撲翼機(jī)構(gòu)幾乎全部采用單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)稱設(shè)計(jì)的雙翼拍動(dòng)機(jī)構(gòu)保證左右翅膀同步撲動(dòng)[3-6]。然而這種結(jié)構(gòu)的飛行器在無風(fēng)或弱風(fēng)的環(huán)境下尚可飛行，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下或遇到突風(fēng)干擾，兩翼的升力差別很大，僅靠對(duì)稱翅膀的撲動(dòng)和尾翼的糾正無法維持飛行?？的螤柎髮W(xué)物理學(xué)家簡·王說：“我們也許不該把昆蟲看成小型飛機(jī)，而應(yīng)該把它們看作空氣中的游泳者。就像人游泳時(shí)通過將水推開來前進(jìn)一樣，翅膀拍動(dòng)時(shí)，將空氣推開，便得到一個(gè)空氣的反作用力，即空氣的阻力，這個(gè)阻力就是起飛的動(dòng)力。這個(gè)觀點(diǎn)同樣適用于鳥類的飛行?！盵7]我們觀察到，真實(shí)的鳥類飛行狀況非常復(fù)雜并且隨時(shí)變化，在無風(fēng)環(huán)境下直線飛行時(shí)兩側(cè)翅膀同步撲動(dòng)；而在轉(zhuǎn)彎或遇到側(cè)風(fēng)時(shí)兩側(cè)翅膀拍動(dòng)的頻率、瞬時(shí)速度是不同的；有時(shí)兩側(cè)翅膀會(huì)保持在不同角度滑翔……。根據(jù)自然界多數(shù)鳥類共同的飛行特征，設(shè)計(jì)了一種新型的仿鳥撲翼機(jī)械機(jī)構(gòu)，每個(gè)翅膀采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以更好地模擬真實(shí)鳥類復(fù)雜的飛行狀況。

1 當(dāng)前主要的仿鳥撲翼機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

仿鳥微撲翼飛行器大多采用微電機(jī)，通過減速器和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)撲翼拍動(dòng)[8]。微撲翼飛行器的翅翼一般固連在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)搖桿上，不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)決定了不同的撲翼飛行方式，而不同的撲翼方式也需要不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與之相適應(yīng)，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不但是微撲翼飛行器的關(guān)鍵部件，還是體現(xiàn)其撲翼動(dòng)作特征的機(jī)構(gòu)[9]。鳥類在飛行的時(shí)候翅膀運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，包括翅膀的上下?lián)鋭?dòng)、翅膀折疊、翅膀仰俯、翅膀前后揮擺等，甚至一些羽毛都能在一定范圍內(nèi)隨意控制姿態(tài)，飛行時(shí)翅膀的動(dòng)作一般是以上幾種運(yùn)動(dòng)的疊加。采用機(jī)械的方式多模仿一種鳥類的翅膀運(yùn)動(dòng)，就會(huì)增加一部分機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得撲翼鳥重量增加。故目前成功飛行的撲翼鳥大多只模仿鳥類翅膀的上下?lián)鋭?dòng)，稱為單自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。也有小部分撲翼鳥模仿了鳥類翅膀的上下?lián)鋭?dòng)和翅膀折疊，稱為兩自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。常見的單自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪搖桿機(jī)構(gòu)等，常見的兩自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般采用齒輪搖桿機(jī)構(gòu)[10]。

1.1 單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)

單自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為翅翼的上下?lián)鋭?dòng)，其中曲柄搖桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于加工制造，可微化程度較高，在撲翼微型飛行器（MicroAirVehicle．簡稱MAV）中應(yīng)用最廣[11]。圖1所示的單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)是最簡單的一種單自由度撲翼機(jī)構(gòu)，市面上的橡皮筋動(dòng)力撲翼鳥通常采用這種結(jié)構(gòu)，如圖2所示，具有成本低、重量輕、容易微小化的優(yōu)點(diǎn)，但是兩側(cè)撲翼存在一定的相位差，對(duì)飛行穩(wěn)定性有不利影響[12]。

圖1 一種單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖[13]

圖2 橡皮筋動(dòng)力撲翼鳥[14]

1.2 齒輪搖桿機(jī)構(gòu)

齒輪搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)對(duì)稱且摩擦較小，同時(shí)，還可以設(shè)計(jì)配套的高減速比的齒輪機(jī)構(gòu)來執(zhí)行，從而有利于減輕電機(jī)的重量，增大最終輸出力矩[15]。電機(jī)旋轉(zhuǎn)經(jīng)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)稱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)搖桿運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)撲翼?xiàng)U上下?lián)鋭?dòng)。在單自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，齒輪搖桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最多，很多玩具遙控?fù)湟眸B采用這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。為了提高推力、增加穩(wěn)定性、減小慣性力，這些玩具撲翼鳥普遍采用雙翼對(duì)拍方式。

圖3 遙控玩具撲翼鳥及其翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[16]

另有一種形式的齒輪搖桿機(jī)構(gòu)，齒輪和撲動(dòng)翼不在一個(gè)平面上，稱之為空間四桿結(jié)構(gòu)[17]。將齒輪安裝在機(jī)身兩側(cè)，可以減小機(jī)身橫截面積，從而減小前飛時(shí)的空氣阻力，如圖4所示。

圖4 空間四桿撲翼結(jié)構(gòu)[18]

單自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)。但多數(shù)采用此種結(jié)構(gòu)制作的撲翼鳥在上撲時(shí)產(chǎn)生的空氣阻力與下?lián)鋾r(shí)產(chǎn)生的升力大小差不多，大部分互相抵消，故一個(gè)周期內(nèi)的平均升力相對(duì)比較小。這種撲翼鳥主要依靠柔性翅膀上下?lián)鋭?dòng)產(chǎn)生推力，推力使得撲翼鳥前飛，翅膀相對(duì)氣流有一個(gè)正的攻角，從而產(chǎn)生一部分升力。也有部分撲翼鳥的翅膀在下?lián)鋾r(shí)翅膀不易變形，在上撲時(shí)可以產(chǎn)生柔性變形以減小空氣阻力，使得一個(gè)周期內(nèi)的平均升力相對(duì)稍高。

1.3 兩自由度齒輪搖桿機(jī)構(gòu)

兩自由度齒輪搖桿機(jī)構(gòu)的撲翼鳥不僅能模仿鳥類翅膀的上下?lián)鋭?dòng)，還能模仿鳥類翅膀的折疊動(dòng)作，在上撲時(shí)翅膀折疊以減小空氣阻力，下?lián)鋾r(shí)翅膀展平以提高升力。目前采用這種結(jié)構(gòu)制作最成功的撲翼鳥是德國festo公司的smartbird，圖5為smartbird的外觀和其兩自由度齒輪搖桿機(jī)構(gòu)。除了翅膀折疊外，smartbird還實(shí)現(xiàn)了撲翼鳥外翼的仰俯動(dòng)作[19]，本文只分析其翅膀折疊動(dòng)作。圖6為這種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖，圖中桿件之間的小圓圈代表兩桿之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 德國festo公司的smartbird及其撲翼機(jī)構(gòu)[20]

圖6 兩自由度齒輪搖桿機(jī)構(gòu)簡圖

根據(jù)對(duì)真實(shí)鳥類飛行過程的觀察，在鳥類撲翼的過程中有下?lián)浜蜕咸醿蓚€(gè)主要階段。下?lián)潆A段所用時(shí)間較多，展向彎度較小，翅膀面積盡可能增大，空氣對(duì)翅膀的反作用力即升力也比較大；上提階段所用時(shí)間較少，展向彎度較大，翅膀面積盡可能縮小，這是為了盡量減小翅膀上提時(shí)的空氣阻力。為了便于模擬鳥類翅膀折疊的動(dòng)作，可以將其簡單劃分成四個(gè)階段：下?lián)潆A段、彎曲階段、上提階段、展平階段[21]。如圖7以兩自由度齒輪搖桿機(jī)構(gòu)模擬鳥類的翅膀折疊動(dòng)作，實(shí)線代表此階段的起始位置，虛線代表此階段的最終位置，箭頭表示運(yùn)動(dòng)的方向。

（1）下?lián)潆A段：翅膀保持平直從最高點(diǎn)開始向下?lián)渲磷畹忘c(diǎn)。此階段搖桿端點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡是以支點(diǎn)O為圓心，OA為半徑的一段圓弧。

（2）彎曲階段：在最低點(diǎn)翅膀內(nèi)翼有一個(gè)小停頓，翅膀外翼向下折疊。此階段搖桿端點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡是以搖桿端點(diǎn)B為圓心，BA為半徑的一段圓弧。

（3）上提階段：翅膀從最低點(diǎn)開始向上提至最高點(diǎn)，翅膀保持折疊姿態(tài)。此階段搖桿端點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡是以支點(diǎn)O為圓心，OA為半徑的一段圓弧。注意此階段OA的長度與第（1）階段OA的長度不同。

（4）展平階段：在最高點(diǎn)，翅膀迅速展平，然后重復(fù)開始第一階段。此階段搖桿端點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡是以搖桿端點(diǎn)B為圓心，BA為半徑的一段圓弧。

從以上分析可知，若要模擬鳥類勻速前飛時(shí)理想的翅膀撲動(dòng)動(dòng)作，搖桿端點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該是圖7(4)所示的四段圓弧。然而，以smartbird為代表的兩自由度齒輪搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿端點(diǎn)A固定在齒輪盤上，運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓形，故其在內(nèi)翼下?lián)鋾r(shí)外翼沒有完全展平，減小了部分升力，在內(nèi)翼上撲時(shí)外翼沒有保持盡量收縮，增加了部分阻力。

圖7 兩自由度齒輪搖桿機(jī)構(gòu)理想化的運(yùn)動(dòng)路徑

2 新型兩自由度撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 新型仿鳥撲翼機(jī)撲翼機(jī)構(gòu)

為克服上述幾種常見的撲翼機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型的仿鳥撲翼機(jī)的撲翼機(jī)構(gòu)，如圖8所示，包括撲翼（內(nèi)翼6和外翼9）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和鳥身。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括減速電機(jī)、齒輪3和弧形齒條1，弧形齒條設(shè)有與齒輪對(duì)應(yīng)的內(nèi)齒。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪和弧形齒條的齒合，可以使撲翼上下?lián)鋭?dòng)。相比傳統(tǒng)的仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)，新型機(jī)構(gòu)具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：兩側(cè)翅膀可獨(dú)立控制、平均升力更高、慣性力小、能量消耗更小等。

2.1 兩側(cè)翅膀可獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)更接近真實(shí)鳥類的飛行動(dòng)作

傳統(tǒng)的仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)（包括smartbird在內(nèi)）一般只有一個(gè)撲翼驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩側(cè)翅膀及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置，確保兩側(cè)翅膀同步撲動(dòng)以產(chǎn)生基本相同的升力和推力，轉(zhuǎn)向則依靠尾翼。采用這種機(jī)構(gòu)的撲翼鳥可以在無風(fēng)或弱風(fēng)的環(huán)境下飛行，若遇到強(qiáng)風(fēng)或突風(fēng)干擾，兩側(cè)翅膀的升力將產(chǎn)生顯著差別，僅靠對(duì)稱翅膀的撲動(dòng)和尾翼的糾正無法維持飛行，很容易發(fā)生墜機(jī)事故。

新型仿鳥撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)電機(jī)，分別控制兩側(cè)翅膀的撲動(dòng)頻率和瞬時(shí)速度。在無風(fēng)的環(huán)境下水平前飛時(shí)，兩側(cè)翅膀同步撲動(dòng)。在有強(qiáng)風(fēng)干擾時(shí)，可以增加升力小的那側(cè)翅膀的撲動(dòng)頻率，確保兩側(cè)翅膀產(chǎn)生大致相等的升力以維持機(jī)身平衡。在遭遇突風(fēng)時(shí)，可以減小升力大的那側(cè)翅膀的瞬時(shí)撲動(dòng)速度，增加升力小的那側(cè)翅膀的瞬時(shí)撲動(dòng)速度，能讓新型撲翼鳥在比較大的風(fēng)速范圍內(nèi)維持飛行。在撲翼鳥上安裝撲翼位置傳感器，還可以精確控制每側(cè)翅膀與機(jī)身的角度，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜氣流環(huán)境下的滑翔等特殊飛行動(dòng)作，如圖9所示。

圖9 翅膀位置反饋控制簡圖[22]

2.2 能量消耗小

真實(shí)鳥類的飛行效率很高，僅靠一點(diǎn)食物產(chǎn)生的化學(xué)能就可以長時(shí)間遠(yuǎn)距離的飛行。而目前成功飛行的仿鳥撲翼機(jī)一般采用電池提供能量，一般充滿電只可維持飛行幾分鐘至幾十分鐘。最重要的原因是撲翼效率低，能量消耗大。

單自由度撲翼機(jī)的翅膀面積在上撲和下?lián)鋾r(shí)基本相同，在上撲時(shí)白白損失了很多能量。一部分單自由度撲翼機(jī)的翅膀采用弧形翼型，減小了上撲時(shí)的能量損失，但是效果有限。

雙自由度撲翼機(jī)在翅膀上撲時(shí)折疊起來，可以顯著減小上撲時(shí)的阻力，減小了能量的損耗。但是以smartbird為代表的雙自由度撲翼機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，翅膀從上撲轉(zhuǎn)變?yōu)橄聯(lián)浜蛷南聯(lián)滢D(zhuǎn)變?yōu)樯蠐涞倪^程中需要克服翅膀的慣性，這個(gè)過程會(huì)消耗很大一部分能量。

新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)翼6中部通過轉(zhuǎn)軸10安裝在撲翼機(jī)機(jī)身5上，在撲翼機(jī)機(jī)身上每側(cè)撲翼都設(shè)有兩個(gè)儲(chǔ)能彈性器件4，當(dāng)撲翼的端部擺動(dòng)到靠近弧形齒條兩端的極限位置時(shí)，內(nèi)翼6與彈性器件4接觸，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電，此時(shí)撲翼在慣性下繼續(xù)擺動(dòng)，將壓縮彈性器件。彈性器件具有緩沖和儲(chǔ)存能量的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)變撲翼運(yùn)動(dòng)方向時(shí)將儲(chǔ)存的能量釋放出來，輔助減速電機(jī)推動(dòng)撲翼向相反方向運(yùn)動(dòng)。新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的這種設(shè)計(jì)減小了撲翼在轉(zhuǎn)變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)的能量損失。

smartbird的搖桿AB與翅膀的夾角不斷變化，在一個(gè)撲動(dòng)周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力的力臂只在一個(gè)時(shí)刻等于OB，其余時(shí)間都小于OB，驅(qū)動(dòng)力矩小于最優(yōu)的值，增加了轉(zhuǎn)軸的摩擦力，損失了一部分能量。而新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力臂始終等于轉(zhuǎn)軸10到弧形齒條的距離，驅(qū)動(dòng)力矩始終處于最優(yōu)值，避免了因力臂變化造成的能量損失。

2.3 采用可折疊翅膀平均升力更高

根據(jù)以上的分析，以smartbird為代表的雙自由度撲翼機(jī)的翅膀在上撲階段并沒有完全收縮，在下?lián)潆A段也沒有完全展平，故在減小上撲阻力（負(fù)升力）和增加下?lián)渖Ψ矫娌]有做到最優(yōu)。新型撲翼機(jī)構(gòu)的內(nèi)翼6和外翼9下部通過連接軸7連接在一起，上部通過若干彈性器件8（例如彈簧）連接。接下來分析新型撲翼機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)翅膀撲動(dòng)的四個(gè)階段：下?lián)潆A段、彎曲階段、上提階段、展平階段。

（1）下?lián)潆A段：電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)翼向下運(yùn)動(dòng)，在空氣阻力和彈性器件拉力的作用下翅膀保持平直從最高點(diǎn)開始向下?lián)渲磷畹忘c(diǎn)。

（2）彎曲階段：在最低點(diǎn)翅膀內(nèi)翼停止撲動(dòng)，翅膀外翼由于慣性繼續(xù)向下折疊，在彈性器件拉力的作用下逐漸停止。

（3）上提階段：電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)翼向上運(yùn)動(dòng)，內(nèi)翼從最低點(diǎn)開始向上提至最高點(diǎn)，外翼在空氣阻力和彈性器件拉力的共同作用下達(dá)到一個(gè)短暫的平衡狀態(tài)，翅膀保持折疊姿態(tài)。

（4）展平階段：在最高點(diǎn)內(nèi)翼停止運(yùn)動(dòng)，外翼在彈簧拉力作用下快速展平，然后重復(fù)開始第一階段。

通過以上分析可知，只要選擇彈性系數(shù)合適的彈性器件，新型撲翼機(jī)構(gòu)的翅膀在下?lián)鋾r(shí)完全展平，在上撲時(shí)可以盡量折疊，故在一個(gè)撲動(dòng)周期內(nèi)具有比較高的平均升力。

3 結(jié)論

新型仿鳥撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)翅膀，可以使兩側(cè)翅膀具備不同的撲動(dòng)頻率和瞬時(shí)撲動(dòng)速度，隨時(shí)能調(diào)整兩側(cè)翅膀的升力，使得撲翼鳥具備在復(fù)雜氣流中飛行的能力。加入翅膀位置傳感器，通過反饋控制兩側(cè)翅膀還能固定在機(jī)身某一位置，實(shí)現(xiàn)撲翼鳥在復(fù)雜氣流環(huán)境下的滑翔飛行。

新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)身內(nèi)設(shè)有彈性器件，彈性器件具有緩沖和儲(chǔ)存能量的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)變撲翼運(yùn)動(dòng)方向時(shí)將儲(chǔ)存的能量釋放出來，輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)撲翼向相反方向運(yùn)動(dòng)。新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的這種設(shè)計(jì)減小了撲翼在轉(zhuǎn)變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)的能量損失。

新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用弧形齒條，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的力臂始終等于轉(zhuǎn)軸到弧形齒條的距離，驅(qū)動(dòng)力矩始終處于最優(yōu)值，避免了因力臂變化造成的能量損失。

新型仿鳥撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)翼和外翼通過彈性器件連接，在撲翼撲動(dòng)的過程中可以模仿真實(shí)鳥類的翅膀折疊動(dòng)作以提高撲翼平均升力。

雖然新型仿鳥撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)跟傳統(tǒng)的單自由度和雙自由度仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)相比有以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但是距離真實(shí)鳥類的飛行能力還有非常巨大的差距，其不足之處和可繼續(xù)研究的內(nèi)容總結(jié)如下：

真實(shí)鳥類擁有很多強(qiáng)有力的肌肉，身體的自由度更多，能非常靈活的控制自己的身體，可以適應(yīng)非常復(fù)雜的氣流。要用電機(jī)、齒輪和連桿等機(jī)械器件來實(shí)現(xiàn)真實(shí)鳥類的如此多的自由度目前是不可想象的，也許需要人工肌肉等技術(shù)成熟以后才能實(shí)現(xiàn)。

目前的撲翼鳥包括smartbird在內(nèi)都僅僅只是模擬了真實(shí)鳥類水平前飛時(shí)的飛行動(dòng)作，起飛需要人工拋出，降落需要人工接住，翅膀也無法像真實(shí)鳥類那樣收起來。

本文僅定性分析了這種新型的仿鳥撲翼機(jī)構(gòu)，下一步需要制作出樣機(jī)，在低速風(fēng)洞中做各種實(shí)驗(yàn)測試，并嘗試實(shí)際飛行。需要建立撲翼機(jī)構(gòu)甚至整個(gè)撲翼鳥的數(shù)學(xué)模型，并定量分析彈性材料的尺寸、彈性系數(shù)與翅膀尺寸、質(zhì)量、撲動(dòng)頻率等之間的關(guān)系。

還可以繪制撲翼鳥的三維圖形，采用空氣動(dòng)力學(xué)仿真軟件做模擬仿真測試。

在各種復(fù)雜氣流環(huán)境下，如何控制兩側(cè)翅膀的撲動(dòng)速度、頻率或位置，配合尾翼的控制，以實(shí)現(xiàn)撲翼鳥的安全飛行也值得進(jìn)一步深入研究。

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A New Kind of Imitation Bird Flapping Wing Mechanism

WANG Hong-chao, DU Xiao-lei

(Department of Mechanical Engineering, Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen 361000, China)

Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the current common bird flapping wing mechanism; a new type of bird flapping wing mechanism is designed according to the common flight characteristics of most birds in nature. The flapping wings on both sides of the new bird flapping wing mechanism can be fluttered at different speeds and frequencies; and different lift forces are generated on the flapping wings on both sides; so that the flapping wing robot can fly in a complex airflow environment such as a gust. Through the feedback control; the flapping wings on both sides can be fixed in their respective positions to realize the gliding flight of the flapping bird in a complex airflow environment. The inner and outer wings are connected by elastic means; which can simulate the flapping action of the real bird’s wings during the flutter flapping process to increase the average lift of the flapping wing.

flapping bird; flapping wing mechanism; flying robot; micro air vehicle

TP242.3

A

1009-9115(2019)06-0062-06

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.06.016

2019-07-18

2019-09-18

王紅超（1981-），男，河南虞城人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)應(yīng)用。

（責(zé)任編輯、校對(duì)：田敬軍）