撲翼飛行器傳動機構的研究及對比分析

胡 超，謝中敏，沈朝萍，尚金秋

（江蘇航空職業技術學院，江蘇 鎮江212134）

0 引言

學習自然界生物的特點并借鑒和利用其優越性一直是生物學家的追求，撲翼飛行器就是其中的產物，其源于對自然界中鳥類和昆蟲的模仿。“人工昆蟲”概念最早由東京大學的學者提出，其將蚊子作為樣本，研究分析懸停和飛行過程中的升力機理，目前已經研制出了采用不同驅動器的微型仿生撲翼飛行器樣機。1992年美國國防預研計劃局在一個關于未來軍事技術的研討會上提出了微型飛行器的概念，1997年，美國國防預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撲動，從而產生平衡重力升力和前進的推力。與微型固定翼和旋翼飛行器相比有其獨特的優勢，利用翼面拍動的撲翼系統可以將升力、懸停和推力等功能集中在撲翼系統上。

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

1 撲翼飛行器傳動機構的研究現狀

翅膀拍動方式的差異性是決定鳥類和昆蟲飛行特點的關鍵，這其中還包括尾翼的搖擺。研究發現，鳥和昆蟲是依靠控制胸腔的彈性運動，通過力作用于翅膀關節上來實現翼面的拍動，與飛行相關的結構都集中在翅膀和胸部[2]。從仿生機器人的角度，從整體到局部分析昆蟲和鳥類的胸腔翅膀，整個胸部和翅膀結構類似于由能源系統、驅動機構和仿生翅膀組成，而在整個系統中，驅動機構和仿生翅是實現飛行運動的核心部分。對于尺寸稍大的仿生撲翼飛行器，可以模仿鳥類身體內部驅動結構，由驅動器提供較大的轉動力矩，然后經由傳動機構將驅動力矩傳遞給翅膀。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，只能通過驅動器、運動系統和翅膀共振的方法來節省能量。目前，國內外常見的基于仿生學原理設計的翅翼機構大致可歸納為如下種類型。

1.1 單自由度連桿機構

國內外對仿生撲翼飛行器樣機的研制各式各樣，這些樣機中以采用平面撲翼機構為主，其中大部分都是連桿機構[3]。一般的樣機中都是電動機作為驅動源，以四桿機構為基本構型，曲柄作為驅動源，與曲柄相連的連桿帶動搖桿運動，從而實現翅膀翼面的上下循環拍動。目前科研試制的仿生撲翼飛行器樣機，特別是對大尺寸樣機來說，這種單自由度連桿機構是比較優先的選擇，主要是因為連桿機構的撲翼驅動機構結構簡單、制造成本低和維修拆裝方便。單自由度撲翼驅動機構的實現方式多種多樣，各機構動力系統均采用微型電動機，主要有單曲柄雙搖桿和雙曲柄雙搖桿機構兩種類型。

（1）單曲柄雙搖桿機構

曲柄通過連桿帶動兩邊的搖桿上下撲動實現飛行，機構的簡化圖如圖1（a）所示，優點是效率高、重量輕、容易小型化，缺點是兩側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和最低點對稱。實踐經驗表明，對于非精確控制的撲翼飛行器，此偏差角的影響很小，可以通過尺寸優化重新設計四桿機構的桿長，使兩側翼面的偏差角盡可能小。加州理工學院、航空環境公司等機構聯合研制的Microbat是世界上第一個手掌大小的電驅動撲翼機，其重量僅10 g，通過齒輪機構、雙連桿機構驅動機翼作上下拍動，如圖1（b）所示[4]。臺灣中華大學的撲翼飛行器傳動機構也采用單曲柄雙搖桿機構實現翅膀的拍動。

圖1 撲翼飛行器單曲柄雙搖桿機構簡化及應用

（2）雙曲柄雙搖桿機構

小齒輪驅動兩邊的齒輪同時運動，兩側的齒輪均相當于一個曲柄，再驅動兩側連桿，連桿機構帶動搖桿實現翼面的撲翼運動。優點是有效地克服了單曲柄雙搖桿機構的運動不對稱性問題，但是對于微小型撲翼飛行器上很難實現應用，尺寸小型化比較困難。萊特州立大學研制的撲翼飛行器，翼展為20 cm，采用雙曲柄雙搖桿機構實現飛行，如圖2（b）所示[5]。

圖2 撲翼飛行器雙曲柄雙搖桿機構簡化及應用

1.2 壓電材料翅翼機構

壓電雙晶片應用在微小型撲翼飛行器上作為驅動機構優勢明顯，該機構具有無摩擦、無間隙的特點，能較好地模仿生物關節，實現仿生翅膀所需的高頻拍動，但該撲翼機構的動態性能還沒有達到理想效果，需進一步深入研究。與此類似的翅翼機構還有靜電驅動微撲翼機構、往復式化學肌肉驅動機構等，這類壓電材料翅翼機構應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，所以在具體將這種機構應用時，還需要設置放大機構，從而將驅動器的小位移轉換成翼面的拍動，這個過程會使機構變得復雜。

2003年美國加州大學伯克利分校微型飛行機器昆蟲（MFI），如圖 3（a）所示[6]，該飛行器是一種能夠獨立自主飛行的微型拍翅式飛行機器昆蟲，利用壓電陶瓷驅動兩個柔性四桿機構實現翅膀兩個自由度的運動：拍動和轉動，機構簡圖如圖3（b）所示。

圖3 撲翼飛行器壓電材料翅翼機構簡化及應用

美國佐治亞理工學院研制的Entomopter撲翼式微型飛行器，前后有兩對采用特殊結構和材料制成的機翼，機翼由往復式化學肌肉RCM驅動。SRI國際公司和多倫多大學合作研究的Mentor，其重量為50 g，機翼由電致伸縮的聚合物EPAM驅動，EPAM可以快速改變電壓值來實現收縮和伸長[7]。日本東京大學利用交變的磁場來驅動翅膀的拍動，翅膀的制作材料為聚酰亞胺/鎳，當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的COX等人利用壓電材料，韓國建國大學Park等人也利用LIPCA和IPMC在撲翼微飛行器的研制上進行了有益的嘗試和研究。

1.3 柔順翅翼機構

目前研制的撲翼飛行器傳動機構主要都是剛性的，也就是機構運轉過程中不存在變形，或者變形可以忽略不計，但實際上，生物胸腔內部結構并不是剛性的，時刻存在擠壓變形，自此柔順機構進入研究人員的視野。研究表明，實現相同的飛行目標，柔順機構需要的能量更少，但該機構的拍打幅度較小，同壓電翅翼機構類似，這種機構需要多級的運動放大機構實現大幅度拍動，另外在維修方面也存在一定的缺陷，不能像傳統的機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，部分柔順機構即被提出，也就是在剛性曲柄搖桿翅翼機構中，將搖桿兩個剛性鉸鏈替換成柔性鉸鏈，實驗表明，在機構運轉過程中，柔性鉸鏈的最大輸入力矩值比傳統鉸鏈的剛性機構要小。在機構中引入彈性元件，比如彈簧，已經慢慢成為飛翼飛行器減少能量消耗和驅動力矩波動的主要方法和手段，如圖4所示[9]。

圖4 彈性元件在撲翼機構中的應用簡化

2 傳動機構的對比分析及展望

從目前來講，研制出來的撲翼飛行器無論從續航時間，還是機動性方面都做不到真實鳥類那樣。單從撲翼飛行器的傳動機構來看，撲翼飛行器只能用簡單的傳動機構來仿生，而實際上，昆蟲和鳥的胸腔內部彈性關節、伸縮肌肉等組成的系統可以實現雙邊翅膀高速拍動。所以節能、簡單的傳動機構是設計性能良好撲翼飛行器的目標，但是傳統的單自由度連桿機構無法做到能量的充分傳遞。微小型昆蟲胸部內部結構巧妙，往往是一個共振系統，這樣能減少撲翼拍動加速和減速時翅翼運動所需的能量。所以嘗試在撲翼傳動機構中加入彈簧和柔性機構進行設計，是目前撲翼飛行器傳動機構研究的突破點。

研究表明，當飛行器翼展尺寸小于150 mm時，撲翼飛行器相對于固定翼、旋翼飛行器更占優勢。但是在此尺度范圍內撲翼飛行器，如果簡單采用傳統的機械式驅動機構，只能實現簡單的拍動飛行，很難做到微型化，其機體載重、空間尺寸以多機構的復雜程度都受到諸多方面的限制。因此，要研制真正意義上“機器蒼蠅”或“機器蜜蜂”，必須更深入底研究和應用微機電系統技術及其相應的基于微機電系統技術的驅動機構。

3 結論

模仿鳥類和昆蟲，根據其飛行機理設計和制造與其運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過千百萬年的進化得到，其結構特征極具合理性，飛行的高升力機理及其飛行的靈巧性都與它們翅膀復雜的運動模式有關，從目前技術角度來講，簡單用機械機構來模仿生物運動不可能實現，只能繼續深入分析昆蟲結構和運動特性的本質，才能設計尺寸更小、效率更高、機動性更好的撲翼飛行器。