仿生式扑翼机的研究现状与发展

仿生式扑翼机的研究现状与发展

刘晔婧 孔涛涛 宫新亮 吴传宇 李梓楠

中国矿业大学  221116

摘要：本论文研究了仿生式扑翼机的最新发展，探讨了国内外研究现状、机构结构和材料应用。对扑翼机的设计原则进行了分析，对未来进行展望指出扑翼机在无人飞行、环境监测等领域有广阔应用前景。

关键词：扑翼机; 扑翼机结构；仿生机器人; 控制系统

1 引言

在人们对飞行领域的不断追求中，扑翼机作为一种仿生学的产物，正逐渐引起广泛关注。与传统飞行器相比，扑翼机通过模仿自然界的飞行生物，设计扑翼机结构和扑翼结构材料，具有更大的机动性和适应性。对目前该领域的研究状况及今后的发展方向进行了讨论。

在扑翼机研究现状的部分，我们将回顾过去的研究历程，通过引用相关文献和项目，以描绘扑翼飞行器领域的发展轨迹。本项目拟对这类扑翼飞机的机械结构和材料进行系统的研究。

2 扑翼飞行器研究现状

在科学家们对扑翼飞行生物仿生学的不断探索下，结合空气动力学和复合材料技术，仿生扑翼飞行器迅速发展，成为各个国家的科研热点。美国是最早深入研究的国家，其他国家如荷兰代尔夫特大学、日本东京大学也在积极探索。哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，上海交通大学等一批研究单位也都在这方面做出了突出的成绩。

2.1国内研究现状

我国在这一领域的研究起步较晚，成果也不多，但我国一直在密切关注这一领域的发展动向，并已开展了相关的基础与应用研究。目前，国内外许多高校和研究单位都在进行扑翼飞行方面的研究。例如，机器人学国家重点实验室成功研制了翼展3cm、10cm以及14cm的多款微型扑翼飞行机器人，可实现基于视觉的自稳定飞行和自主避障等功能，能够完成室内外自主飞行，包括穿越走廊或窗户、室内盘旋以及视频实时回传等任务。14cm机型自重仅为6g，续航时间超过13分钟，达到国际领先水平。

图 1 微型扑翼飞行机器人

Fig． 1 miniature wing-flying robots

南京宇航学院的科研人员在扑翼飞机原型机的研发和风洞实验方面做了大量的工作。从图2可以看出，南京宇航大学研制了一种叫做“金鹰”的差动扑翼飞机。这艘船有650 mm的翼幅，160 mm的长度和300 g的总重。利用舵机对左右翼进行差速扭绞，完成对目标的转向。另外，该机还配备了自行研制的小型无人驾驶仪，能够实现自主飞行。

图 2 金鹰飞行器

Fig． 2 Golden Eagle aircraft

2011年，西北理工大学研制的鸽子，外形像是一只鸟，翅膀是用一个扁平的连杆装置来推动的，它有0.6米长的翼展，每秒6到10 m，重量只有220 g。飞机框架由碳纤维复合材料制成，搭载多种系统，可以实现自主起飞和自主巡航，小型相机可以采集和传送地面影像，完成侦察任务。本项目的开展对国产扑翼飞机的研制有重要的指导作用。

图 3 信鸽飞行器

Fig． 3Homing pigeon aircraft

目前国内对于仿生式扑翼机的研究还没有走出实验室，仅仅是模仿鸟的飞行模式，未来对于续航时间，轻量化的研究还需要进一步进行探索。

2.2国外研究现状

华盛顿大学提出了一种新的机器人飞行设计，更容易制造并且能够飞行

和地面运动。设计这一款昆虫大小（约 100 毫克）的机器人的动机是它们相对于大型机器人具有较大的潜在优势，例如以相同的成本可以制作数量更多的飞行器。之前的迭代已经证明了受控飞行，但在飞行之外的运动能力方面受到限制。它们还由许多部件组成，因此制造起来很困难。

图 4 RoboFly飞行器

Fig． 4RoboFly

在这里，华盛顿大学团队提出了一种降低重心的重新设计，使机器人能够在不需要长腿的情况下额外着陆。这是通过改变扑动翅膀的下冲程相对于上冲程的速度来实现的，同时也允许转向。通过着陆并随后沿着地面移动，机器人可以穿过极其狭窄的空间和障碍物下方，并导航到精确的位置进行传感操作。新设计还大大减少了零件数量，简化了制造。RoboFly飞行器为仿生市扑翼机提供了新的思路，对仿生式扑翼机的发展有重要的意义。

3扑翼机的结构与材料

扑翼机的扑翼机构主要分为两个大类，纯机械扑翼和机构与智能材料扑翼机构。

纯机械扑翼机构主要可以分为基于电机的扑翼驱动机构、基于电磁铁的扑翼驱动机构和静电扑翼驱动机构。基于电机的扑翼驱动机构主要有单曲柄双摇杆机构、双曲柄双摇 杆机构、曲柄滑块机构、空间连杆机构等。

3.3.1扑翼机典型结构

在纯机械扑翼结构方面,针对目前扑翼飞行器扑翼运动模式单一，飞行灵活性和稳定性不高的问题，江厚清等人设计了一款基于空间连杆机构的单驱动多模式扑翼飞行器,增加了扑翼机飞行模式的数量，包括扭转、扑动，折叠等，减少了驱动元件的数量， 提高了扑翼飞行器的灵活性。

3.3.2扑翼机使用材料及其性能要求

为了使扑翼机拥有更高的气动效率和能量利用率，同时一定程度上增加扑翼机的续航能力，选择轻而坚固的材料和合理的结构设计对仿生式扑翼机的设计尤为重要。

当前用于扑翼飞行器的碳纤维复合材料由于具有高强、轻质等优异性能而被广泛用于飞机机身和机翼框架的制造。将碳纤维材料包覆于一种材料上，可以有效地提高其强度。另外，如何使扑翼飞行器具有类似于鸟和昆虫的柔性，并能有效地控制其飞行姿态，也将成为今后扑翼飞行器轻量化设计与制造的重要方向。

4 扑翼机发展的机遇与挑战

尽管目前已经有很多的团队和学者对仿生式扑翼机展开各方面的研究，扑翼机未来的发展还存在很多的发展机遇和挑战。

我们知道生物学的设计通常能够提供更高的能效，仿生式扑翼机未来可能在能源利用效率方面具有一定的优势，例如利用先进的轻量化材料，可以降低扑翼机的整体重量，通过改进机构材料可以在一定程度上增加扑翼机的飞行时间，减少能源消耗并提高机动性。

同时，仿生式扑翼机的灵感来源于自然界的飞行动物，这些动物通常具有卓越的动态环境适应性。在风速变化、复杂地形或不稳定气流的情况下，仿生式扑翼机可能表现更为出色，从而适用于各种任务，包括紧急救援和灾害响应

[1]刘新杰. 仿生扑翼飞行器传动机构的力学性能及优化研究[D].中国民航大学,2021.DOI:10.27627/d.cnki.gzmhy.2020.000419.

[2]Journal | [J] Journal of Robotics & Machine Learning.Volume , Issue . 2020

[3]Dhingra, Daksh, Yogesh M. Chukewad and Sawyer B. Fuller. “A Device for Rapid, Automated Trimming of Insect-Sized Flying Robots.”IEEE Robotics and Automation Letters5 (2020): 1373-1380.

[4]汪婷婷, 何修宇, 邹尧, 付强, 贺威.面向扑翼飞行机器人的飞行控制研究进展综述[J].工程科学学报, 2023, 45(10): 1630-1640. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.24.001