撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

趙國(guó)堯，杜 強(qiáng)

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

相比于旋翼、固定翼飛行器，撲翼機(jī)器人具有易操控、可靠性高、隱蔽性強(qiáng)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景[1]。隨著數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、生物等技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐步發(fā)現(xiàn)了撲翼飛行生物的一些特有規(guī)律，為設(shè)計(jì)、研發(fā)出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的撲翼飛行機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

加拿大Toronto 大學(xué)的Delaurier 設(shè)計(jì)出一種柔性機(jī)翼，可繞機(jī)身方向上下?lián)鋭?dòng)[2]。他與合作伙伴Harris 在1991 年制造了1/4 翅翼的大型試驗(yàn)機(jī)并試飛成功，被美國(guó)FAI 認(rèn)為機(jī)械驅(qū)動(dòng)撲翼飛行器的首次成功試飛，為后來(lái)?yè)湟盹w行機(jī)器人研究奠定了基礎(chǔ)。此次大型撲翼飛行器實(shí)驗(yàn)表明飛行器的重量與其長(zhǎng)度的立方成正比，因其尺寸過(guò)大，且當(dāng)前階段的撲翼空氣動(dòng)力學(xué)理論尚不完善，致使大型撲翼飛行機(jī)器人的發(fā)展嚴(yán)重受阻。

1992 年，DARPA 提出“MAV”的概念以來(lái)，全球的研究人員開(kāi)始深入探究微型撲翼飛行器。以較小的撲翼生物為藍(lán)本進(jìn)行仿生研究。1998 年，Aero Vironment 公司聯(lián)合加州理工學(xué)院，仿蝙蝠研制出“Mirco-bat”的撲翼機(jī)器人，能滯空飛行22 分45 秒。2000 年，美國(guó)的佐治亞理工學(xué)院研發(fā)了一種往復(fù)式化學(xué)肌肉驅(qū)動(dòng)的撲翼微型飛行器[3]。2011 年，美國(guó)的Aero Vironment 公司發(fā)布了一款類似蜂鳥(niǎo)、高頻率撲動(dòng)飛行的微型撲翼機(jī)，名為“Nano Humming Bird”，它的出現(xiàn)被譽(yù)為撲翼發(fā)展史上的又一里程碑[4]，如圖1 所示。2018 年德國(guó)Festo 公司研制出“Smart Bird”，它同時(shí)考慮了翅翼的上下?lián)鋭?dòng)及弦向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，較好模擬出鳥(niǎo)的飛行狀態(tài)[5]，如圖2 所示。

圖1 Nano Humming Bird

圖2 Smart Bird

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

清華大學(xué)的曾理江[6]運(yùn)用非線性理論，獲得了昆蟲(chóng)的飛行參數(shù)。北航的孫茂[7]利用N-S 方程和渦動(dòng)力學(xué)理論，從渦不失落角度進(jìn)一步解釋了昆蟲(chóng)飛行中產(chǎn)生高升力的機(jī)制。南航的昂海松[8]等人通過(guò)非定常渦格法，分析了仿鳥(niǎo)的復(fù)雜振動(dòng)撲翼特性，提出一種新的變速-折疊翅翼結(jié)構(gòu)，使得撲翼機(jī)的升力系數(shù)大幅度提高[9]。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

撲翼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要在于如何有效地解決非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)問(wèn)題、撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題、撲翼翅翼的設(shè)計(jì)選擇問(wèn)題以及撲翼飛行機(jī)器人的續(xù)航飛行能力等問(wèn)題[10-11]。

2.1 空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

由于撲翼飛行機(jī)器人是仿昆蟲(chóng)或鳥(niǎo)類的特殊飛行方式——撲翼，通過(guò)翅翼運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)空氣的流動(dòng)，再反作用翅翼的相互影響過(guò)程，故經(jīng)典的空氣動(dòng)力學(xué)理論并不適用[11]。目前，主要通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行研究。針對(duì)撲翼飛行機(jī)器人的非定常空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究，當(dāng)前有兩種常見(jiàn)的分析方式：其一是剛體分析法。它假設(shè)撲翼機(jī)器人為剛體，采用非線性的牛頓-歐拉方程進(jìn)行分析[12]；另一種是通過(guò)建立翅翼的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，來(lái)分析翅翼的動(dòng)力學(xué)參數(shù)[13]。隨著大量研究工作的進(jìn)行，以上方法的正確性逐漸得到驗(yàn)證。但如何得到更優(yōu)的飛行機(jī)理以及大幅提高升、推力仍是撲翼飛行器空氣動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2 撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

無(wú)論是昆蟲(chóng)還是鳥(niǎo)類飛行，撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)撲翼飛行的最核心部件。常見(jiàn)的傳統(tǒng)撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[14]包括：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于滑塊運(yùn)動(dòng)低副的存在，增加了系統(tǒng)運(yùn)行中的摩擦力，使得系統(tǒng)效率較低；單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)，因?yàn)閮蓚?cè)搖桿運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性，會(huì)產(chǎn)生不平衡慣性力；雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)，是對(duì)單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的一種機(jī)構(gòu)，它是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的撲翼機(jī)構(gòu)；空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，是針對(duì)微型撲翼機(jī)的微型化要求，所提出的一種空間機(jī)構(gòu)，其原理同雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)類似，不同之處在于將兩曲柄的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)過(guò)90°和將原先的轉(zhuǎn)動(dòng)副換成球副，這樣使得撲翼機(jī)構(gòu)更加緊湊和靈活，如圖3 所示。

圖3 空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

基于對(duì)傳統(tǒng)撲翼機(jī)構(gòu)的探索，當(dāng)前也有一些新的撲翼結(jié)構(gòu)誕生，例如：王紅超等[15]研發(fā)出一種帶有彈性儲(chǔ)能原件連接的新型仿鳥(niǎo)撲翼機(jī)構(gòu)，從翅翼獨(dú)立控制、能量消耗更少、合理的折疊翅翼平均升力更高三個(gè)方面介紹新型撲翼機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，如圖4 所示；李康康等[16]采用變剛度串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和平面轉(zhuǎn)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翅翼的剛度變化，進(jìn)一步研究了撲翼飛行機(jī)器人的升、推力隨撲翼剛度變化的機(jī)理。

圖4 新型仿鳥(niǎo)撲翼機(jī)構(gòu)

2.3 翅翼的設(shè)計(jì)與選擇

觀察發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的昆蟲(chóng)都是單段翅翼結(jié)構(gòu)且撲動(dòng)頻率都較高。研究者發(fā)現(xiàn)蜻蜓的褶皺翅翼影響著翅翼的固有頻率和模態(tài)情況，使得蜻蜓在高頻撲動(dòng)情況下不會(huì)發(fā)生共振，而且相比光滑翼型具有更好的升力特性[17]。除了對(duì)單段翅翼結(jié)構(gòu)的研究，郝淑文[18]通過(guò)流固耦合的數(shù)值方法研究了氣動(dòng)彈性對(duì)膜撲翼的氣動(dòng)性能影響，發(fā)現(xiàn)具有剛性前緣、柔性后緣和適當(dāng)厚度的翼型具有更好的氣動(dòng)特性。

鳥(niǎo)類翅翼與昆蟲(chóng)翅翼有較大不同，通常采用的是雙段翅翼結(jié)構(gòu)。陳亮[19]等根據(jù)改進(jìn)的葉素理論對(duì)仿鳥(niǎo)翅翼進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類翅翼的內(nèi)段翼主要是產(chǎn)生升力，而外段翅翼主要產(chǎn)生飛行的推力。借鑒固定翼較成熟的翼型應(yīng)用，對(duì)雙凸、平凸、凹凸、對(duì)稱以及S 型翼型進(jìn)行數(shù)值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)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(duì)撲翼飛行的推力貢獻(xiàn)較大。

無(wú)論是昆蟲(chóng)還是鳥(niǎo)類，過(guò)去的研究者們常將其翅翼簡(jiǎn)化為剛性翅翼進(jìn)行流場(chǎng)分析，這顯然是不符合實(shí)際的[20]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展提高，研究者們發(fā)現(xiàn)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(guò)程能夠有效地減小空氣阻力[21-22]。因此，在翼型的設(shè)計(jì)與選擇過(guò)程中可以參考具有一定柔性變形規(guī)律的翅翼類型。

2.4 飛行動(dòng)力系統(tǒng)

撲翼飛行機(jī)器人的動(dòng)力裝置在滿足體積小、質(zhì)量輕的前提下，需提供足夠的飛行速度和航程。當(dāng)然不同驅(qū)動(dòng)類型的撲翼機(jī)構(gòu)需要不同的動(dòng)力裝置。目前，最常見(jiàn)的動(dòng)力源系統(tǒng)是微電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)和人造肌肉驅(qū)動(dòng)等[23]。

北航的張鈺等[24]提出了一種新型電磁驅(qū)動(dòng)的方案，并建立了微梁振動(dòng)模型驗(yàn)證了其可行性。國(guó)外Chattaraj N 等[25]發(fā)現(xiàn)了一種類似微撲翼與疊層壓電驅(qū)動(dòng)器之間傳輸?shù)姆植际饺嵝詸C(jī)構(gòu)，不僅減小了撲翼機(jī)構(gòu)的橫向尺寸，還將原有的撲動(dòng)頻率提高了13 倍。人造肌肉驅(qū)動(dòng)通過(guò)注入化學(xué)元素產(chǎn)生化學(xué)能，使得“肌肉”的伸縮和彎曲實(shí)現(xiàn)撲翼機(jī)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。有學(xué)者指出，美國(guó)的佐治亞技術(shù)研究所GTRI 根據(jù)其特點(diǎn)研發(fā)了名為“Entomopter”的撲翼機(jī)[26]。以上動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)如表1 所示。

表1 動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

3 展望

隨著科技水平的不斷提高，從整體角度出發(fā)，對(duì)撲翼飛行機(jī)器人未來(lái)的研究和發(fā)展方向提出以下幾點(diǎn)展望：

（1）撲翼飛行的研究始終離不開(kāi)空氣動(dòng)力學(xué)。只有通過(guò)對(duì)昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類飛行機(jī)理的深入研究，建立正確的數(shù)學(xué)模型，分析低雷諾數(shù)下非定常氣動(dòng)特性，獲得氣動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律，才能為撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

（2）完善撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)，實(shí)現(xiàn)新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，例如采用柔性機(jī)構(gòu)、空間機(jī)構(gòu)、多樣式組合機(jī)構(gòu)等新型撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以完成更優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）翼型的選擇。不同類型的翼型具有不同的氣動(dòng)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(dòng)特性，隨著技術(shù)的發(fā)展，柔性翼技術(shù)將成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（4）動(dòng)力源的研究。由于微電機(jī)技術(shù)較成熟，在近期驅(qū)動(dòng)器仍以微電機(jī)為主。要想獲得更優(yōu)的微電機(jī)技術(shù)，只能對(duì)微電機(jī)的組成部件進(jìn)行優(yōu)化，或者研發(fā)出新型超微輕質(zhì)高驅(qū)動(dòng)智能化的裝置。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就撲翼飛行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧和分析，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)作了總結(jié)，最后對(duì)飛行機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法是研究撲翼飛行氣動(dòng)理論的有效方法；撲動(dòng)機(jī)構(gòu)、翅翼和動(dòng)力系統(tǒng)的研究，是探尋更完善的撲翼飛行器結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效途徑；撲翼飛行器的發(fā)展方向?qū)⑹俏⑿突⒅悄芑?、柔性化?/p>