昆蟲尺度微型仿生飛行器的研究

鄒 陽 張衛平 周 歲 王晨陽 /

(上海交通大學,電子信息與電氣工程學院,上海 200240)

昆蟲尺度微型仿生飛行器的研究

鄒 陽 張衛平 周 歲 王晨陽 /

(上海交通大學,電子信息與電氣工程學院,上海 200240)

微型仿生飛行器的研究涉及仿生學原理、準穩態氣動力和原理樣機的研制等。概述了上海交通大學針對昆蟲尺度的微型仿生飛行器的新穎的設計和加工方法。該方法確保了零部件空間位置的合理安排，從而減少了零部件的裝配難度。具體來說，壓電驅動器的設計考慮了電氣隔離和裝配問題；傳動機構與機身整合成一個部件，避免了相互之間的裝配。翅脈的纖維方向進行了合理的布置，使得翅膀擁有高強度和高剛度。最終，研制的壓電驅動微型仿生飛行器重84mg，翼展35mm，在100Hz的拍打共振頻率下可以產生±60°的拍打角度，能產生足夠的升力實現起飛。

仿生學；微型飛行器；壓電驅動器；共振頻率

0 引言

昆蟲通過拍動翅膀飛行，表現出很強的敏捷性、機動性和穩定性，并且可以產生自身重量幾倍的升力[1-5]。撲翼飛行的氣動力機制在許多方面與固定翼飛行不同[4-5]，其關鍵優勢在于能產生穩定的氣動力，實現懸飛。近幾十年來，許多研究人員一直在從事昆蟲飛行機制的研究，并嘗試研制微型仿生飛行器[6-8]。值得慶幸的是，微型仿生飛行器的研究在過去幾年中取得了前所未有的進展。例如，哈佛大學微型機器人實驗室已經實現了壓電驅動微型仿生飛行器的首次起飛[6]。普渡大學仿生機器人實驗室研發了一款電磁驅動微型仿生飛行器，實現了起飛[7]。

隨著尺寸的縮小，傳統的機械結構和系統會遇到很多挑戰。對于昆蟲尺度的微型仿生飛行器(通常翼展<5cm，重量<1g)，傳統的機械部件效率低下，因為在這個尺度，表面力開始起到比體積力更重要的作用。上海交通大學研制了一臺電磁驅動的昆蟲尺度微型仿生飛行器[8]和一臺壓電驅動的昆蟲尺度微型仿生飛行器[9]，均成功實現了克服重力起飛。本文以壓電驅動的昆蟲尺度微型仿生飛行器為例，概述了上海交通大學昆蟲尺度微型仿生飛行器的設計和加工方法以及相應的測試技術。

1 設計與制造

1.1 整體設計

如圖1所示，昆蟲翅膀由間接肌肉(背部腹側肌肉和背部縱向肌肉)驅動，從而產生上沖程和下沖程。同時，翅膀產生不受肌肉控制的被動扭轉運動，產生升力[10-11]。

之前已經嘗試使用CFD的方法研究了蜂鳥撲翼飛行的周圍流場分布，獲得了一些升阻力的數據[12]。除此之外，還基于葉素法建立了昆蟲撲翼飛行的準穩態氣動力模型[13]，并在懸飛條件下對昆蟲翅膀的形貌學和運動學進行了優化[14]。前期的理論工作為微型仿生飛行器樣機的設計提供了有力的參考。

如圖2所示，上海交通大學研制的微型仿生飛行器由壓電驅動器、傳動機構與機身、一對翅膀和輔助零件組成。每個翅膀分別膠合在傳動機構的兩側，各自擁有兩個自由度，即拍動和扭轉。在翅膀根部設計了柔性鉸鏈，允許翅膀在慣性力和氣動力作用下發生被動扭轉運動，并產生升力。

1.2 壓電驅動器

驅動器的選擇主要考慮其輸出力、位移和響應速度等因素。懸臂梁式雙晶片壓電驅動器具有位移精度高、響應速度快、輸出力矩大、功耗低等優點，是一種良好的驅動方式[6]。之前的工作已經對壓電驅動器的幾何形狀和材料選型進行了優化，最大限度地提高了其功率密度[15]。因此，本文重點介紹的是壓電驅動器的加工工藝。

如圖3所示，壓電驅動器由七層平面材料通過激光加工制作而成。首先，使用紫外激光將七層平面材料(包括 PZT、玻璃纖維和碳纖維)圖案化從而獲得所需的平面形狀。然后，根據預先設計的定位孔和槽，將七層平板按照特定的順序疊合在一起。在高溫高壓的條件下，碳纖維和玻璃纖維中的環氧樹脂固化，并將七層平板粘合在一起。最后，使用紫外激光切割外形結構，釋放出壓電驅動器。

1.3 傳動機構與機身

傳動機構將壓電驅動器的位移放大，轉化為翅膀的往復拍打運動。但是，隨著尺度的縮小，表面力的作用開始強于體積力，傳統的旋轉關節變得低效。因此，如圖4(a)所示，最終選用了基于柔性鉸鏈的四連桿機構作為微型仿生飛行器的傳動機構[16]。機身的主要作用是定位、固定傳動機構和驅動器。另一方面，在保證機身剛度的前提下，應該盡可能減輕其重量。

由于傳動機構的特征尺寸和總體尺寸都相對較小，導致了傳動機構與機身之間的裝配問題。例如，使用手動過程很難將傳動機構與機身裝配在一起。另外，裝配誤差對傳動機構特征尺寸的精度影響很大。在本文中，將傳動機構與機身集成在一個部件中(見圖4(b))，避免了兩者之間的裝配，保證了傳動機構特征尺寸的精度。

傳動機構與機身的制造包括兩個部分：柔性鉸鏈和折疊結構。柔性鉸鏈可用作“軸”，而折疊結構可用于平面形狀到三維形狀的轉化。這兩個部分均由兩層80μm厚的碳纖維和一層7.5μm厚的聚酰亞胺薄膜疊合而成。其中，碳纖維作為剛性結構層，聚酰亞胺作為柔性變形層。柔性鉸鏈和折疊結構的制造過程如圖5所示。值得強調的是，折疊結構一旦被釋放，它們就需要根據預先設計的折痕進行折疊，然后使用瞬干膠鎖住。

對于傳動機構與機身的一體化部件，通過使用圖5中的加工過程很容易獲得其平面結構。經過折疊和鎖定之后，可以獲得其三維結構，如圖6所示。

1.4 翅膀

人工翅膀的設計仿照真實昆蟲Eristalis tenax的翅膀形狀和大小。翅膜使用1.5μm厚的聚酯膜(Ultra-polyester)，翅脈使用60μm厚的碳纖維預浸料。最終，獲得的單個翅膀重量為0.5mg，翅膀長度為13mm。人工翅膀和Eristalis tenax翅膀的形貌學參數對比如表1所示。

表1 人工翅膀和Eristalis tenax翅膀的形貌學參數

其中，R是翅膀長度，rk(S)是翅膀的無量綱k階面積矩回轉半徑，Eristalis翅膀的相關數據來源于Ellington C P[17]。

碳纖維材料是單向的，沿著纖維方向的模量遠高于垂直于纖維方向的模量。如圖7(a)所示，翅膀的前緣和翅脈之間存在一個很大的角度(約45°)。如果將前緣和翅脈同時從單個碳纖維片材上加工獲得，則不可能保證它們都沿著纖維方向。如果前緣和翅脈分開制造并使用手動裝配，則難以保證翅膀的重復性和一致性。在本文中，如圖7(b)所示，前緣和翅脈在不同的碳纖維片材中加工獲得，同時保證了它們都沿著碳纖維的纖維方向。然后，根據預先設計的定位孔，將兩層碳纖維片材疊合在一起，并將1.5μm厚的聚酯膜夾在兩層之間。最后，通過紫外激光器切割外形釋放出最終的翅膀。

翅膀根部的制造工藝與傳動機構類似，采用60μm厚的碳纖維和7.5μm厚的聚酰亞胺制造而成，如圖7(c)所示。

1.5 輔助零件

輔助零件包括加強筋和鉤子。它們由兩層80μm厚的碳纖維制成，兩層碳纖維的纖維方向正交。如圖8所示，使用紫外激光器可以很容易地制造出加強筋和鉤子。

1.6 整機裝配

所有部件按照一定的順序通過手工方式裝配起來，形成了最終的壓電驅動微型仿生飛行器，如圖9所示。表2列出了所有部件和整機的重量。

部件重量/mg壓電驅動器55傳動機構與機身12翅膀(一對)1翅膀根部1加強筋和鉤子9導線、膠等6整機84

2 測試實驗

2.1 壓電驅動器的測試

如圖10所示，對壓電驅動器進行了頻率-幅值測試。使用雙通道信號發生器(NI PXIe-6124)配合壓電陶瓷驅動電源對壓電驅動器進行驅動；使用激光位移傳感器(來自KEYENCE，型號LK-G30，感測范圍10mm，再現性0.05μm，帶寬50kHz)測量壓電驅動器的尖端位移。

為了確定壓電驅動器的諧振頻率，我們將驅動信號的峰值設置為固定值250V，并將信號發生器工作在掃頻模式下?？蛰d條件下，測得壓電驅動器的諧振頻率約為700Hz，此時尖端振幅約為±1.5mm；負載條件下(帶動翅膀)，測得壓電驅動器的諧振頻率約為100Hz，此時尖端振幅約為±380μm，對應的翅膀拍打幅度約±60°。

2.2 微型仿生飛行器起飛測試

為了避開俯仰、翻滾和偏航力矩對飛行器的影響，我們將飛行器放置在豎直導軌上，使得其只能在豎直方向移動。豎直導軌由自鎖裝置拉緊。在外部電源(頻率為100Hz，峰峰值為250V)的激勵下，壓電驅動微型仿生飛行器沿著豎直導軌起飛，如圖11所示。

3 結論

本文系統地概述了上海交通大學昆蟲尺度微型仿生飛行器的設計、制造和測試方法。

1) 通過使用該方法，壓電驅動器展現出了很高的性能指標。

2) 成功地避免了傳動機構與機身的裝配。

3) 研制了一種重量小于100mg的壓電驅動微型仿生飛行器，并成功實現了起飛。

[1] Wang Z J. Dissecting insect flight[J]. Annu. Rev. Fluid Mech., 2005, 37: 183-210.

[2] Ellington C P. The aerodynamics of hovering insect flight, IV. Aerodynamic mechanisms[J]. Philosoph. Trans. Roy. Soc. London. Ser. B, Biol. Sci., 1984, 305: 79-113.

[3] Sane S P. The aerodynamics of insect flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2003, 206(23): 191-208.

[4] Dickinson M H, Lehmann F O, Sane S P. Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight[J]. Science, 1999, 284(5422):1954-1960.

[5] Sane S P, Dickinson M H. The aerodynamic effects of wing rotation and a revised quasi-steady model of flapping flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2002, 205(8):1087-1096.

[6] Wood R J. The first takeoff of a biologically inspired at-scale robotic insect[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(2): 341-347.

[7] Roll J A, Cheng B, Deng X. An Electromagnetic Actuator for High-Frequency Flapping-Wing Microair Vehicles[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2017, 31(2):400-414.

[8] Zou Y, Zhang W, Zhang Z. Liftoff of an Electromagnetically Driven Insect-Inspired Flapping-Wing Robot[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2016, 32(5): 1285-1289.

[9] Zou Y, Zhang W, Ke X, et al. The design and microfabrication of a sub 100 mg insect-scale flapping-wing robot[J]. IET Micro & Nano Letters, 2017, 12(5): 297-300.

[10] Ennos A R. The inertial cause of wing rotation in Diptera[J]. J.exp.biol, 1988, 53(1):161-169.

[11] Whitney J P, Wood R J. Aeromechanics of passive rotation in flapping flight[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2010, 660(660):197-220.

[12] Yang S, Zhang W. Numerical analysis of the three-dimensional aerodynamics of a hovering rufous hummingbird (Selasphorus rufus)[J]. Acta Mechanica Sinica, 2015, 31(6): 931-943.

[13] Ke X, Zhang W, Cai X, et al. Wing geometry and kinematic parameters optimization of flapping wing hovering flight for minimum energy[J]. Aerospace Science and Technology, 2017, 64： 192-203.

[14] Ke X and Zhang W. Wing Geometry and Kinematic Parameters Optimization of Flapping Wing Hovering Flight[J]. Applied Sciences, 2016, 6(12)： 390.

[15] 柴雙雙, 張衛平, 柯?？?，等. 仿昆撲翼微飛行器中壓電驅動器的性能參數分析[J]. 上海交通大學學報, 2015, 49(5):663-668.

[16] 鄒才均, 張衛平, 柯?？。? 仿昆撲翼微飛行器中高效傳動鉸鏈的研究[J]. 上海交通大學學報, 2014,48(3):439-444.

[17] Ellington C P. The aerodynamics of hovering insect flight, II. Morphological parameters[J]. Philosoph. Trans. Roy. Soc. London. Ser. B, Biol. Sci., 1984, 305: 17-40.

Research on Insect-scale Flapping-wing Micro Aerial Vehicles

ZOU Yang ZHANG Weiping ZHOU Sui WANG Chenyang

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The research of flapping-wing micro aerial vehicles (FMAVs) involves the study of bionics principles, quasi-steady-state aerodynamics and prototypes development. This paper gives an overview of a novel method for designing and fabricating insect-scale FMAVs from Shanghai Jiao Tong University. Each component is properly designed and reasonably arranged to reduce the assembly difficulties of such insect-scale FMAV. Specifically, the design of the piezoelectric actuator has taken into account the electrical isolation and assembly issues. The transmission and the airframe are integrated into one component to avoid assembly difficulties. Fiber directions of the wing veins are reasonably arranged to possess high strength and high stiffness. As a result, this FMAV, which weighs 84mg with a wingspan of 35mm, can generate sufficient thrust to take off with a flapping amplitude approximately ±60° under the resonant wingbeat frequency of 100Hz.

bionics; micro aerial vehicals; piezoelectric actuators; resonant frequency

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.019

鄒陽男，博士生。主要研究方向：微型仿生飛行器。Tel: 13122183290,E-mail: zystccc@sjtu.edu.cn

預研項目(LZY2016215, 301020803, 1620010701)；教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-10-0583)；教育部支撐項目(6141A02022607)；上海專業技術服務平臺項目(16DZ2290103)

V211.8

：A

張衛平男，博士，教授，博士生導師。主要研究方向：微型仿生飛行器、MEMS和微慣性技術。Tel: 021-34208598,E-mail: zwp37@163.com