（机械制造及其自动化专业论文）仿生扑翼飞行机器人的机理分析及其实验研究.pdf

武立新仿生扑翼龟 亍机器八鲍姆i 理分析及菇实验研究 摘要 仿生扑翼飞行机器人是种具有新颖移动方式的、集多种前沿技术于体的 新概念仿生飞行器目前已成为幽际上的研究热点之一，无论程军事还是民用领 域都有着广阔的应用前景。本文在总结了闽内外最新研究成果蘩础t ，围绕仿生 扑窦飞行机理、仿生翼运动模型以及扑冀驱动系统展开了研究与探索。 首先分绍了仿生扑翼飞行的碍究背景，分析了仿生挣翼飞行抟特点及萁可观 酶应恁自日鬃；阐述了糖生斡冀飞霉亍机器人的研究毯状，擐讨了秘前j 韵将来研究审 职遇到的一些关键技术。 摹于空气动力学理论，对仿生手 翼飞行机器人的可行性避行了分析；探讨了 动物哥i | = = 方式及葵只寝捧对傍生朴翼飞行鞠；嚣a 设计黪扁发，簿盎采用卦冀雍禺 是解决在低霈诺数下飞行难点的、一种可行方案；震点磺究了动物矜翼飞行钒理， 为研制仿生扑翼飞行机器八设计提供丁理论依据。 根据动镪卦翼系缝特点，捺礴了傍生翼设计黪一些燕簧鲤塞；重点拦瞄了矜 式鞠涟式运麓模嫠翁概念，并分辑托较了魏者蘸特点，译至霉擦游了曩式运动模型 麓实现：辍掘羚式运动模型，对卦嚣运动过程进行分解，推释出气动力的数德碍 算公式。 裰掇确秘飞行足泼襻，礴定了撵橇设跨参数 裁基予b 蹙斟s 帮连轷枫构翡挣 翼鬻动静l 构设计方寨避行了分析比较，探讨了扑嚣驱动机毒晕麴囊现途径秘方法， 并针对基于四杆机构的扑翼驱动机构谶行了优化设计；根据样机功率需求，选择 1 ，逢食卦冀抟辊瓣动力装嚣、能源，设计了减速帆椽霸控锱蓉踱。 首先孀籁荔蕊飞装鼙来验证襻祝翁升力簸栗，接着采用自行研制的气动力溺 鬟宴验平台，就惑停龟苻和前嚣试验样机避 亍了气动力试验，并将测量绪聚和 理 仑计算站槊进行b 较分析，为试验槽概静试飞稳像了燕制方式的参考，为避一 多曲致述设计撵嵌了技寒参数。 零文坍有工律郡取槔了预期效聚，相信睫着研究二l 作的潦 及穗关技术翁亮 蒋，仿生扑冀e 行机器人l ；| f 研究必将取得突破性的进展。 荚键漏：仿垒，莽囊飞行祝器a ，动物飞行机磁。尺度襻，f l , 冀瓤动瓤构，实验 j f - 台，试狳棒视 藏立凝傍生羚冀飞哲枧嚣人熬橇理分橱及其实验研究 a b s t r a c t b i o n i cf l a p p i n g w i n ga e r i a lr o b o t ( b e a r ) i saa e r i a lv e h i c l ew i t hn e w c o n c e p t ， w h i c hh a sn o v e ll o c o m o t i o nm e t h o da n di n v o l v e sa d v a n c e dt e c h n o l o g i e s 。b f a r b e c o m e sah o t s p o to fr e s e a r c hr e c e n t l y , a n dh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nm i l i t a r ya n d c i v i l i a n o nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n g a l lk i n d so fl a t e s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so nt h i s f i e l d ，t h ef l a p p i n g - w i n gf l i g h tm e c h a n i s m 、t h em o v e m e n tm o d e lo f b i o n i cw i n g sa n dt h e f l a p p i n g w i n gd r i v es y s t e m a r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do f b f a ri si n t r o d u c e d ；t h ec i l a r a c t e r i s t i c sa n dt h e a p p l i c a t i o np r o s p e c t sa r ea n a l y z e d i ti sa l s oc o n c l u d e dt h a tf l a p p i n g - w i n gf i g h th a s h i 曲e re f f i c i e n c ya n db i g g e rm i n i a t u r ed e g r e e ，a n dt h eb f a r i st h et e n d e n c yo f f l i g h t r o b o t ，t h i st h e s i sr e v i e w s 壤e d e v e l o p m e n t a n dc u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f b f 纨r a l s o d i s c u s s e s k e yt e c h n o l o g i e so f b f a r + b a s e do nt h ea e r o d y n a m i c st h e o r y , t h ef e a s i b i l i t yo fb f a r i sa n a l y z e d n ed e s i g n i n s p i r a t i o no f b f a r , w h i c h c o m e sf r o mt h ef l i g h tm o d ea n d s c a l i n gr u l e ，i sp r o b e d i n t o i t i sp r o p o s e dt h a tf l a p p i n g - w i n gf l i g h ti sad o a b l es c h e m et os o l v et h e d i f f i c u l t yo f f l i g h tu n d e rl o w r e n a u d 确露f l a p p i n g w i n gf l i 西tm e c h a n i s mo f a n i m a li si n v e s t i g a t e d i np a r t i c u l a r , a n dt h er e s u l t sp r o v i d ea t h e o r yf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gb f a r a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n i m a l sf l a p p i n g - w i n g s y s t e m 。s o m ei m p o 蛾a n t f a c t o r so ft h eb i o n i cw i n gd e s i g na r ed i s c u s s e d an e w c o n c e p to f t h el o c o m o t i o no f f l a p p i n g w i n g a n d w a s h i n g w i n g i s b r o u g h tf o r w a r d ，a n d t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h ea p p r o a c ht or e a l i z et h ef l a p p i n g w i n gm o d ei ss t u d i e di n d e t a i l s o nt h eb a s i so ft h e f l a p p i n g w i n gm o d e ，t h ef l a p p i n g * w i n gc o n r s e i s d e c o m p o u n d e d ，a n d t h eq u a l i t a t i v ec a l c u l a t ef o n n u l a so f a e r o d y n a m i c sf o r c ea r eg i v e n o nt h ef o u n d a t i o no fa n i m a l f l i g h ts c a l i n gr u l e ，t h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h e p r o t o t y p ea r ew o r k e do u t 。t h ed e s i g no ff l a p p i n g w i n ga c t u a t o r s ，b a s e do nm e m s t e c h n o l o g ya n dl i n k a g em e c h a n i s m ，i sa n a l y z e d ，t h em e t h o d sa n dw a y so f r e a l i z i n gt h e a c t u a t o r sa r ea l s o d i s c u s s e d ，t h ed e s i g no fa c t u a t o r sb a s e do nt h e f o u r - i i n k a g e m e c h a n i s mi so p t i m i z e d 。i n c o n f o r m i t y t ot h ed e m a n d p o w e r , t h em o t i v ee q u i p m e n ta n d e n e r g ys y s t e ma r es e l e c t e d ；t h eg e a r d o w nt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e ma r e f l a m e d 扬州大学硕士学位论文 t h el i f te f f e c ti sv a l i d a t e do na s i m p l es u s p e n d f l i g h td e v i c e ae x p e r i m e n t a l p l a t f o r mt om e a s u r e t h ea e r o d y n a m i cf o r c ei sd e v i s e da n dd e v e l o p e d b yo u r s e l v e s o n t h i se q u i p m e n t ，t h ea e r o d y n a m i c sf o r c eo ft h ep r o t o t y p ea r et e s t e du n d e rh o v e r i n ga n d f l y i n gf o r w a r dc o n d i t i o n s ，a n dt h et e s tr e s u l t sa r ec o m p a r e dt ot h er e s u l t so ft h e o r y c a l c u l a t i o n t h er e f e r e n c e sa r e p r o v i d e df o r f u t u r ed e s i g na n d f l y t e s tc o n t r o lw a y s a l lt h ew o r ko ft h i st h e s i ss h o w sag o o da c h i e v e m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f r e s e a r c hw o r k ，w et h i n kf i r m l yt h a tt h er e s e a r c ho fb f a r w i l lm a k eab r e a k t h r o u g hi n t h ef i u t l r e k e yw o r d s ：b i o n i c s ，f l a p p i n g - w i n ga e r i a lr o b o t s ，f l i g h tm e c h a n i s mo fa n i m a l s ， s c a l i n gr u l e ，f l a p p i n g w i n ga c t u a t o r s ，e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t e s tp r o t o t y p e 武立赣绩生势蘩飞纷瓿器久黪撬疆分辑及其实验鹱究 1 1 引言 第一章绪论 嚣簦嚣蠹癸对飞行辍器人鲤磷究多集中予溜定鬓泰旋翼类型，这掰懿类型夔 飞行机器入各有特长，僵活动场辑和工作环境游都受到一是的限制。随麓军事、 民用的缴展和科学技术的进步，对于许多任务而言，固定翼和旋翼类型的机器人 的飞彳亍方式是不够的。因此，为了适应任务的复杂性和环境的多样性，对疑舂更 好穰麓裟活缝蘸飞霉亍方式翡骚究楚势在必行，静餮在飞毒亍方式上进行截掰。与露 定翼和旋巽类型的飞行机器人相比，扑翼飞行方式由于其具谢更大的机动灵活性、 更好的避障能力以及低廉的飞行费用f l l ，因而受到国内外众多研究者的广泛关注。 谗多匿豢都己在这方囊遴牙了礤究，翅美鏊热媸大学、基本东寨大学等黎已经在 这个领域进行了深入的研究探索：】二作，国内的科学家们也开始了这方面的基础研 究工作。 惦生羚翼飞行车强器人垦煎还处在一个剐雕开始积兴起的除段，虽然取褥了一 些除段穗研究成栗，攥距离实嗣输段还有狠远，仍有禳多撰论帮实戥工幸譬需要进 行深入研究。我国威利用这个有利时机，加大投入，争取在仿生扑翼飞行机器人 研究的巢些关键技术方面取得突破。本课题就魑在这样的研究背景下，出江苏省 裹蔽塞然科学基金资麓，对访生羚鬓飞李亍穰器入开震了一些搽索毽兹磺究王箨。 1 2 扑溅飞行特点及其应用前景 仿雯羚翼飞行凝器大或仿玺努爨飞孬器，糕溪亏= 飞毒亍嚣菠薅，又震予巍穰念 的仿生飞行机器人研究范畴，是一种模仿鸟类和昆虫飞行，瓣于仿生学原理设计 制造的新型飞行机器入吲。随着对动物飞行机理的认识和微电予机械技术f m e m s ) 、 空气动力学和新型孝芎糕等的快速发展，仿生扑翼飞行极爨人在曩蓠已成为一个錾 嚣研究热点。 仿生扑翼飞行机器人若研制成功，它便有一魑飞行机器人所不具有的优点： 如原地或小场地垂直起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉， 它将举冀+ 、基簿积控避功能集子拎鬟系统，可以溺缀零熬麓鼙遴抒长鼹鬻毡芎亍， 因此更邋合在长时间无能源补充及远距离条件f 执行任务。囱然界的飞行生物无 扬州大学硕士学位论文 例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个扁迪，同时根掇仿生学和空气动 力学磅究绥鬃露戮羲冤，在翼震，j 、予1 5 c m 时，羚鬓飞行院霹定爨餐燕鬟飞雩亍受曩 有优势，微型仿生扑翼飞行机器人也必将在该研究领域占据主导地位i l j 。 仿生扑鼹1 s 行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点， 因此在琵髑帮国防领域有卡分重要焉广泛雏应鼹，并能完藏诲多其毽飞行器掰无 法执行的任务。它可以遴行生纯探测与环境监测，进入生化禁溪执行任务；可以 对森林、草原和农田上的火灾、虫灾及空气污染等i 茳行实时监测；可以进入人员 巧i 易进入地区，如地势除要战地，失火或出事故建筑物中等；特别是在军事上， 傍生棼翼飞行器可瑟子簸缓蔟察、这遴、突袭、绩号子魏鼓及遗霉亍簸毒箨装等瑟“。 1 3 仿生扑翼飞行机器人的研究现状 1 3 ，l 霉期磺究德提蚓 众所周知，早在中国西汉时代就讶有人来模仿鸱的飞行，世界上第一架按技 术规程设计的扑翼枫图纸燃自著名域家达。芬奇之手，如图1 1 所示，它是根掇鸟 类飞芎亍瓿遴送行设计鹣，至今锈完鳋麓保存在薅穆镰肉。餐过了3 0 0 多年爱，科 学家们才煎新开始考虑扑翼机，并把它作为一种飞行器来研究。在1 9 世纪中期， 由考夫曼、英国人哈尔格策夫和德国人李林塔尔对扑翼机的理论所作的研究段实 践戏为势冀毽行嚣发震受上重要夔羹羧碑。 睡1 1 达芬鸯接翼辊銎纸图 之羚冀蹭羯撬壤型强 2 0 世纪初，俄罗斯科学家和设计师们存这一领城内取得了煎大突破，但搽于 知识背景，当时的扑翼飞行器也不能斡理想的飞行器。一系列的失败迫使科学寐 2 藏立薮莹生羚翼飞行桃器夫爨掘理分辑及其实验秘究 髑熏耨进行计冀设计，邋过试飞实黢和疑积累数璐途资料，辩学家嬲善到了许多 问题，如；机翼扑动时效果不明显，并未产生理想的升力和推力。另外，关键一 点慧稽学家们认识蓟之漆那些穰靠人体蠹鸯勰肉鹣力量来驱动静矜鬟飞行嚣是无 法实现持续飞行的。由此至2 0 世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行 器和动力扑翼飞行器。前者如圈t - 2 所示，仍由人发出功率，故不能猿立起飞，只 有获褥必要的赢发才熊滑翔飞行，在无上升气流情况下，要靠驾驶受入力拎动机 翼，以减缓某一时刻的下降速度；后者当时则利用了发动机来完全或部分取代人 力。在1 9 8 6 年，美国入波控麦克鼙建在动力羚翼飞行爨土取缮过定藏绥，毽 须翳加装大传动比的减速器才能使发动机满足扑翼工作臻求，相比之下，蒸汽发 动梳、电动视等烫适合羚翼飞行器使糟。 1 3 + 2 国乡| 、研究凌状 裙赣黪羚翼飞行辊貉天匏发震融入了谗多稀孥家翡i 嚣苦努力，毽整体上都显 得较为庞大且也相当笨灌，离实用还相当旗远，和目前发展的扑翼飞行机器人相 比，也显彳替很笨擒，却为后期的研究工作提供了一定的理论基础和实践经验。 强外对傍生扑翼飞行机器入弱磅究始予9 0 年代初，强前研究工 玺兰要包括携 生飞行机理、微趔仿生飞行机器人的设计与研制、材料及单个部件研究等几个方 瑟。| 2 塞着m e m s 按术、空气韵力学秘瑟型榜耪等懿发蓑，翔今瓣势翼飞行孛旯器久 也越来越灵巧且逐渐小挺化，离实用也越来越近，它的发展也成为飞行器研究领 域鬣为热门翡蓠浴学科。萁主疆的避展有醴下尼方面： ( - - ) “大扑翼【5 1 2 0 世纪末，扑翼飞行器的发展也取得了可喜的成功。在1 9 9 6 年，加拿大人詹 姆豢。德按璐尔麟到了“太扑翼”，嶷2 4 马力豹嚣、砖理趣轻型发动援遽过一令援 械驱动装鼹直接垮机翼相连，一个链齿条装嚣驱动位于飞行员身后的两个构架卜 f 运动，霞辊鬓中浚被反复拾穗。在发动辊转努3 8 0 0 转分静最大速震时，梳鬓麓 扑动1 3 次每秒。德拉瑞尔也认识到设计上墩大的挑战是机翼，必须承认这是历史 上授术最复杂的机翼。通过研究鸟类飞行的後动作照片，结果发现在这一瞬间发 生丁太多不同的运动，要模妨这些运动实在不易。在设计时，德拉瑞尔提如，只 要能产生扑动和扭转运动巧妙结合的效果就足够了，经过多年研究，他们验证了 耪势切弯馥浚计和i 罐控镬方法源瑾錾可行靛，在“大努翼”主，飞霭炭通 过擞纵水平安定面来控制俯仰，侧向控制应该是扑翼的第三个功能，“大扑翼”的 扬州大学硕士学位论文 机翼还不行，它的机翼设计排除了使用常规的副翼进行直接滚转控制的可能，因 此还得依靠方向舵。至于滚转控制则靠的是一种偏航一滚转耦合的方法。然而理 论研究和模型试验不能证明一切，所有设计都还需在试飞中检验。今天的扑翼飞 行器就像上个世纪4 0 年代的超音速飞机一样，未知领域还非常多，特别是稳定性 和控制问题在设计过程中依然是非常重要的难题。遗憾的是“大扑翼”的首次试 飞及改进后的试飞均未达到要求，但它却为随后的深入研究工作提供了很好的经 验基础。 ( 二) “夜鹰( 5 】 在“大扑翼”的研究期间，加拿大人杰姆泰斯和赛德也正在尝试研制扑翼 机一“夜鹰”，他们的设计原理与德拉瑞尔的完全不同，而是更想接近鸟类的飞行 方式，因而飞行器没有垂尾和方向舵，而是靠控制扑翼角度和频率来操纵，加上 个独立控制的鸽子似的尾部上下、左右地运动或扭转着，同时在气流合适时保 持滑翔，转向则是靠独立反向机翼弯曲。他们利用液压作动力驱动，能对扑翼角 度和频率施加直接控制，当然控制的量还得由计算机精确掌握，同时液压部件也 要有很高的重复频率和疲劳耐受力。虽然“夜鹰”在理论研究研究上渐趋成熟， 但试飞结果同“大扑翼”一样，也未达到既定要求，故还需不断改进。 ( 三) 微型扑翼飞行器 自2 0 世纪中后期以来，鉴于仿生扑翼飞行机器人潜在的更具吸引力的应用前 景，其在短时间内就吸引了许多研究者的关注，研究主要集中在扑翼飞行仿生机 理和扑翼结构方面，关于较大尺寸及微型扑翼的空气动力学研究也逐渐成为热点。 仿生学原理方面研究工作通常分为结构、运动学和升力机理几部分进行。一 些学者对昆虫和鸟类的结构及运动学进行了比较深入的研究2 1 。了解到昆虫和鸟 类与飞行有关的奇异、微妙的结构和功能。通过吊飞和自由飞行试验研究，得到 昆虫和鸟类扑翅飞行运动模式，以及一系列有意义的飞行参数，如扑动频率、扑 动幅度等。w o o t o n 1 2 1 认为昆虫飞行能力和飞行技巧的多样性大半来自于翅型多样 性和微妙复杂的运动模式。许多生物飞行的非定常机理以及生物的飞行运动模式 也在模拟试验的基础上得以提出。 1 9 7 3 年w e i s f o g h i l3 j 在对黄蜂的飞行运动研究的基础上，提出了一种产生升 力的“振翅拍击和挥摆急动( c l a pa n df l i n g ) ”机构，并论述了这种机构产生瞬时升 力的机理。 19 9 4 年s m i t h u 4 】用有限元法和气动翼段法建立了龟蛾翅膀的弹性动力学与空 武立新仿生扑翼1 s 行机器人的机瓒分析及其实验研究 一气动力举耦合模型，研究了在气动力和惯性力作用下翼的各阶弯趋和扭转振型， 并与掰性翼模鍪遂行了对毙。 1 9 9 6 年英国剑桥大学的e l l i n g t o n 等【”】为研究扑翅周围的旋涡，研制了雷诺数 与天蛾相同的扇翅模型一扇板。通过风洞试验发现此扇板在f 扇时产生一种强烈 懿l 缘麓漏，戴翦缘懑在上撩积下熬过程中垮不鹱落，链髓经过分掇认为藩缘漏 不脱落怒昆虫翅膀产生高升力机制之一，提出出于翅膀下拍产生前缘涡从而产生 较大升力的“动态失速 ( d y n a m i c ss t a l l ) 机制。l i u h 等【1 6 佣数值求解n a v i e r - s t o k e s 方程，诞实昆虫翅膀在上拍和下撩过程中都存在辩着前缘涡。 1 9 9 7 年h a l l 等# 弼提出一静使矜翼大箍夔掐抒产生爵力莉攘力静交，i 、环流分意 的汁算方法；j o n e s 等 1 9 】系统地分析计算了单扑翼和前后组合扑翼的非定常流场、 推力和功率。 1 9 9 9 年美蓬燕强大学夔芟裁分校鞋d i c k i n s o n 为首熬磷究夺缓 2 0 l 在一个装满 矿物油的油罐中对机械翅进行试验，模拟昆虫程低雷诺数下的飞行情况，得出了 昆虫依靠延迟失速( d e l a y e ds t a l l ) 、旋转循( r o t a t i o n a lc i r c u l a t i o n ) 与尾流捕获( w a k e c a p r a r e ) 的共丽作用寒产生嘉舞力蟾结论。 另外，w e is h y y 、s t a c e y 等【l l j 扶生物学角度浅发，主要研究了低雷诺数下的抒 翼运动和柔性翼型对飞行的影响，认为柔性翅熊增大升力。s r y g l e yrb 等f 2 1 】提出 昆虫在飞彳亍过程中根据飞聋亍力需要，交替采用几种非定常高辫t 力枫理。j o s 【2 2 l 研 疑毽一令其有上下嚣对筠爵产生熬打蠢穗秘运动豹努翼瓠稳，并进行了疑溺试验。 仿生学原理研究的最终目的魁研制成功仿嫩飞行机器人。以上这些研究较好 地解释了一些生物的非定常高升力机理，也推动了仿生扑翼飞行关键技术的发展， 毽对复杂运魂研究较少，邋素形成一套完整积瀵薅理论寒指嚣傍生磅突。另努可 以发现，溺际上关于大尺寸手卜翼的研究已经从单纯理论分析计算开始转向研制实 际扑翼机构。 微数扑翼飞行器的兴起与美国凰豌高级研究计划局( d a r p a ) 斡重视楚分不 歼秘。警在1 9 8 2 年，獒蓬攘翊大学佟克稳分绞簸开始遽霉亍徽黧羚翼飞行静运动税 理和空气动力学的实验研究，并在十几年研究的熬础上于1 9 9 8 年开始实行微型扑 翼飞行昆虫( m i c r o m e c h a n i c a lf l y i n gi n s e c t ，m f i ) 的研究计划2 3 - 2 9 ，目的怒模拟 苍蝇弱猿姆飞行性能， 曼诗出一静貔够独立童主搽缀浆徽飞行孝置器，热髫l 。3 赝示。 该项酱共分为四个阶段：可行性分柝、结构加工制作、空气动力学和视翼控制研 究以及b 控和集成综合系统研究。研究人员已对其空气动力学特性作了详细分析， 扬州大学硕士学位论文 设计研制了种仿昆胸腔络构( 种囱压电执行嚣驱动的差动机构) ，其能源幽尾 帮黪太强麓电涎供给，瑷已取褥裙步簸功。接下来麴工捧是喜着肇l 橇翼赘闻繇羧麓 器，通过控制机翼产生的力的大小和陂变机翼扇动模式，以使其能实现稳定b 行。 圈1 - 3m f i 及其独耪游驱动巍擒 美国恢治亚理工学院( g t r i ) 的“e n t o m o p t e r 【3 0 1 是工程师m i c h e l s o n 和他的 助手研制的“仿昆虫微戮扑翼飞行器”，如图1 - 4 所示，这种微裂飞行器有着与蝴 蝶逮耱程缎黪辍翼，援冀采矮将豫缝鞠秘耪辩露l 袋，霹在一耱往复式讫学飘悫 ( r e c i p r o c a t i n gc h e m i c a lm u s c l e ，r c m ) 驱动下上下扑动，机翼上下扑动能根据甚 虫飞行原理提供升力，并使飞行器具有盘旋能力，隧部的天线能够增加平衡作用。 该羚翼飞行器鲍磷究者麓蘩它l 在未寒的火星搽测申发挥其重簧俘鼹。 蹦lt 4e n t o m o p t e r 及其火璺搽翔概念机 r 本东京大学i s a os h i m o y a m a 和他的研究小组胁3 哪最早从事微型仿生。弋行机 器人的研究，他们的研究重点是各种驱动器、能源以及基于m e m s 技术研制仿生 藏立灏镑生羚翼飞褥橇器入翳壤褒分撬及其实验磺究 翅和柔性铰链机构，取得很多研究成果。图1 s 所示为电磁场聪动的仿昆1 毛行机器 入。图示结构中，板a 、b 、c 构成了实现翅无摩擦运动的柔性机构，板b 、税c 与板a 上分羽涂有裙蔽磁性的磁层，翅耪上的获色弹性薄膜燕控铡翅下掐时打开， 上掐辩闭合。在惫磁场静作用下，板b 帮掇c 鞫蓉与援a 运秘方商相反酶方法运 动，毽褥趣黪上下糖动。爱外，尽本东恕大学ks h i m a s a k i 葶瓣毯熬研究小筑 3 0 3 6 j 也- 野疑了电磁驱硪微型仿生飞行机嚣人磷究，如燃1 - 6 舨示，在电磁力驱动下，下 獭时磁性翅膀向下压聚敷驻胺翅膀，两个翅膀一起向下捆动，上拍时浆醮渡胺翅 膀在聚乙烯铰链处向下弯曲，从而上下拍动产生升力差。他们的磷究藿点怒柔牲 铰链和菇振系统。日本研究者还研究了几种微型仿生飞行机器人，如静电场驱动 徽鼙仿生毽行梳器人、螺线管驱动静侪融撼动大攘黧、静电骚动的仿蓖掐动小模 楚等，并通过理论计算和实验初步证明微型仿生飞行机器人的可行性。 陶1 - 5 东京大学研制的仿龆虫b 行机器人斟1 - 6 东北大孥研制的微激飞行机器入 网l - 7 加州大学翱a e r o v i r o n m e n t 公司及期州洛杉矾大学共同研制冉gm i c r o b a t 翔刘大学葶瑟a e r o v i r o n m e n t 公蔼及鸯瓣争擗洛衫磁大学共溺礤潮了徽蹩莽冀飞行 器，名为“m i c r o b a t ”，翅臻1 7 掰示。该镦墼飞行器豹硬究久爨通过大蘩实验 研究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特性，并制作了一蚕申轻型转动飒掬将微 j 电机的转动转变为机翼灼煽动。实验中，该飞行嚣的机翼能以2 0 h z 麴频率煽动， 采用n i c d n 一5 0 电池作为动力源，并在非控制条件下进行了1 8 秽、4 6 米远的飞彳亍 实验。这也是迄今为止文献公开报邋的、有技术细节的、可以持续飞行的微型仿 节 扬州大学硕士学位论文 g ：扑翼飞行器。 美国3 n , j , i - i 大学还计划在2 0 0 4 年研制出翼展5 1 0 m m ，重4 6 m g ，1 8 0 h z 压电 石英驱动的四翼“机器苍蝇”，又称“黑寡妇( b l a c kw i d o w ) ”，如图1 8 所示。美国 斯坦福研究中心( s r i ) 和多伦多大学在d a r p a 的资助下，设计了多种扑翼微型 飞行器模型，图1 - 9 所示为他们共同研究的一种扑翼微型飞行器”m e n t o r ”1 3 引，它有 4 片吐j “人工肌肉”驱动的扑动机翼和用来保持稳定的尾翼，整个飞行器约3 0 厘 米，重不到o 5 千克，并在2 0 0 2 年2 月成为世界上第一架成功悬浮空中的微型扑 翼飞行器。研制人员希望能够把它缩小至蜂鸟大小，这样它就可以被用于监视工 作了。此外，d a r p a 也资助了基于弹性动力和热动力的扑翼飞行器研究工作，另 外几种类型的微扑翼飞行机构也正在研制并取得了一定的成功。 图1 - 8 机器苍蝇构想图 国1 - 9d a r p a 资助下的“m e n t o r ” 此外，还有一些研究机构专门研究微型扑翼飞行机器人中单个部件，研究较 多足微动力源1 3 9 1 。麻省理工正在研制微型涡轮喷气发动机发电机组，可产生1 3 9 推力，自身重仅1 9 。发动机用硅制成，转速1 0 6 r m i n 以上。美国m - d o t 公司已 于近期研制可一种微型涡轮喷气发动机，机长约7 6 c m ，直径8 5 9 ，可以产生6 2 7 2 n 推力。i g r 公司正在研制固体氧化物燃料电池，其能量密度是锂电池好几倍。 1 3 3 国内研究情况 国内对仿生扑翼飞行的研究起步相对较晚，但国内科学家们始终关注着其发 展动态，近期国内不少高等院校和科研机构也丌始这方面的基础和应用研究工作。 仿生学方面，张志涛等、曹雅忠等、程登发等、吴孔明和郭予元、彩万志等 分别丌展了牛物飞行动力学、生理学、功能形态学等方面的研究。清华大学的曾 理江等”1 1 人重点进行了昆虫运动机理研究和应用以及有关昆虫运动参数的测量和 武立新仿生莽翼飞行机器入的机疆分析及其实验研究 分析，在此基础上建立了昆虫运动模型，研究了昆虫运动机理。 嚣力产生程理方露，l e 寨靛空靛天大学黪孙茂等1 4 2 4 鄙鼹n a v i e r 。s t o k e s 方程数 值解和涡动力学理论研究了模型醌虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆 虫产生高升力的机理，在此基础上探索了微型乜行器的飞行原理，包括气动布局 毅概念、耨控制方式、最大速度、允许重量、嚣爰功率等问题。此夕 ，北裘大学 4 “、 安敲工渡大学 4 7 1 帮覆门大学释朝也对琵虫飞行产生毫升力龚是常辊理进行了探讨。 南京航空航天大学的昂海松等【4 9 】对鸟类飞行机理进行了深入研究，撼出一种 新型的变速一折叠模聚，通过非定常涡格法的计簿分析了仿岛复合振动的扑翼气 动翡瞧。翘镦登羚冀飞行壤器入豹设诗撬豢了定参考菝翡。猞尔滨工穰大学扬 兰生等1 5 0 也对鸟扑翼模型进行分析，并提出一种仿生扑翼空问关节机构。 在鼠虫和鸟类飞行机理研究慕础上，西北工业大学 5 1 目前也正在研制微型扑 翼飞行器，妻噩图l 一1 0 鼹示，飞凝聚霜聚合物键泡遗和微型彀劲掇驱动，碳纾维援 架，柔髓杌翼，总鬟约1 5 9 ，扑翼颓率1 5 2 0 h z ，由于受电洮容量限制，飞行时 间约8 1 8 s 。试验样机已经在低速风洞中进行了风洞试验。南京航空航天大学胡 宇群等【5 埘对微型飞行器中的若干动力学闯题进行了研究，荫豪靛空航天大学胡铃 心等 5 3 1 童磷露l 成功了灏肉第一絮熬在空中悬浮飞葶亍筋棼翼飞行器，热圈1 l 所示。 图l 1 0 两北工业人学的微型扑翼飞行器 图1 - 1 1 南京航空航天大学研制的微扑翼飞行器 上海交逶大学蔡弘等5 4 再秀究了粪震5 0 6 0 m m 豹基予邀磁鞠基于珏瞧驱动熬 扑翼m a v 方案。中科院赵亚博5 5 也就关键力学和智能材料问题进行了研究。但总 体而言，我国在这方丽的研究与圉外相比尚有定差距，尤熊在实践方面疑是如 此，可见中国在彷生羚翼飞行爨方露懿磷究可浮任重两遥远。掇信不久懿熔柬， 我酮在彷生挣翼飞彳亍器方面静研究必能取得重大进展与突破。 9 扬州大学硕士学位论文 1 。4 彷生拎翼飞 亍褫器人关键菠术的悬考 虽然目前国内外对扑翼飞行器空气动力学、飞行力学及其实现机构的研究已 取得了初步的理论和试验成果，但这热研究距离实际能够飞行的扑翼飞行器尚有 一定差薤。为了实嚣矜爨飞毒亍，除了瘟继续麸瑾谂秘实验上进一步深入遗磁突仿 生机理之外，非定常机理的研究、高性能的动力系统和能源问题、高效驱动机构 的设计与制造以及以后的通信与控制系统等应成为扑翼飞行器研制的关键 s 6 , 5 7 1 。 1 4 。1 鞫关空气动力擎润蘧 仿生扑翼飞行机器人的空气动力学问题非常复杂。由于目前研究的都魑尺寸 小、速度低装赡，仿生孙粪飞行机器人要在比较低驰雷诺数下飞行，此时空气糙 滞力校大，这与飞穰完全不同，显然飞杌静空气动力学理论不魏完全适合予仿生 扑翼飞行机器人。 仿生扑嚣飞行研究以模仿鸟和昆胀类扑翅运勃为主，但昆虫和鸟类的翅膀不 像飞掇翼鄢襻吴畜耘毽瓣滚线型， 嚣楚类毫冀簿乎嚣薄落结拣。按照簧统懿空气动 力学理论，它们无法有效她利用空气的升力和阻力，因而就饭难起飞。但是它们 翅膀在拍动过程中伴随餐快速且多样性的运动，这会产生不同于周围大气的周部 不稳定气溅，这种非定鬻空气动力学效应 s s s g 是磷究察理解昆窳、鸟类飞行掇瑗 和空气动力擘特性遗蔼实现仿生飞行的重要基础。秘蓊仿生矜冀飞行枫器入在低 雷诺数下的空气动力学问题还处在试骏阶段，没有飙体的理论和经验可以遵循， 只能参考常规飞行器设计中所采用的一些成熟技术，如气动力计算方法与软件系 统，奁魏鏊懿上发曩瑟瓣理论帮试验菠零。因蘧瘛在充分试谖生物飞行菲定露空 气动力学及翅膀运动模式的基础上，提取精华并简化运用，以实现能有效地产生 升力和推进力的仿生机构，达到实现仿生扑翼飞行的目的。 1 4 2 飞行动力翻麓瓣溺蘧 动力装鼹在仿生扑翼飞行机器人研究中起着关键作用，也怒目前微型仿生扑 鬟毪行极器入发震所霹晒戆制约因素之。动力装鼹要在保证熬个飞雩亍器尺寸小 瀚女提下，糖提供足够豹簸量并转化为瓿器久所鬻驱动力，阻殿维持辊载设备工 作所需电能。研制高功率和高能量密度微型动力装鬣和微型动力源是一个迫切需 鼗立耨镑生羚翼飞行搬器a 的枫理分橱及其实验磷究 要解决的问题。 早期仿生扑翼飞行器的研究经验告诉我们，仪靠人体肌肉的力量来驱动的扑 翼飞雩亍器楚无法实理持续1 s 嚣静嘲。| 龛于微裂莹生扑翼飞毒亍器娶滚努影较枣、痿量 轻、驱动元件效率高、能耗少，这就要求在对仿生扑翼飞行内在关系的分析了解 基磷上，对萁毹滚动力系统的质量、大小瓯及功率等方面的因豢对扑翼飞行驱动 的作用进行深入细致的探讨。 目前动力装置主要采用微型马达、微型内燃发动机、基于m e m s 技术的微静 电致动器、压电致魂器以及交变磁场凝葫黪、蔷静人造嚣琏亵等。这些罄在国杰翳 的研究中被尝试_ 陂用，佩考虑到驱动效率，马达依然是较常用的驱动器，目前的 马达锾瀚常微，j 、，鲡上海交大磊舞籍的誊径为l m m 虢毫磁鼙超徽马达等罄霹。弱矫， 人造肌肉 6 l 2 】具有稳定性好、结构紧凑、响应速度快以及具有更高的动力与质量 诧等特点，也是将来的发展方向。 为驱动提供熊量的能源秽类很多，如电化学邀池、燃料电没、微裂涡轮发逛 机、热光电发电机、太阳能电池等f 6 3 1 。由于仿生扑翼飞行机器人最终目标是自主 飞霉亍，毽鼗无线式供给将是戳簌发震酌重点。考虑甓羚翼一毽行霹痰量裙大小豹要 求，在今后的研制过程中，电池和微型马达鹰是相当长一段时间内的酋选对象。 1 4 3 仿生翼、扑翼机构和材料 没计和制造具有非定常空气动力学特性的高效仿生翼，是仿生扑翼飞行研究 中亟待解决豹蠲慧。飞行所需气动力酃是靠税翼土下稽动来产生三。因魏镑生鬻必 须轻而坚固，能够在高频振动下不会断裂，鼹要能够提供足够的升力和推进力等。 仿生翼静磷究包括翼的结构和形状设计、运动模式的实现、材料的选择以及与制 造有关的工艺问题f 棚】。旋设计过程中，翼形主要还是仿造动穆翅膀形状，翼的重 量要轻，在扑动过程中述要有灵敏的柔性，当然还要通过多种翼形比较，选择最 有效黪形状。进季亍仿生翼赣究黪疆静并不是窿完全模嫠宝耱懿蹩耪来实现灵巧静 运动模式，而是在进一步研究鸟类、融虫翅膀结构和运动特性的基础上，提取其 精髓并进行简纯，蕊而研铺出楚具灵活往和觅优运渤牲懿的翼形。芥翼机构也不 同与般运劝机构，模仿生物的翅膀的简化运动模式，运勘机构藏需嚣实现复合 运动，高频釉摩擦是一个熏要的问题。 此外，材料黪逡撂涉及仿生拎翼飞行懿整个过程，澄计孛蛉重量辍、柔强隧 及微裂化等爰求都与材料有关。另外，为保证整体厦量轻，翼有一定强度且能灵 扬州大举硕士学位论文 活变形，浆朦化合物及碳纤维等也被广泛采用。在研制过程中，必须综合考虑扑 翼飞行熬终梅特桎、运灞移动力蒋毪及辊李鼋铡佟静工艺特洼要臻采选择合逶梭能 的材料。 i 4 4 送攘和控制系统 在仿生1 s 行器的发展过程以及未来的应用过程中，通信和控制系统是必不可 少的重要装备，这其中的翼变化控制和稳定性控制是控制系统研究的关键。 豫鸟类鞠瑟虫一样突瑷对谤生羚嚣飞行斡控铡是不褒实黪，控裁系统续凝握 实际使用癸求进行缀大的筒纯。首先，将矫部条 牛简化，即考虑飞行环境麓壤想 的；其次，可采用多级简单控制方法1 3 】。另外，结合实际研制过程，遥控操作、电 子调速及方向舵楣结合的简单控制系统仍将是曹选。神经网络式控制系统盼发展 荛荡生羚冀飞行器熬控露l 系统疆究提供了缀磐戆蘸袋群l 。 此外，该类飞行器程执行任务时往往要远离搡纵者，这就鼷求飞行器必须具 备灵敏的邋信系统，来寅现对飞行器的控制及传递收集到的有价值信息等。研制 透合懿g p s 接收凝帮蟪麟匪酝系统楚鞍必兹澄戆遴僖方式，这对该类飞行爨豹发 震来说是非常必要的f 6 。】。舀前适用于仿生飞行器的通信系统仍娥予不断发展阶段， 但随着电子、计算机技术的快速发展，恩加先进的通信技术肯定能够得以实现。 l 。5 本文憋谤究王佟 1 5 1 课题来源及研究目的 本漂鬏为江苏省毫姣囊然秘学基衾蕊究璜鏊( 矮霆编号0 2 k j d 4 6 0 0 1 0 ) 。 鉴于仿生扑鬓飞行机器入潜在的疑具吸引力的应用前景，其在短时间内就吸 引了众多国内外研究者的关注，并进行了大量研究，但总的来说都处于起步阶段， 特别是国内对仿生扑翼飞霉亍机器人磺究习。刚剐兴越，与国终还存在一定差鼹。我 圈应瑙弼这个有翻霹辊，加大授入，争取在傍生羚嚣飞行辊器久研究静菜些关键 技术方面取得突破。 仿生扑翼飞行机器人是一门多学科综合科学，涉及到微电子学、流体力学、 傍生学、誊砉$ 季辩学等镶躐。仿玺努翼“毽行凝器久黪硬究大致爵羧分为以下咒令疆 究方向：机器人整体布髑、结构设计优化和加：e 技术、气动特性和飞行原理、动 力源和驱动装胃、自主飞行控制系统以及信息传输技术等。由此可见，仿生扑翼 淀立薪傍生羚囊臂撬器a 豹撬毽分橱及英实验磷究 毽 予税器入瓣磅究领域专分广溺，薅蔷磅究深入，其礤究戆范薅露方海还将不叛 扩大。本课题就其中的部分按术问题开展一些探索性研究工作。 本文崭究鼙豹是透过探讨动物飞行祝瑷，对仿生扑冀飞行枫器入进行系统的 理论分析，分析仿生翼的设计，建立仿生翼的运动学模型并进行动力学分孝斥，研 制仿生扑翼飞行机器人样机，进行气动力测量实验等研究，在此基础上初步掌握 仿生飞行枫器人中部分关键技术程竣诗方法，为凝终磅粼爨实爆是主飞雩亍瓣微型 仿生扑翼飞行机器人做好必要前提工作。 1 5 2 本文的主要研究内容 本文酋先分析了仿生扑翼飞行的研究背景，对昆虫和鸟类的飞行机理进行了 分糖，麓纯飞嚣掇理及运动模囊并应惩，溺薅投爨楚话豹模型掇毒动力学模翟。 理论分析之后，设计扑翼样机，搭建试验平台，进行气动力测凝等实验，从而为 透一涉研究提供了一定静理论和经验依据。融既，确定本文研究的主要内容： 1 对仿生扑翼飞行机器人的可行性进行了分析，介绍研究过程中涉及到的楣关空 气动力学理论及术语；阐述补翼飞行机器人设计中和生物相关的尺度律问题； 主要怼鼹虫懿鸟类的傍生飞行极毽遴嚣分凝。( 繁二章) 2 阚述飞行动物对仿生扑翼系统设计的启发以及仿生翼在设计中所遇到的技术问 熬，对傍生翼逑号亍橇褫设诗。提取动耱运动模式豹精髓并进行衙纯，在魏纂韬 上建立筋化运动模型和简化动力学模型。( 第三颦) 3 邋过上面尺度律问题的分析，确定试验样视的设计参数；分析并设计样机的拍 翼驱动机构，选择合理憋动力装置、能源及相应躯控制系统。嚣造踺样捉并提 出改进措施，为进一步的实验研究做准备工作。( 第四章) 4 鉴予嚣嚣可熙歉东参数魄较少，建立一个试验系统毽裁菲鬻必要。本文首先对 样机进行简易吊飞实验来验证升力效果。接着建立了多维自解耦气动力测爨试 验台，对样税送行实验，将获褥静实验数据和前面简化模型计算褥剿的理论值 逃行比较，为进一步的研究设计及试飞工作提供参考。( 第五章) 1 6 本章小结 本章首先介绍了仿生扑翼飞行的研究背：最，分析了仿生孙翼飞行的特