机器人作业参考-扑翼飞行机器人设计与分析

//文通大学

机器人机构分析与综合

——扑翼飞行机器人的设计与分析

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扑翼飞行机器人的设计与分析

摘要

仿生扑翼飞行机器人是一种具有新颖移动方式的、集多种前沿技术于一体的

新概念仿生飞行器，目前己成为国际上的研究热点之一，无论在军事还是民用领

域都有着广阔的应用前景。本文在总结了国内外最新研究成果基础上，围绕仿生

扑翼飞行机理、仿生翼运动模型以及扑翼驱动系统展开了研究与探索。

首先介绍了仿生扑翼飞行的研究背景，分析了仿生扑翼飞行的特点及其可观

的应用前景；阐述了仿生扑翼飞行机器人的研究现状，探讨了目前和将来研究中

所遇到的一些关键技术。

基于空气动力学理论，对仿生扑翼飞行机器人的可行性进行了分析；探讨了

动物飞行方式及其尺度律对仿生扑翼飞行机器人设计的启发，指出采用扑翼布局

是解决在低雷诺数下飞行难点的一种可行方案；重点研究了动物扑翼飞行机理，

为研制仿生扑翼飞行机器人设计提供了理论依据。

根据动物扑翼系统特点，探讨了仿生翼设计的i些重要因素;重点提出了扑

式和洗式运动模型的概念，并分析比较了两者的特点，详细探讨了扑式运动模型

的实现。

根据动物飞行尺度律，确定了样机设计参数；就基于连杆机构的扑翼驱动机

构设计方案进行了分析比较，探讨了扑翼驱动机构的实现途径和方法，并针对基

于四杆机构的扑翼驱动机构进行了优化设计；根据样机功率需求，选择了适合扑

翼样机的动力装置、能源，设计了减速机构和控制系统。

对飞行方向控制、扑翼姿态以及柔性翅的模仿提出了自己独特新颖的观点，

并把这些观点应用在扑翼式飞行机器人的设计之中。

根据设计参数建立三维模型，并对模型进行了运动仿真和受力分析，得到了

较好的仿真和分析结果。

本文所有工作都取得了预期效果，相信随着研究工作的深入及相关技术的完

善，仿生扑翼飞行机器人的研究必将取得突破性的进展。

关键词：仿生，扑翼飞行机器人，动物飞行机理，尺度律，扑翼驱动机构，优化设计，三维

建模，运动仿真，应力分析

TheDesignandAnalysisofBionic

Flapping-wingAerialRobot

Abstract

BionicFlapping-wingAerialRobot(BFAR)isaaerialvehiclewithnewconcept,

whichhasnovellocomotionmethodandinvolvesandinvolvesadvancedtechnologies.

BFARbecomesahotspotofresearchrecently,andhasextensiveapplicationin

militaryandcivilian.OnthebasisofsummarizingalIkindsoflatestresearch

achievementsonthisfield,theflapping-wingflightmechanism>themovementmodel

ofbionicwingsandtheflapping-wingdrivesystemarestudiedinthispaper.

Firstly,theresearchbackgroundofBFARisintroduced;thecharacteristicsand

theapplicationprospectsareanalyzed.Itisalsoconcludedthatflapping-wingflight

hashigherefficiencyandbiggerminiaturedegree,andtheBFARisthetendencyof

flightrobot.Thisthesisreviewsthedevelopmentandcurrentresearchsituationof

BFAR,alsodiscusseskeytechnologiesofBFAR.

Basedontheaerodynamicstheory,thefeasibilityofBFARisanalyzed.The

designinspirationofBFAR,whichcomesfromtheflightmodeandscalingrule,is

probedinto.Itisproposedthatflapping-wingflightisadoableschemetosolvethe

difficultyofflightunderlowRenaud.Theflapping-wingflightmechanismofanimal

isinvestigatedinparticular,andtheresultsprovideatheoryfoundationfordeveloping

BFAR.

AccordingtothecharacteristicsofanimaFsflapping-wingsystem,some

importantfactorsofthebionicwing,designflapping-wingandwashing-wingare

discussed.Anewconceptofthelocomotionisbroughtforward,andtheir

characteristicsanalyzedrespectively.Theapproachtorealizetheflapping-wingmode

isstudiedindetails.

Onthefoundationofanimalflightscalingrule,thedesignparametersofthe

prototypeareworkedout.Thedesignofflapping-wingactuators,basedonlinkage

mechanism,isanalyzed,themethodsandwaysofrealizingtheactuatorsarealso

discussed,thedesignofactuatorsbasedonthefour-linkagemechanismisoptimized.

Inconformitytothedemandpower,themotiveequipmentandenergysystemare

selected;thegear-downtransmissionsystemandcontrolsystemareframed.

Ihaveputforwardmyownuniqueandinnovativeideasondirectioncontrol,

flappinggesturesandflexiblewings,atlast,Iusetheseviewsinthedesignofflying

robots.

Accordingtothedesignedparameters,Ihavebuiltathree-dimensionalmodel,

mademotionsimulationandstressanalysisofthemodel.Atlast,Igotagood

simulationandanalysisresult.

Alltheworkofthisthesisshowsagoodachievement.Withthedevelopmentof

researchwork,wethinkfirmlythattheresearchofBFARwillmakeabreakthroughin

thefuture.

Keywords:Bionics,Flapping-wingaerialrobots,Flightmechanismofanimals,Scalingrule,

Flapping-wingactuators,Optimizeddesign,3Dmodeling,motionsimulation,stressanalysis

目录

1绪论............................................................1

1.1引言.........................................................1

1.2扑翼飞行特点及其应用前景....................................1

2扑翼飞行机器人的研究现状........................................3

2.1早期研究情况................................................3

2.2国外研究现状................................................3

2.3国内研究现状................................................8

3扑翼机器人研制的关键技术.......................................10

3.1空气动力学问题..............................................10

3.2飞行动力和能源问题.........................................10

3.3仿生翼、扑翼机构和材料.....................................11

3.4通信和控制系统.............................................11

4两类扑翼式飞行方式的比较.......................................13

4.1鸟类的飞行机理..............................................13

4.2昆虫的飞行机理..............................................15

4.2.1昆虫飞行的非定常特性......................................15

4.2.2昆虫翅膀的形状和结构....................................16

4.2.3昆虫飞行的非定常高升力机理..............................17

5扑翼飞行机器人的设计及分析.....................................20

5.1扑翼运动机构的选择.........................................20

5.2动力装置与能源的选择.......................................24

5.2.1动力装置................................................24

5.2.2能源的选择..............................................25

5.3齿轮减速机构的设计.........................................25

5.4扑翼四杆机构的优化设计及运动分析...........................26

5.5仿生翼、机身、尾翼和控制系统...............................30

6扑翼飞行机器人的建模...........................................32

6.1机架.......................................................32

6.2动力源.....................................................33

6.3运动机构...................................................34

6.4飞行方向控制系统...........................................35

6.5扑翼.......................................................37

6.6控制系统...................................................38

6.7扑翼机器人整体结构..........................................39

7机构运动仿真分析...............................................40

8扑翼受力分析..................................................46

结论...........................................................53

参考文献.........................................................55

1绪论

1.1引言

目前国内外对飞行机器人的研究多集中于固定翼和旋翼类型，这两种类型的

飞行机器人各有特长，但活动场所和工作环境等都受到一定的限制。随着军事、

民用的发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

的飞行方式是不够的。因此，为了适应任务的复杂性和环境的多样性，对具有更

好机动灵活性的飞行方式的研究是势在必行，即要在飞行方式上进行创新。与固

定翼和旋翼类型的飞行机器人相比，扑翼飞行方式由于其具有更大的机动灵活

性、更好的避障能力以及低廉的飞行费用，因而受到国内外众多研究者的广泛关

注。许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学、日本东京大学等都已

经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基

础研究工作。

仿生扑翼飞行机器人目前还处在一个刚刚开始和兴起的阶段，虽然取得了一

些阶段性研究成果，但距离实用阶段还有很远，仍有很多理论和实践工作需要进

行深入研究。我国应利用这个有利时机，加大投入，争取在仿生扑翼飞行机器人

研究的某些关键技术方面取得突破。

1.2扑翼飞行特点及其应用前景

仿生扑翼飞行机器人或仿生扑翼飞行器，既属于飞行器范畴，又属于新概念

的仿生飞行机器人研究范畴，是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计

制造的新型E行机器人:随着对动物飞行机理的认识和微电子机械技术(MEMS)、

空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行机器人在目前己成为一个新

的研究热点。

仿生扑翼飞行机器人若研制成功，它便有一些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，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离

飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的飞行

生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和

空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm口寸，扑翼飞行比固定翼和旋翼

飞行更具有优势，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。

仿生扑翼飞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,

因此在民用和国防领域有十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他E行器所无

法执行的任务。它可以进行生化探测与环境监测，进入生化禁区执行任务;可以

对森林、草原和农田上的火灾、虫灾及空气污染等进行实时监测;可以进入人员

不易进入地区，如地势险要战地，失火或出事故建筑物中等;特别是在军事上，

仿生扑翼飞行器可用于战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰以及进行城市作战等。

2

2扑翼飞行机器人的研究现状

2.1早期研究情况

众所周知，早在中国西汉时代就曾有人来模仿鸟的飞行，世界上第一架按技

术规程设计的扑翼机图纸出自著名画家达・芬奇之手，它是根据鸟类飞行机理进

行设计的，至今仍完好地保存在博物馆内。但过了300多年后，科学家们才重新

开始考虑扑翼机，并把它作为一种飞行器来研究。在19世纪中期，由考夫曼、

英国人哈尔格莱夫和德国人李林塔尔对扑翼机的理论所作的研究及实践成为扑

翼飞行器发展史上重要的里程碑。

20世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在这一领域内取得了重大突破，但鉴

于知识背景，当时的扑翼飞行器也不能算理想的飞行器。一系列的失败迫使科学

家们重新进行计算设计，通过试飞实践和所积累的理论资料，科学家们看到了许

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

一点是科学家们认识到之前那些仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器

是无法实现持续飞行的。由此至20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。但是仍由人发出功率，故不能独立起飞，只有获得

必要的高度才能滑翔飞行，在无上升气流情况下，要靠驾驶员人力扑动机翼，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

1986年，美国人波拉.麦克里辿在动力扑翼飞行器上取得过一定成绩，但须要加

装大传动比的减速器才能使发动机满足扑翼工作要求，相比之下，蒸汽发动机、

电动机等更适合扑翼飞行器使用。

2.2国外研究现状

初期的扑翼飞行机器人的发展融入了许多科学家的艰苦努力，但整体上都显

得较为庞大且也相当笨重:，离实用还相当甚远，和目前发展的扑翼飞行机器人

相比，也显得很笨拙，却为后期的研究工作提供了一定的理论基础和实践经验。

国外对仿生扑翼飞行机器人的研究始于90年代初，目前研究工作主要包括

仿生飞行机理、微型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

方面。随着MEMS技术、空气动力学和新型材料等的发展，如今的扑翼飞行机

器人也越来越灵巧且逐渐小型化，离实用也越来越近，它的发展也成为飞行器研

究领域最为热门的前沿学科。其主要的进展有以下几方面：

（一）“大扑翼”

20世纪末，扑翼飞行器的发展也取得了可喜的成功。在1996年，加拿大人

詹姆斯.德拉瑞尔研制了“大扑翼”，由24马力的两冲程超轻型发动机通过一个

3

机械驱动装置直接与机翼相连，一个链齿条装置驱动位于飞行员身后的两个构架

上下运动，使机翼中段被反复抬出。在发动机转到3800转/分的最大速度时，机

翼能扑动L3次每秒。德拉瑞尔也认识到设计上最大的挑战是机翼，必须承认这

是历史上技术最复杂的机翼。通过研究鸟类飞行的慢动作照片，结果发现在这一

瞬间发生了太多不同的运动，要模仿这些运动实在不易。在设计时，德拉瑞尔提

出，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

验证了一种剪切一弯曲设计和三轴控制方法原理的可行性，在“大扑翼”上，飞

行员通过操纵水平定面来控制俯仰，向控制应该是扑翼的第三个功能，“大扑翼”

的机翼还不行，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祸合的方法。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40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”

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…“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

上一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20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。■

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。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。Wooton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。

1973年weis-Fohg在对黄蜂的飞行运动研究的基础上，提出了一种产生升力

4

的“振翅拍击和挥摆急动(ClapandFling)”机构，并论述了这种机构产生瞬时升

力的机理。

1994年smith用有限元法和气动翼段法建立了飞蛾翅膀的弹性动力学与空气

动力学耦合模型，研究了在气动力和惯性力作用下翼的各阶弯曲和扭转振型，并

与刚性翼模型进行了对比。

1996年英国剑桥大学的Ellington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下扇时产生一种强烈

的前缘旋涡，此前缘涡在上拍和下拍过程中均不脱落，他们经过分析认为前缘涡

不脱落是昆虫翅膀产生高升力机制之一，提出由于翅膀下拍产生前缘涡从而产生

较大升力的"动态失速"(dynamicsstall)机制。LiuH等用数值求解Navier-Stokes

方程，证实昆虫翅膀在上拍和下拍过程中都存在附着前缘涡。

1997年Hall等提出一种使扑翼大幅值拍打产生升力和推力的最小环流分布

的计算方法;Jones等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。

1999年美国加州大学伯克利分校以Dickinson为首的研究小组［20］在一个装

满矿物油的油罐中对机械翅进行试验，模拟昆虫在低雷诺数下的飞行情况，得出

了昆虫依靠延迟失速(delayedstall)＞旋转循环(rotationalcirculation)与尾流捕获

(wakecapture)的共同作用来产生高升力的结论。

另外，WeiShyy、Stacey等口从生物学角度出发，主要研究了低雷诺数下的

扑翼运动和柔性翼型对飞行的影响，认为柔性翅能增大升力。SrygleyRB等提

出昆虫在飞行过程中根据飞行力需要，交替采用几种非定常高升力机理。Jones

研制出一个具有上下两对均可产生拍打和俯仰运动的扑翼机构，并进行了风洞试

验。

仿生学原理研究的最终目的是研制成功仿生飞行机器人。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，但对复杂运动研究较少，尚未形成一套完整和适用理论来指导仿生研究。另

外可以发现，国际上关于大尺寸扑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。

微型扑翼飞行器的兴起与美国国防高级研究计划局(DARPA)的重视是分不

开的。早在1982年，美国加州大学伯克利分校就开始进行微型扑翼飞行的运动

机理和空气动力学的实验研究，并在十几年研究的基础上于1998年开始实行微

型扑翼飞行昆虫(MicromechanicalFlyingInsect,MFI)的研究计划，目的是模拟苍

蝇的独特飞行性能，设计出一种能够独立自主操纵的微飞行机器，如图1所示。

该项目共分为四个阶段:可行性分析、结构加工制作、空气动力学和机翼控制研

究以及飞控和集成综合系统研究。研究人员己对其空气动力学特性作了详细分

析，设计研制了一种仿昆胸腔结构(一种由压电执行器驱动的差动机构)，其能源

由尾部的太阳能电池供给，现已取得初步成功。接下来的工作是研制机翼的闭环

5

控制器，通过控制机翼产生的力的大小和改变机翼扇动模式，以使其能实现稳定

飞行。

图1MFI及其独特的驱动机构

美国佐治亚理工学院(GTRI)的“Entomopter是工程师Michelson和他的助手

研制的“仿昆虫微型扑翼飞行器”，如图2所示，这种微型飞行器有着与蝴蝶翅

膀相似的机翼，机翼采用特殊结构和材料制成，可在一种往复式化学肌肉

(ReciprocatingChemicalMuscle,RCM)驱动下上下扑动，机翼上下扑动能根据昆

虫飞行原理提供升力，并使飞行器具有盘旋能力，尾部的天线能够增加平衡作用。

该扑翼飞行器的研究者期望它能在未来的火星探测中发挥其重要作用。

图2Entomopter及其火星探测概念机

日本东京大学IsaoShimoyama和他的研究小组最早从事微型仿生飞行机器

人的研究，他们的研究重点是各种驱动器、能源以及基于MEMS技术研制仿生

翅和柔性钱链机构，取得很多研究成果。图3所示为电磁场驱动的仿昆E行机器

人。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、板

C与板A上分别涂有相反磁性的磁层，翅膀上的灰色弹性薄膜是控制翅下拍时

打开，上拍时闭合。在电磁场的作用下，板B和板C朝着与板A运动方向相反

的方法运动，使得翅膀上下拍动。另外，日本东北大学KShimasaki和他的研究

小组也开展了电磁驱动微型仿生飞行机器人研究，如图4所示，在电磁力驱动下,

6

下拍时磁性翅膀向下压聚酷亚胺翅膀，两个翅膀一起向下拍动，上拍时聚酿亚胺

翅膀在聚乙烯较链处向下弯曲，从而上下拍动产生升力差。他们的研究重点是柔

性较链和共振系统。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

动微型仿生飞行机器人、螺线管驱动的仿昆拍动大模型、静电驱动的仿昆拍动小

模型等，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。

图3东京大学研制的仿昆虫飞行机器人图4东北大学研制的微型飞行机器人

加州大学和AeroVironment公司及加州洛杉矶大学共同研制了微型扑翼飞行

器，名为“Microbat',如图5所示。该微型飞行器的研究人员通过大量实验研

究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特性，并制作了一种轻型传动机构将微电

机的转动转变为机翼的煽动。实验中，该飞行器的机翼能以20Hz的频率煽动，

采用Nicd-50电池作为动力源，并在非控制条件下进行了18秒、46米远的飞行

实验。这也是迄今为止文献公开报道的、有技术细节的、可以持续飞行的微型仿

生扑翼飞行器。

美国加州大学还计划在2004年研制出翼展5〜10mm,重46mg,180Hz压电

石英驱动的四翼“机器苍蝇”，又称“黑寡妇(BlackWidow)”，如图6所示。美

国斯坦福研究中心(SRI)和多伦多大学在DARPA的资助下，设计了多种扑翼微型

飞行器模型，图7所示为他们共同研究的一种扑翼微型飞行器“Mentor”，它有4

片由“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30厘

米，重不到住5千克，并在2002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，DARPA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。

7

图5加州大学和AeroVironment公司及加州洛杉矶大学共同研制的Microbat

图6机器苍蝇构想图图7DARPA资助下的“Mentor”

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

多是微动力源。麻省理工正在研制微型涡轮喷气发动机/发电机组，可产生13g

推力，自身重仅Igo发动机用硅制成，转速106r/min以上。美国M-DOT公司

己于近期研制可一种微型涡轮喷气发动机，机长约7.6cm,重量85g,可以产生

6.272N推力。IGR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。

2.3国内研究现状

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开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

分别开展了生物飞行动力学、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

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。

升力产生机理方面，北京航空航天大学的孙茂等用Navier-Stokes方程数值

解和涡动力学理论研究了模型昆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飞行器的飞行原理，包括气动布局新

概念、新控制方式、最大速度、允许重量、需要功率等问题。止匕外，北京大学、

安徽工业大学和厦门大学也对昆虫飞行产生高升力非定常机理进行了探讨。

8

南京航空航天大学的昂海松等对鸟类飞行机理进行了深入研究，提出一种新

型的变速一折叠模型，通过非定常涡格法的计算分析了仿鸟复合振动的扑翼气动

特性。为微型扑翼飞行机器人的设计提供了一定参考依据。哈尔滨工程大学杨兰

生等也对鸟扑翼模型进行分析，并提出一种仿生扑翼空间关节机构。

在昆虫和鸟类飞行机理研究基础上，西北工业大学目前也正在研制微型扑翼

飞行器，如图8所示，飞机采用聚合物铿电池和微型电动机驱动，碳纤维机架，

柔性机翼，总重约15g,扑翼频率15-20HZ,由于受电池容量限制，飞行时间约

8-18so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

等对微型飞行器中的若干动力学问题进行了研究，南京航空航天大学胡铃心也成

功了国内第一架在空中悬浮飞行的扑翼飞行器，如图9所示。

图8西北工业大学的微型扑翼飞行器图9南京航空航天大学研制的微扑翼飞行器

上海交通大学蔡弘等研究了翼展50-60mm的基于电磁和基于压电驱动

的扑翼MAV方案。中科院赵亚博也就关键力学和智能材料问题进行了研究。但

总体而言，我国在这方面的研究与国外相比尚有一定差距，尤其在实践方面更是

如此,可见中国在仿生扑翼飞行器方面的研究可谓任重而道远。相信不久的将来,

我国在仿生扑翼飞行器方面的研究必能取得重大进展与突破。

9

3扑翼机器人研制的关键技术

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己

取得了初步的理论和试验成果，但这些研究距离实际能够飞行的扑翼飞行器尚有

一定差距。为了实现扑翼飞行，除了应继续从理论和实验上进一步深入地研究仿

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。

3.1空气动力学问题

仿生扑翼飞行机器人的空气动力学问题非常复杂。由于目前研究的都是尺寸

小、速度低类的，仿生扑翼飞行机器人要在比较低的雷诺数下飞行，此时空气粘

滞力很大，这与飞机完全不同，显然飞机的空气动力学理论不能完全适合于仿生

扑翼飞行机器人。

仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为主，但昆虫和鸟类的翅膀不

像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。按照传统的空气动

力学理论，它们无法有效地利用空气的升力和阻力，因而就很难起飞。但是它们

翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，这会产生不同于周围大气的局部

不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫、鸟类飞行机理和空

气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础。目前仿生扑翼飞行机器人在低雷诺

数下的空气动力学问题还处在试验阶段，没有具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，

在此基础上发展新的理论和试验技术。因此应在充分认识生物飞行非定常空气动

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。

3.2飞行动力和能源问题

动力装置在仿生扑翼飞行机器人研究中起着关键作用，也是目前微型仿生扑

翼飞行机器人发展所面临的制约因素之一。动力装置要在保证整个飞行器尺寸小

的前提下，能提供足够的能量并转化为机器人所需驱动力，以及维持机载设备工

作所需电能。研制高功率和高能量密度微型动力装置和微型动力源是一个迫切需

要解决的问题。

早期仿生扑翼飞行器的研究经验告诉我们，仅靠人体肌肉的力量来驱动的扑

翼飞行器是无法实现持续飞行的。由于微型仿生扑翼飞行器要求外形较小、质量

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

10

基础上，对其能源动力系统的质量、大小以及功率等方面的因素对扑翼飞行驱动

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MEMS技术的微

静电致动器、压电致动器以及交变磁场驱动器、各种人造肌肉等。这些都在国内

外的研究中被尝试应用，但考虑到驱动效率，马达依然是较常用的驱动器，目前

的马达做的非常微小，如上海交大研制的直径为1mm的电磁型超微马达等。另

外，人造肌肉具有稳定性好、结构紧凑、响应速度快以及具有更高的动力与质量

比等特点，也是将来的发展方向。

为驱动提供能量的能源种类很多，如电化学电池、燃料电池、微型涡轮发电

机、热光电发电机、太阳能电池等。由于仿生扑翼飞行机器人最终目标是自主飞

行，因此无线式供给将是以后发展的重点。考虑到扑翼飞行对质量和大小的要求,

在今后的研制过程中，电池和微型马达应是相当长一段时间内的首选对象。

3.3仿生翼、扑翼机构和材料

设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

中亟待解决的问题。飞行所需气动力都是靠机翼上下拍动来产生。因此仿生翼必

须轻而坚固，能够在高频振动下不会断裂，且要能够提供足够的升力和推进力等。

仿生翼的研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。在设计过程中，翼形主要还是仿造动物翅膀形状，翼的重量

要轻，在扑动过程中还要有灵敏的柔性，当然还要通过多种翼形比较，选择最有

效的形状。进行仿生翼研究的目的并不是要完全模仿生物的翅膀来实现灵巧的运

动模式，而是在进一步研究鸟类、昆虫翅膀结构和运动特性的基础上，提取其

精髓并进行简化，从而研制出更具灵活性和更优运动性能的翼形。扑翼机构

也不同与一般运动机构，模仿生物的翅膀的简化运动模式，运动机构就需要实现

复合运动，高频和摩擦是一个重要的问题。

此外，材料的选择涉及仿生扑翼飞行的整个过程，设计中的重量轻、柔性以

及微型化等要求都与材料有关。另外，为保证整体重量轻，翼有一定强度且能灵

活变形，聚脂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

翼飞行的结构特性、运动和动力特性及机构制作的工艺特性要求来选择合适性能

的材料。

3.4通信和控制系统

在仿生飞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。

像鸟类和昆虫一样实现对仿生扑翼飞行的控制是不现实的，控制系统须根据

11

实际使用要求进行很大的简化。首先，将外部条件简化，即考虑飞行环境是理想

的;其次，可采用多级简单控制方法。另外，结合实际研制过程，遥控操作、电

子调速及方向舵相结合的简单控制系统仍将是首选。神经网络式控制系统的发展

为仿生扑翼飞行器的控制系统研究提供了很好的前景。

此外，该类飞行器在执行任务时往往要远离操纵者，这就要求飞行器必须具

备灵敏的通信系统，来实现对飞行器的控制及传递收集到的有价值信息等。研制

适合的GPS接收机和地面匹配系统是较为前沿的通信方式，这对该类飞行器的

发展来说是非常必要的。目前适用于仿生飞行器的通信系统仍处于不断发展阶

段，但随着电子、计算机技术的快速发展，更加先进的通信技术肯定能够得以实

现。

12

4两类扑翼式飞行方式的比较

自然接种扑翼式飞行方法主要有两种，一种是常见的鸟类的飞行方式，另…

种是昆虫的飞行方式，两者都是扑翼式飞行，但是飞行的机理、飞行方式却不尽

相同，下面我们进行全面的分析。

4.1鸟类的飞行机理

鸟类通过扑翼能产生大部分的升力和前进力，此外鸟类也借助大气实现翱翔

和滑翔飞行，这两部分介绍已经比较成熟。这里主要对鸟的扑翼过程进行分析。

扑翼是鸟类所共有的飞行方式。鸟翼从功能上分为两部分，外翼和内翼。内

翼的作用与飞机的机翼相似，它主要由伯努利原理产生升力，是鸟翼中弯度最大

的部分，鸟通过自体控制内翼在飞行过程中的适时迎角而不产生失速，获得飞行

所需的部分升力。外翼同样能产生升力，但是它主要产生前进力。与内翼相比较,

这部分弯度较小，同时更具有柔韧性。

通常鸟在扑翼过程中翼根和翼梢之间会形成几何相对扭转外翼部分的扭转

比较大，带动内翼作小角度扭转。当向下扑翼时，翼内侧产生升力和阻力（合力F

方向如图10（a）所示），翼外侧产生升力和推进力（合力F方向如图10（c）所

示），如此在整个翼面上形成的总空气动力方向指向前上方（可分解为向上的总升

力和向前的总推进力）。

图10扑翼的扭转受力示意

为了更好地说明鸟的扑翼运动，通过观察可以发现，鸟翅在正常飞行（不考

虑起飞降落）时的运动可分解为三个关键部分:①垂直运动（上扑下扑）;②轴向运动

（翅的扭转）;③翅的折叠（上扑过程中）。鸟翼的各个部分的运动示意如图11所示。

外翼的活动范围要比内翼大得多，前臂部的扭转运动能使翅的每一部分获得不同

的迎角，其适时扭转作用就是在升力和阻力之间寻找最优点。另外，在上扑过程

中，垂直方向阻力会急剧增大，这时翅膀就会依靠折叠和展羽运动来减小迎风的

有效面积，从而减小阻力。鸟在飞行过程中主要依靠尾翼的弯曲与扭转和肘部的

弯曲来控制身体的平衡并做出各种飞行姿态。

13

前臂扭转

肘部弯曲

迎角产生羽毛

图11鸟翅的详细分解及运动示意

鸟在扑翼过程中就是结合鸟翅各个部分的协调灵活运动来产生有效的升力

和前进力。除此之外，动物仍需要依靠由扑动引起的空气动力效应来推进［52］。

Knoller和Betz分别在1909和1912年首先独立地提出了对扑翼推进的解释。

Katzmayr贝U在1922年对Knoller-Betz效应进行了试验验证。1935年，VonKannan

和Brugers对实验中观测到的尾涡所诱导出的阻力或推力提出了理论上的解释。

当位于尾涡中心面上方的一组涡按顺时针转动，而位于下方的按逆时针转动时，

在尾涡中心面附近将形成一个方向与来流方向相反的流动区域，如图12所示，

这是带来阻力的尾涡的特征;反之，当位于尾涡中心而上方的一组涡按逆时针转

动，而位于下方的按顺时针转动时，在尾涡中心面附近形成一个量值更大且方向

与前方来流

方向一致的流动区域，如图13所示，此时尾涡诱导出推进力。在滑翔飞行

时，动物身后形成的尾涡与图12中的性质相同，此时它们的飞行阻力具有较大

的涡阻含量。而当动物进行简单扑翼时，扑翼诱导出的则是与图2—巧中性质相

同的尾涡，于是扑翼上便有推力的产生。类似图13的简单扑翼使很大一部分扑

翼功率以涡的形式消耗在尾涡中，除非扑翼频率非常低，否则推进效率相当低。

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图12诱导出阻力的尾涡

图13诱导出推力的尾涡

4.2昆虫的飞行机理

4.2.1昆虫飞行的非定常特性

昆虫的飞行机理要比鸟类的飞行机理复杂的多，昆虫的飞行雷诺数远远小于

鸟类，传统的空气动力学无法解释昆虫在低雷诺数环境下飞行。然而，昆虫在飞

行时能携带两倍于自身重量的物品，其飞行技巧也是令人惊叹的，是任何现有的

飞行器所无法比拟的。

参照螺旋桨推进理论中的前进比（AdvanceRatio,亦称相对进距）定义，可

以定义扑翼飞行中的前进比J为飞行速度与扑翼翼尖运动的平均速度之比。

15

其中U是飞行速度，1是迎长，f是扑翼频率，。为弧度表示的扑翼幅度。

一般地，非定常飞行状态时前进比J<1,而准定常以及定常飞行时的前进比

J>lo自然界的大黄蜂、黑蝇和果蝇它们自由飞行时的前进比分别在0.66,0.50

和.033左右。一般来说，体重小于55g的昆虫和一些鸟类都处于非定常区域。所

以，昆虫包括小鸟的飞行机理要用非定常空气动力学解释。

4.2.2昆虫翅膀的形状和结构

要解释昆虫的高升力机理，必须先弄清其翅膀的结构，昆虫的高升力与其翅

膀的微妙结构是分不开的。虽然昆虫种类繁多，翅膀形状和结构也各不相同，但

具有很多共同点。如图14所示，通常翅膀形状呈三角型，具有三边:靠近头部的

称为前缘，靠近尾部称为内缘和后缘，其余一边称为外缘。但在昆虫飞行机理和

生飞行进行，照固定基语，后和外同称为后缘。

图14昆虫翅膀的形状和结构

一些昆虫翅膀厚度只要1微米，却能承受住飞行中产生的强大气动力，主要

是因为翅膀是由坚韧而又富有弹性以及具有一定刚度翅脉组成。翅脉由纵向翅脉

和横向翅脉组成，就像骨架一样对翅面起着支撑、加固作用。纵向翅脉沿翅长度

方向外伸，类似悬臂梁结构，其横截面在翅根部较大并由翅根向翅尖逐渐减小，

横向翅脉将纵向翅脉相互连接在一起，纵横向翅脉连接后类似于桁架结构，从结

构上来说提供了很大的强度和刚度。

昆虫为了在飞行过程中产生足够升力，就不能只是简单地、不加扭转地反复

扑动两翅，需要通过翅膀的灵巧变形，利用空气动力学效应来产生足够有效的升

力。昆虫使其翅灵巧变形的方法很多，而下面儿种是最常用的：

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第一，昆翅都能在一定范围内扭转和翻转，因而在扑翅过程中其迎角不断变

化，这点和鸟的翅膀一样，翅翼发生螺旋形状扭转，很像螺旋桨的推进面的弯曲

形状;同时也利用翅膀扑动过程中和涡相关的非定常机理来产生大部分升力。

第二，翅的弯度(翅前缘到后缘的凸曲线的曲率)能够改变。风洞测试表明，

同样大小的两块板在不失速的前提下，弯度越大的板获得的升力越大。仿生学研

究表明，昆翅在一个扑动循环中有大部分时间是弯曲的。

第三，昆虫能够改变其翅翼的受力面积，使上下扑动产生升力系数差。生物

学研究表明:有些种类的蝴蝶能够通过改变前后翅的相互叠合程度来改变翅的总

面积;蝗虫则能在上扑时将其后翅收缩到半折叠状态，以减小其后翅面积。

第四，昆虫能采用倾斜的扑翅平面，使得其在向前飞行时，翅下扑相对与空

气的速度要大于上扑时。当需要使用接近水平面的扑翅平面时，昆虫会将其整个

躯体向前倾斜来做到这一点。

生物学研究表明，构成昆虫翅膀的生物材料非常刚硬，也具有较大的弹性模

量，柔性对于飞行是有益的，翅膀柔性越大，飞行机动性和灵活性越大。

4.2.3昆虫飞行的非定常高升力机理

昆翅在一个扑动循环中的运动可以分为四个部分:当翼翅以很大的攻角在空

气中扫掠时的两个平动(下挥和上挥)和当翼翅在转变扫掠方向时的两个快速转

动(顺翅和反翅)。在这个过程中，昆虫通过翅膀的变化就能产生大于自身体重许

多倍的升力，有关这个过程非定常流动机制的解释主要有：

(1)拍击与挥摆(ClapandFling)

拍击一挥摆机制可以分为四个过程，如图15所示。首先，两翅总是在其向

上扑动的顶点处拍到一起(A)。然后两翅绕其后缘逐渐旋转并从前缘处分开(B)。

这时两翅间夹角增大，强迫空气流入两翅分开时造成的真空中，随着两翅交角增

大，空气流动使得翅表面很快形成两个相反的附体环流(C)。当翅张开到一定角

度，两分开，各自扑动，这时翅表面各有一个附体环流，使得下扑时产生尽可能

大升力(D)。这种靠翅膀旋转可以产生环流及升力的机理还未完全得到了解，但

事实上多飞行动物都利用这一机制，如鸽子起飞时所需要的大升力便是由翅膀背

部拍挥摆而产生的。

17

A

D

k".

图15合拢和分开机制

(2)前缘涡和延迟失速

昆虫翅膀以大迎角扑动时，由于在翅膀前缘处有压力梯度，流体在前缘处产

生分离，便形成如图16(a)所示前缘涡。由于涡的快速转动，在翅上表面形成

低压区，因而产生升力。

前缘涡产生能瞬时增大升力，涡的分离又会使升力顺时减小，但昆虫翅膀不

会像飞机机翼一样由于分离而发生失速现象。前缘涡产生后就向上表面后缘流

去，由于在很短的瞬间内，翅膀的快速翻转使前缘涡不会与翼翅分离，此时涡又

重新附着在前缘,使得翅前缘在整个扑动过程中都有前缘涡附着，都有升力产生,

从而形成延迟失速。

(3)旋转环流

当翼翅接近折返点时，.翼翅开始绕着展向轴快速转动，如图16(b)、(c)、(d)

所示，此时翼翅的转动增加了围绕翼翅的转动环量，同样使得翼翅的升力获得增

加。这是一种与马格斯(MagnusEffect)性质相同的机制。

(4)尾流捕获

尾流捕捉机制如图16(e)所示。昆虫翅膀每一次拍动后都产生一个诱导尾涡,

这是由翅膀在流体中平动和旋转引起的。翅膀拍动速度特别快，在前一行程尾流

还没来得及散开时，翅膀迅速改变方向，向后推动这个搅动空气。扑翼使很大一

部分扑翼功率以涡的形式消耗在翅尾涡中，而尾流捕获恰好能有效回收损失的能

量，提高昆虫飞行效率，显著地增加了翼翅的升力。

18

图16昆虫扑翼产生高升力的机制

19

5扑翼飞行机器人的设计及分析

仿生翼及其运动系统是仿生扑翼飞行机器人的关键所在，能否设计出结构合

理、工作效率高的仿生翼及其运动系统是整个机器人设计成败的决定性环节。翼

的结构及运动方式对动物的飞行起着非常重要的作用。从总体来看，目前对仿生

翼的研究是零散的，尚缺乏深层次系统和全面的理论研究。本文在对扑翼飞行有

了一定的理解后，对扑翼机器人进行仿生机械设计、分析。

对扑翼机器人的设计重要集中在以下几个方面进行：扑翼运动机构的设计、

仿生翼的设计、动力源设计、运动控制机构的设计、机器人控制系统的设计。我

们可以得到如图17的仿生扑翼飞行机器人的主要组成部分示意图。

图17仿生扑翼飞行机器人的主要组成部分

5.1扑翼运动机构的选择

参考国内外的文献，我们可以看到，根据所设计的扑翼机器人是仿鸟还是仿

昆虫，扑翼运动机构的种类主要有两种。一种是连杆机构，由电动机驱动；一种

是共振机构，由压电晶体的逆压电效应驱动。这两种机构都可以有效的产生围绕

某轴的摇杆运动，从而驱动仿生翼进行扑翼运动，产生升力和前进力。但是这两

种机构又各有各的特点，连杆机构的特点是扑翼运动的幅度较大，可以产生较大

的升力和前进力，并且机构容易实现，有很成熟的机械设计机构可以参考，但是

也存在着一定的问题，那就是结构较大，较为容易磨损，只能用于仿真“较大”

的鸟类或昆虫，要应用于仿真较小的鸟类或昆虫，则须依靠MEMS技术，这就

受制于MEMS技术的水平程度。这种机构应用比较成熟，有较多的成功的案例,

给扑翼式机器人带来了希望。共振机构的结构较为简单，且结构尺寸明显减小，

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可以用于仿真尺寸很小的昆虫类，它利用压电晶体的逆压电效应，用电压产生的

相应压电晶体的位移来作为直线驱动，并未驱动中间传递机构，而是直接利用电

压来驱动“翅”来产生相应的摆动。这种“翅”利用单层或者多层压电晶体与弹

性层（如薄钢片）横向或纵向叠加而成，当给压电晶体通电的时候，压电晶体产

生一定的位移，带动弹性层一起运动，当电压的频率较高时，翅膀振动的频率就

较高，当振动的频率与机构的固有频率相同时，整个机构就会产生共振，这时翅

膀振动的幅值最大，产生的升力也就最大，最终实现扑翼飞行。但是这种机构也

有它本来的缺陷。首先是振动所需的电压较大，很难由电池供应，其次压电晶体

振动产生的位移相当小，为微米量级，需要较好的位移放大机构方能实现，最后

就是振动的情况很难控制。虽然这种机构存在着种种的缺陷和未解决的问题，但

是这种机构的尺寸可以制作的非常小，距离我们希望的尺寸相当接近，是扑翼机

器人的未来。

综合考虑两种扑翼运动机构的优缺点和自己所具有的知识范围，选择连杆机

构作为这次扑翼机器人的运动机构。

扑翼机构外形的要求主要是左右对称，左右摇杆要对称并同步扑翼动作。因

此，我们设计的连杆机构也要保证以下几点：

1）扑翼机构的自由度为一；

2）需要有一杆件作为固定机架；

3）需要有一杆件作为输入杆；

4）需要有不同的两个杆件作为左、右翅膀杆；

5）需使左、右翅膀杆和机架连接，能产生左、右对称的扑翼动作，即要求

左、右翅膀杆扑动动作要同步；

6）机架有多接头来连接其他杆件；

7）输入杆可为曲柄或者滑块，且输入杆和机架只能以转动副或移动副连接;

8）左、右翅膀杆件都为摇杆，必须都与机架连接，且接头只有转动副，以

保证翅膀杆在扑动过程中长度不变；

9）左、右翅膀杆的运动要有急回特性，使仿生翼具有更好的气动性能，来

获得有效升力；

10）要尽可能少的杆件，保证扑翼机构的紧凑、轻巧。

以下是几种扑翼机构的示意图（图18）,下面将对它们进行对比分析。

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图18满足设计条件的扑翼机构

扑翼机构主要将往复运动和旋转运动转换成扑翼运动，输入构件的特点决定

采取何种输入来产生对称同步的扑翼运动。如图18(a)所示，当扑翼机构的输入

是杆件时，可以用具有回转运动特性的机构来驱动，如齿轮，且传动的效率也很

高。如图18(b)而当输入是滑块时，要实现扑翼运动就要将一些具有往复运动特

性的机构应用到驱动机构机构，常见的简单紧凑的往复运动机构有往复移动从动

件凸轮机构、曲柄移动倒杆机构和曲柄滑块机