胡 超，謝中敏，沈朝萍，尚金秋

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212134）

0 引言

學(xué)習(xí)自然界生物的特點(diǎn)并借鑒和利用其優(yōu)越性一直是生物學(xué)家的追求，撲翼飛行器就是其中的產(chǎn)物，其源于對自然界中鳥類和昆蟲的模仿?！叭斯だハx”概念最早由東京大學(xué)的學(xué)者提出，其將蚊子作為樣本，研究分析懸停和飛行過程中的升力機(jī)理，目前已經(jīng)研制出了采用不同驅(qū)動器的微型仿生撲翼飛行器樣機(jī)。1992年美國國防預(yù)研計劃局在一個關(guān)于未來軍事技術(shù)的研討會上提出了微型飛行器的概念，1997年，美國國防預(yù)研計劃局的麥克米切爾提出微型撲翼飛行器的概念[1]。這種類似昆蟲和鳥類的飛行器翼面像翅膀一樣上下?lián)鋭?，從而產(chǎn)生平衡重力升力和前進(jìn)的推力。與微型固定翼和旋翼飛行器相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢，利用翼面拍動的撲翼系統(tǒng)可以將升力、懸停和推力等功能集中在撲翼系統(tǒng)上。

根據(jù)現(xiàn)有的研究表明，撲翼飛行器一方面有相等同于鳥類和昆蟲的大小尺寸，隱蔽性和機(jī)動性非常好，同時相較于傳統(tǒng)的固定翼飛行和旋翼飛行有無可替代的優(yōu)勢，在同等機(jī)載重量下，它用更少的能量進(jìn)行相同工況下的長時間、長距離飛行，另外還可以實(shí)現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎加速、空中懸停等動作，具有非常好的機(jī)動性和靈活性。不論在軍用還是民用領(lǐng)域都具有十分重要、極其廣泛的用途。

1 撲翼飛行器傳動機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

翅膀拍動方式的差異性是決定鳥類和昆蟲飛行特點(diǎn)的關(guān)鍵，這其中還包括尾翼的搖擺。研究發(fā)現(xiàn)，鳥和昆蟲是依靠控制胸腔的彈性運(yùn)動，通過力作用于翅膀關(guān)節(jié)上來實(shí)現(xiàn)翼面的拍動，與飛行相關(guān)的結(jié)構(gòu)都集中在翅膀和胸部[2]。從仿生機(jī)器人的角度，從整體到局部分析昆蟲和鳥類的胸腔翅膀，整個胸部和翅膀結(jié)構(gòu)類似于由能源系統(tǒng)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和仿生翅膀組成，而在整個系統(tǒng)中，驅(qū)動機(jī)構(gòu)和仿生翅是實(shí)現(xiàn)飛行運(yùn)動的核心部分。對于尺寸稍大的仿生撲翼飛行器，可以模仿鳥類身體內(nèi)部驅(qū)動結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動器提供較大的轉(zhuǎn)動力矩，然后經(jīng)由傳動機(jī)構(gòu)將驅(qū)動力矩傳遞給翅膀。不同于尺寸較大的撲翼飛行器，尺寸較小的撲翼飛行器由于機(jī)載重量的限制，攜帶的能量不足以滿足長時間飛行的要求，只能通過驅(qū)動器、運(yùn)動系統(tǒng)和翅膀共振的方法來節(jié)省能量。目前，國內(nèi)外常見的基于仿生學(xué)原理設(shè)計的翅翼機(jī)構(gòu)大致可歸納為如下種類型。

1.1 單自由度連桿機(jī)構(gòu)

國內(nèi)外對仿生撲翼飛行器樣機(jī)的研制各式各樣，這些樣機(jī)中以采用平面撲翼機(jī)構(gòu)為主，其中大部分都是連桿機(jī)構(gòu)[3]。一般的樣機(jī)中都是電動機(jī)作為驅(qū)動源，以四桿機(jī)構(gòu)為基本構(gòu)型，曲柄作為驅(qū)動源，與曲柄相連的連桿帶動搖桿運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)翅膀翼面的上下循環(huán)拍動。目前科研試制的仿生撲翼飛行器樣機(jī)，特別是對大尺寸樣機(jī)來說，這種單自由度連桿機(jī)構(gòu)是比較優(yōu)先的選擇，主要是因?yàn)檫B桿機(jī)構(gòu)的撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低和維修拆裝方便。單自由度撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，各機(jī)構(gòu)動力系統(tǒng)均采用微型電動機(jī)，主要有單曲柄雙搖桿和雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)兩種類型。

（1）單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)

曲柄通過連桿帶動兩邊的搖桿上下?lián)鋭訉?shí)現(xiàn)飛行，機(jī)構(gòu)的簡化圖如圖1（a）所示，優(yōu)點(diǎn)是效率高、重量輕、容易小型化，缺點(diǎn)是兩側(cè)翼面的拍動過程不完全對稱，存在相位差，而且僅在翼面拍動的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)對稱。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對于非精確控制的撲翼飛行器，此偏差角的影響很小，可以通過尺寸優(yōu)化重新設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)的桿長，使兩側(cè)翼面的偏差角盡可能小。加州理工學(xué)院、航空環(huán)境公司等機(jī)構(gòu)聯(lián)合研制的Microbat是世界上第一個手掌大小的電驅(qū)動撲翼機(jī)，其重量僅10 g，通過齒輪機(jī)構(gòu)、雙連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)翼作上下拍動，如圖1（b）所示[4]。臺灣中華大學(xué)的撲翼飛行器傳動機(jī)構(gòu)也采用單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翅膀的拍動。

圖1 撲翼飛行器單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)簡化及應(yīng)用

（2）雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)

小齒輪驅(qū)動兩邊的齒輪同時運(yùn)動，兩側(cè)的齒輪均相當(dāng)于一個曲柄，再驅(qū)動兩側(cè)連桿，連桿機(jī)構(gòu)帶動搖桿實(shí)現(xiàn)翼面的撲翼運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)是有效地克服了單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不對稱性問題，但是對于微小型撲翼飛行器上很難實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，尺寸小型化比較困難。萊特州立大學(xué)研制的撲翼飛行器，翼展為20 cm，采用雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)飛行，如圖2（b）所示[5]。

圖2 撲翼飛行器雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)簡化及應(yīng)用

1.2 壓電材料翅翼機(jī)構(gòu)

壓電雙晶片應(yīng)用在微小型撲翼飛行器上作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)優(yōu)勢明顯，該機(jī)構(gòu)具有無摩擦、無間隙的特點(diǎn)，能較好地模仿生物關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)仿生翅膀所需的高頻拍動，但該撲翼機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能還沒有達(dá)到理想效果，需進(jìn)一步深入研究。與此類似的翅翼機(jī)構(gòu)還有靜電驅(qū)動微撲翼機(jī)構(gòu)、往復(fù)式化學(xué)肌肉驅(qū)動機(jī)構(gòu)等，這類壓電材料翅翼機(jī)構(gòu)應(yīng)用在仿昆蟲類小型撲翼飛行器上較多，滿足昆蟲翼面拍動頻率高、幅度小的特點(diǎn)，所以在具體將這種機(jī)構(gòu)應(yīng)用時，還需要設(shè)置放大機(jī)構(gòu)，從而將驅(qū)動器的小位移轉(zhuǎn)換成翼面的拍動，這個過程會使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜。

2003年美國加州大學(xué)伯克利分校微型飛行機(jī)器昆蟲（MFI），如圖 3（a）所示[6]，該飛行器是一種能夠獨(dú)立自主飛行的微型拍翅式飛行機(jī)器昆蟲，利用壓電陶瓷驅(qū)動兩個柔性四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翅膀兩個自由度的運(yùn)動：拍動和轉(zhuǎn)動，機(jī)構(gòu)簡圖如圖3（b）所示。

圖3 撲翼飛行器壓電材料翅翼機(jī)構(gòu)簡化及應(yīng)用

美國佐治亞理工學(xué)院研制的Entomopter撲翼式微型飛行器，前后有兩對采用特殊結(jié)構(gòu)和材料制成的機(jī)翼，機(jī)翼由往復(fù)式化學(xué)肌肉RCM驅(qū)動。SRI國際公司和多倫多大學(xué)合作研究的Mentor，其重量為50 g，機(jī)翼由電致伸縮的聚合物EPAM驅(qū)動，EPAM可以快速改變電壓值來實(shí)現(xiàn)收縮和伸長[7]。日本東京大學(xué)利用交變的磁場來驅(qū)動翅膀的拍動，翅膀的制作材料為聚酰亞胺/鎳，當(dāng)微飛行器放入交變磁場中后，翅膀上的鎳薄膜將帶動翅膀一體拍動。美國范德比爾特大學(xué)的COX等人利用壓電材料，韓國建國大學(xué)Park等人也利用LIPCA和IPMC在撲翼微飛行器的研制上進(jìn)行了有益的嘗試和研究。

1.3 柔順翅翼機(jī)構(gòu)

目前研制的撲翼飛行器傳動機(jī)構(gòu)主要都是剛性的，也就是機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不存在變形，或者變形可以忽略不計，但實(shí)際上，生物胸腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是剛性的，時刻存在擠壓變形，自此柔順機(jī)構(gòu)進(jìn)入研究人員的視野。研究表明，實(shí)現(xiàn)相同的飛行目標(biāo)，柔順機(jī)構(gòu)需要的能量更少，但該機(jī)構(gòu)的拍打幅度較小，同壓電翅翼機(jī)構(gòu)類似，這種機(jī)構(gòu)需要多級的運(yùn)動放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大幅度拍動，另外在維修方面也存在一定的缺陷，不能像傳統(tǒng)的機(jī)械維修那樣簡單拆換新零件，而必須采用整體替換的方法[8]。為克服以上問題，部分柔順機(jī)構(gòu)即被提出，也就是在剛性曲柄搖桿翅翼機(jī)構(gòu)中，將搖桿兩個剛性鉸鏈替換成柔性鉸鏈，實(shí)驗(yàn)表明，在機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，柔性鉸鏈的最大輸入力矩值比傳統(tǒng)鉸鏈的剛性機(jī)構(gòu)要小。在機(jī)構(gòu)中引入彈性元件，比如彈簧，已經(jīng)慢慢成為飛翼飛行器減少能量消耗和驅(qū)動力矩波動的主要方法和手段，如圖4所示[9]。

圖4 彈性元件在撲翼機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用簡化

2 傳動機(jī)構(gòu)的對比分析及展望

從目前來講，研制出來的撲翼飛行器無論從續(xù)航時間，還是機(jī)動性方面都做不到真實(shí)鳥類那樣。單從撲翼飛行器的傳動機(jī)構(gòu)來看，撲翼飛行器只能用簡單的傳動機(jī)構(gòu)來仿生，而實(shí)際上，昆蟲和鳥的胸腔內(nèi)部彈性關(guān)節(jié)、伸縮肌肉等組成的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙邊翅膀高速拍動。所以節(jié)能、簡單的傳動機(jī)構(gòu)是設(shè)計性能良好撲翼飛行器的目標(biāo)，但是傳統(tǒng)的單自由度連桿機(jī)構(gòu)無法做到能量的充分傳遞。微小型昆蟲胸部內(nèi)部結(jié)構(gòu)巧妙，往往是一個共振系統(tǒng)，這樣能減少撲翼拍動加速和減速時翅翼運(yùn)動所需的能量。所以嘗試在撲翼傳動機(jī)構(gòu)中加入彈簧和柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，是目前撲翼飛行器傳動機(jī)構(gòu)研究的突破點(diǎn)。

研究表明，當(dāng)飛行器翼展尺寸小于150 mm時，撲翼飛行器相對于固定翼、旋翼飛行器更占優(yōu)勢。但是在此尺度范圍內(nèi)撲翼飛行器，如果簡單采用傳統(tǒng)的機(jī)械式驅(qū)動機(jī)構(gòu)，只能實(shí)現(xiàn)簡單的拍動飛行，很難做到微型化，其機(jī)體載重、空間尺寸以多機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度都受到諸多方面的限制。因此，要研制真正意義上“機(jī)器蒼蠅”或“機(jī)器蜜蜂”，必須更深入底研究和應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)及其相應(yīng)的基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)論

模仿鳥類和昆蟲，根據(jù)其飛行機(jī)理設(shè)計和制造與其運(yùn)動模式相似的撲翼飛行器是人們的夢想，然而，鳥和昆蟲杰出的飛行性能是經(jīng)過千百萬年的進(jìn)化得到，其結(jié)構(gòu)特征極具合理性，飛行的高升力機(jī)理及其飛行的靈巧性都與它們翅膀復(fù)雜的運(yùn)動模式有關(guān)，從目前技術(shù)角度來講，簡單用機(jī)械機(jī)構(gòu)來模仿生物運(yùn)動不可能實(shí)現(xiàn)，只能繼續(xù)深入分析昆蟲結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特性的本質(zhì)，才能設(shè)計尺寸更小、效率更高、機(jī)動性更好的撲翼飛行器。