撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)回顧與展望

張弘志，宋筆鋒，孫中超，汪亮

西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072

撲翼飛行器屬于一種新型無人飛行器，在民用和軍用領(lǐng)域具有很大應(yīng)用價(jià)值。撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是影響整機(jī)飛行性能的關(guān)鍵因素之一。隨著人們對(duì)撲翼飛行器性能的要求越來越高，撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也在不斷地發(fā)展更新，在最近20年里，更是涌現(xiàn)出了許多新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本文將對(duì)傳統(tǒng)純機(jī)械式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和基于智能材料的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)做詳細(xì)的綜述，并總結(jié)各類驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。此外，柔性結(jié)構(gòu)的使用提高了撲動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能，受到了國(guó)內(nèi)外許多研究者的關(guān)注，因此本文還將簡(jiǎn)要分析柔性結(jié)構(gòu)在撲動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用方式與效果。

1 純機(jī)械式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

純機(jī)械的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有基于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、基于電磁鐵的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和靜電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3大類?；谥绷麟姍C(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理是利用各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)輸出的連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為撲動(dòng)翼的往復(fù)撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的撲翼飛行?；陔姶盆F的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則是通過交變的電磁場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)撲動(dòng)翼往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而靜電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則是利用交變的靜電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)內(nèi)帶電體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)撲翼撲動(dòng)。

1.1 基于直流電機(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

基于直流電機(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)核心在于運(yùn)動(dòng)變換裝置的選取。常見的將連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為往復(fù)撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和繩輪機(jī)構(gòu)等。這些變換裝置中連桿機(jī)構(gòu)使用最廣泛，其技術(shù)也已經(jīng)趨于成熟。

最早出現(xiàn)的也是最簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)為單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)，國(guó)外也將其稱為前置雙推桿機(jī)構(gòu)[1]。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理是一個(gè)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄通過2個(gè)連桿帶動(dòng)2個(gè)擺動(dòng)的搖桿以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)鳥翼的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1[2]所示。該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，構(gòu)件較少質(zhì)量較輕，且傳動(dòng)效率較高。但是由于兩側(cè)撲翼運(yùn)動(dòng)的相位不完全對(duì)稱，兩側(cè)鳥翼產(chǎn)生的氣動(dòng)力會(huì)有所差異[3]，因而使用該種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿鳥飛行器飛行不穩(wěn)定，不易控制，容易出現(xiàn)墜機(jī)的危險(xiǎn)。利用單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型撲翼飛行器有特拉華大學(xué)的Pornsin-Sirirak等[4]的電動(dòng)微型仿鳥飛行器“Microbat”(驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖見圖2[4])、中國(guó)臺(tái)灣的中華大學(xué)Tsai和Fu[5]的微型撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖見圖3[5])。

為了減小單曲柄雙搖桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的兩側(cè)撲翼運(yùn)動(dòng)的相位差，許多學(xué)者對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。其優(yōu)化改進(jìn)的基本原理是將兩側(cè)撲動(dòng)翼運(yùn)動(dòng)的相位差作為目標(biāo)函數(shù)，尋找影響該目標(biāo)函數(shù)取值的自變量(此時(shí)目標(biāo)函數(shù)為一個(gè)多元函數(shù))，使用優(yōu)化算法獲得目標(biāo)函數(shù)的最小值以及各自變量的取值。本文作者團(tuán)隊(duì)[6]曾使用遺傳算法對(duì)機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并完成了試飛，結(jié)果表明優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)使兩側(cè)撲動(dòng)翼運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性降低為優(yōu)化前的17.07%。同時(shí)西北工業(yè)大學(xué)的周凱等[3]根據(jù)仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)等原理利用模式搜索法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將兩翼運(yùn)動(dòng)的角度之差和角速度之差同時(shí)減小，經(jīng)試飛后也收到了良好的效果。由此可以看出，對(duì)單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)可以明顯改善飛行器飛行過程中左右傾斜晃動(dòng)的現(xiàn)象，從而提高了飛行穩(wěn)定性。

圖1 單曲柄雙搖桿(前置雙推桿)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖[2]Fig.1 Movement sketch of single crank double rocker (front double push rod) mechanism[2]

圖2 “Microbat”驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[4]Fig.2 Schematic diagram of “Microbat” driving mechanism[4]

圖3 中華大學(xué)微型飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[5]Fig.3 Schematic diagram of micro-aircraft driving mechanism in Chung Hua University[5]

單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)相位差是由機(jī)構(gòu)的本身性質(zhì)決定的，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)只能使其減小，而不能消除。為了完全消除兩側(cè)撲翼的運(yùn)動(dòng)相位差，人們開始利用運(yùn)動(dòng)對(duì)稱的機(jī)構(gòu)裝備撲翼飛行器。其中雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)(國(guó)外也稱為前置單曲柄機(jī)構(gòu)[1])是目前應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4[7]所示。該機(jī)構(gòu)的工作原理是使用一個(gè)小齒輪帶動(dòng)兩側(cè)曲柄做無相位差的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)曲柄再分別帶動(dòng)兩側(cè)撲動(dòng)翼搖桿做無相位差的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)。盡管雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)完全消除了撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)的相位差，改善了撲翼飛行器的氣動(dòng)性能，但是相對(duì)于單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)而言多引入了一個(gè)曲柄構(gòu)件，從而增大了機(jī)構(gòu)重量和摩擦損耗。該機(jī)構(gòu)典型的應(yīng)用實(shí)例有中國(guó)民航大學(xué)蘇漢平[8]設(shè)計(jì)的仿鳥撲翼飛行器，南京航空航天大學(xué)吉愛紅和沈歡[9]發(fā)明的模擬小黃蜂雙對(duì)翅無相差“拍—合”運(yùn)動(dòng)的“雙曲柄搖桿無相差雙對(duì)翼撲翼飛行器”樣機(jī)和Hsu等[10]在論文集中提到的基于前置平行單曲柄設(shè)計(jì)的微型撲翼飛行器(驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖見圖5[10])。

圖4 雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖[7]Fig.4 Movement sketch of double crank and double rocker mechanism[7]

圖5 前置平行雙曲柄撲翼機(jī)構(gòu)示意圖[10]Fig.5 Schematic diagram of front parallel double crank flapping wing mechanism[10]

除了雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)之外，能夠使撲動(dòng)翼完全對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)還有曲柄滑塊式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6[11]所示。該機(jī)構(gòu)的工作原理是曲柄通過連桿帶動(dòng)中間滑塊上下移動(dòng)，然后滑塊再通過連桿帶動(dòng)兩側(cè)撲動(dòng)翼搖桿往復(fù)撲動(dòng)。安徽巢湖學(xué)院的徐兵等[12]利用該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款曲柄滑塊式撲翼飛行器，其機(jī)構(gòu)示意圖見圖7[12]。就單側(cè)撲翼而言，該機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)平面六桿機(jī)構(gòu)。盡管該機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性極好，但是由于引入了滑動(dòng)副且增加了較多的構(gòu)件，使得機(jī)械摩擦和重量均變得較大，這一點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重影響撲翼飛行器的整體性能，因而未能得到廣泛應(yīng)用。

圖6 曲柄滑塊式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[11]Fig.6 Movement sketch of crank-slider flapping wing driving mechanism [11]

除以上分析的常見機(jī)構(gòu)外，近幾年出現(xiàn)的平面連桿式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還有很多，其中比較有特色的機(jī)構(gòu)是西北工業(yè)大學(xué)胡峪等[13]基于曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)發(fā)明的搖櫓式撲翼控制機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖8[13]所示，裝置示意圖如圖9[13]所示。該機(jī)構(gòu)中的曲柄帶動(dòng)導(dǎo)桿上的撲翼(相當(dāng)于槳葉)做搖櫓式的圓周運(yùn)功，通過改變曲柄的旋轉(zhuǎn)方向即可改變推力的方向[13]。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、可靠性高，所驅(qū)動(dòng)的撲動(dòng)翼具有較高的氣動(dòng)效率，是傳統(tǒng)平面連桿式撲動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大突破。

圖8 曲柄導(dǎo)桿式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[13]Fig.8 Movement sketch of crank guiding-rod driving mechanism[13]

圖9 搖櫓式撲翼控制機(jī)構(gòu)裝置示意圖[13]Fig.9 Schematic diagram of swinging flapping wing control mechanism[13]

隨著人們對(duì)撲翼飛行器仿生學(xué)原理的研究不斷深入，撲翼飛行器撲動(dòng)翼的運(yùn)動(dòng)形式也在不斷增多。人們發(fā)現(xiàn)許多大型鳥類的翅膀在撲翼飛行過程中具有撲動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、彎曲折疊、揮擺4種主要運(yùn)動(dòng)形式[14]。因此為了使撲翼飛行器的運(yùn)動(dòng)形態(tài)更接近真實(shí)鳥類，從而提高氣動(dòng)效率，人們開始研究使翼具有多種運(yùn)動(dòng)模式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)于中、大型的鳥類而言，撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)和彎曲折疊運(yùn)動(dòng)最為明顯，因此人們對(duì)多段式可彎曲折疊撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)做了大量的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院的姜洪利[15]研發(fā)了一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鳥翼撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)和彎曲折疊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖10[15]所示。該機(jī)構(gòu)的工作原理是使用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)翼的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在內(nèi)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿和搖臂上串聯(lián)下一級(jí)連桿機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)外翼的彎曲折疊運(yùn)動(dòng)。中北大學(xué)的趙志芳等[16]將兩段式可彎曲折疊撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件位置和鳥翼的真實(shí)骨骼結(jié)構(gòu)(鳥翼骨骼結(jié)構(gòu)見圖11[16])做了詳細(xì)對(duì)比，并通過仿真分析發(fā)現(xiàn)飛行器翼尖的運(yùn)動(dòng)軌跡與真實(shí)鳥類翼尖運(yùn)動(dòng)的“8”字形軌跡極為相似，從仿生學(xué)的角度揭示了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性。南京航空航天大學(xué)的黃鳴陽等[17]利用兩段式可彎曲折疊撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款仿海鷗飛行器，該飛行器的撲動(dòng)翼采用了柔性構(gòu)件。在撲翼飛行過程中，仿海鷗飛行器的撲動(dòng)翼在慣性力作用下可繞其弦線做被動(dòng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了撲動(dòng)翼的撲動(dòng)、主動(dòng)折彎和被動(dòng)扭轉(zhuǎn)3種運(yùn)動(dòng)形式的組合，通過氣動(dòng)力計(jì)算和飛行試驗(yàn)可以得知該飛行器比單一運(yùn)動(dòng)形式(只有撲動(dòng)運(yùn)動(dòng))的飛行器具有更好的飛行性能。武漢科技大學(xué)的華兆敏等[18]還設(shè)計(jì)了一種三段式可彎曲折疊撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖12[18]所示。通過氣動(dòng)力分析與計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三段式撲翼機(jī)比兩段式撲翼機(jī)具有更好的氣動(dòng)特性。

為了模仿鳥類翅膀更多的運(yùn)動(dòng)模式，人們逐漸將研究的目光轉(zhuǎn)移到空間連桿機(jī)構(gòu)上?？臻g連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)方法的靈活度較大，其設(shè)計(jì)與分析過程也變得更困難，但是其性能普遍優(yōu)于平面連桿機(jī)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)的徐一村等[19]設(shè)計(jì)了一款空間曲柄搖桿撲翼機(jī)構(gòu)，并制作了原理樣機(jī)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖13[19]所示。經(jīng)過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于平面連桿機(jī)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的魏榛等[20]發(fā)明了一種用于撲翼飛行器的空間平行曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖14[20]所示。該機(jī)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼基本的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，還可以通過兩側(cè)曲柄機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生相位差，使翼面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，從而改變撲動(dòng)翼的迎角大小。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還被用在了研究鷹蛾懸停懸停飛行的撲翼實(shí)驗(yàn)裝置中[21]，實(shí)驗(yàn)表明該機(jī)構(gòu)使飛行器的氣動(dòng)效率得到了提升。

圖10 多段式可彎曲折疊撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[15]Fig.10 Movement sketch of multi-stage folding flapping wing driving mechanism[15]

圖11 鳥翼詳細(xì)骨骼構(gòu)造示意圖[16]Fig.11 Schematic diagram of bird wing detailed bone structure[16]

圖12 三段式可彎曲折疊撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[18]Fig.12 Movement sketch of three-stage folding flapping wing driving mechanism[18]

國(guó)外的研究者研發(fā)了側(cè)裝曲柄機(jī)構(gòu)用以裝備撲翼飛行器，側(cè)裝曲柄機(jī)構(gòu)也是一種空間連桿機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平面與撲動(dòng)翼撲動(dòng)平面相互垂直，其中左右兩側(cè)的曲柄由同一齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)撲動(dòng)翼做無相位差的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)[1]。日本大阪慢速飛行俱樂部[22]的微型飛行器和荷蘭“Delfly 2”[23]的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用側(cè)裝曲柄機(jī)構(gòu),其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖分別見圖15[22]和圖16[23]。

圖13 空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[19]Fig.13 Movement sketch of spatial crank and rocker mechanism[19]

圖14 空間平行曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[20]Fig.14 Movement sketch of spatial parallel crank-rod driving mechanism[20]

鳥類和昆蟲等生物之所以能夠?qū)崿F(xiàn)靈活高效的空中飛行，是因?yàn)槠涑嵋砜梢詫?duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行主動(dòng)控制，也就是說將撲動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、彎曲折疊和揮擺4種運(yùn)動(dòng)模式合理組合，并對(duì)其實(shí)施獨(dú)立控制，從而完成復(fù)雜的空中運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)就需要撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，而不是單純的使各個(gè)運(yùn)動(dòng)模式按照一定的相位關(guān)系組合起來。美國(guó)楊百翰大學(xué)的George[24]設(shè)計(jì)了一種空間多自由度的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖17[24]所示。該機(jī)構(gòu)可以驅(qū)動(dòng)撲動(dòng)翼做撲動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、揮拍3種形式的運(yùn)動(dòng)，且這3種形式的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，無耦合關(guān)系。但是由于該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，不容易使飛行器穩(wěn)定飛行，因而目前只能用于在撲翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)做流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。西北工業(yè)大學(xué)的李博揚(yáng)[25]也設(shè)計(jì)了一款三自由度的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并用于研究撲翼的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)氣動(dòng)力產(chǎn)生的影響。該機(jī)構(gòu)使用3個(gè)電機(jī)配合工作可以實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼的撲動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和揮擺3種運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立控制，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖18[25]所示。

圖15 大阪慢速飛行俱樂部的微型飛行器示意圖[22]Fig.15 Schematic diagram of Osaka Slow Flight Club’s micro-aircraft[22]

圖16 “Delfly 2”微撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[23]Fig.16 Schematic diagram of driving mechanism of “Delfly 2” micro-flapping-wing aircraft[23]

除連桿機(jī)構(gòu)以外，凸輪機(jī)構(gòu)也可以將電機(jī)的連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為撲動(dòng)翼的往復(fù)撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此也可以用作撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。西北工業(yè)大學(xué)的王利光等[26]發(fā)明了一種空間凸輪撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)使用空間凸輪帶動(dòng)滑塊按照一定的運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系沿直線運(yùn)動(dòng)，滑塊再通過一對(duì)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩側(cè)鳥翼做無相位差的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其裝置示意圖如圖19[26]所示。浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的丁長(zhǎng)濤等[27]也設(shè)計(jì)了一種圓柱凸輪萬向節(jié)式仿鳥撲翼飛行機(jī)構(gòu)，該裝置巧妙地將凸輪機(jī)構(gòu)與萬向節(jié)組合起來，實(shí)現(xiàn)了撲動(dòng)翼的高效撲動(dòng)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖20[27]所示。

圖17 楊百翰大學(xué)空間多自由度撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[24]Fig.17 Schematic diagram of spatial multiple freedom degrees flapping wing driving mechanism by Brigham Young University[24]

圖18 空間三自由度撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[25]Fig.18 Movement sketch of spatial three degree-of-freedom flapping wing driving mechanism[25]

圖19 空間凸輪撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[26]Fig.19 Schematic diagram of spatial cam flapping wing driving mechanism[26]

仿生飛行器對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)重量的限制極為苛刻，因此為了降低撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，人們開始采用繩輪機(jī)構(gòu)裝備撲翼飛行器。浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的丁長(zhǎng)濤等[28]研發(fā)了一種線輪調(diào)幅卷膜式仿鳥撲翼飛行裝置，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖21[28]所示。該機(jī)構(gòu)中的電機(jī)通過減速器帶動(dòng)線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，纏繞在線輪上的牽引線和復(fù)位彈簧再帶動(dòng)左右兩翼往復(fù)撲動(dòng)。該機(jī)構(gòu)中的牽引線和復(fù)位彈簧代替了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的連桿部分，因而重量有所減輕。美國(guó)Keennon等[29]也研發(fā)了一種基于繩輪傳動(dòng)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝備仿蜂鳥微型飛行器，其裝置示意圖如圖22[29]所示。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使撲動(dòng)翼實(shí)現(xiàn)頻率在20 Hz以上、幅度在150°以上的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其性能遠(yuǎn)超過同等尺度連桿機(jī)構(gòu)。

圖20 圓柱凸輪萬向節(jié)式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[27]Fig.20 Schematic diagram of cylindrical cam universal joint flapping-wing driving mechanism [27]

圖21 線輪調(diào)幅卷膜式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[28]Fig.21 Schematic diagram of wire wheel amplitude-adjusting rolling film flapping wing driving mechanism[28]

除以上機(jī)構(gòu)外，人們也嘗試過使用其他種類的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。西北工業(yè)大學(xué)的付鵬等[30]使用不完全齒輪機(jī)構(gòu)代替單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)中的翼搖桿構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了左右翼的運(yùn)動(dòng)完全對(duì)稱，并且該機(jī)構(gòu)又節(jié)省了一個(gè)連桿構(gòu)件，從而減小了機(jī)械摩擦。該機(jī)構(gòu)被成功用于微型撲翼飛行器的風(fēng)洞試驗(yàn)[31]，其裝置示意圖如圖23[31]所示。此外，上海交通大學(xué)的冷燁等[32]設(shè)計(jì)了一款極其簡(jiǎn)單的仿生蝴蝶飛行器。這款飛行器的特別之處在于它的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)省略了所有的運(yùn)動(dòng)變換裝置，利用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)撲動(dòng)翼往復(fù)擺動(dòng)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖24[32]所示。由于該機(jī)構(gòu)幾乎不存在摩擦損耗，因而其驅(qū)動(dòng)效率較高。

圖22 “蜂鳥”繩輪傳動(dòng)式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[29]Fig.22 Schematic diagram of “Hummingbird” rope wheel flapping wing driving mechanism[29]

圖23 不完全齒輪撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[31]Fig.23 Schematic diagram of incomplete gear flapping wing driving mechanism[31]

圖24 仿生蝴蝶飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[32]Fig.24 Schematic diagram of bionic butterfly aircraft driving mechanism[32]

1.2 基于電磁鐵的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

基于電磁鐵設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)速度快、供能電壓低、輸出力較大和驅(qū)動(dòng)位移大等多種優(yōu)點(diǎn)，因而在仿生飛行器的設(shè)計(jì)中也得到了廣泛的應(yīng)用?；陔姶盆F設(shè)計(jì)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照工作原理可以分為2類：一類是利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的安培力驅(qū)動(dòng)翼往復(fù)運(yùn)動(dòng)；另一類是利用磁性物體在磁場(chǎng)中受到的電磁吸力來帶動(dòng)撲翼撲動(dòng)。

北京航空航天大學(xué)的嚴(yán)小軍等[33]設(shè)計(jì)了一種低壓電磁驅(qū)動(dòng)的人造撲翼，并制作出了原理樣機(jī)，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理是利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受安培力作用而產(chǎn)生位移。在帶動(dòng)撲動(dòng)翼撲動(dòng)的金屬翼?xiàng)U上纏繞導(dǎo)線，并將翼?xiàng)U置于一組極性相反的平行磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，在導(dǎo)線中通入交流電后，翼?xiàng)U會(huì)在導(dǎo)線產(chǎn)生的安培力合力作用下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)撲動(dòng)翼撲動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖25[33]所示。

北京航空航天大學(xué)的張鈺和劉志偉[34]同樣也利用了通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受安培力的驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一款電磁撲翼的實(shí)驗(yàn)裝置，其機(jī)構(gòu)原理示意圖如圖26[34]所示。實(shí)驗(yàn)者將一根金屬微梁置于磁場(chǎng)中，并在其兩端加以約束。當(dāng)向金屬梁中通入交變電流時(shí)，金屬梁就會(huì)在磁場(chǎng)中受交變的安培力作用，從而帶動(dòng)撲動(dòng)翼撲動(dòng)。圖26中:IAC為通電電流，VAC為電壓，F(xiàn)為撲動(dòng)翼受到的安培力。利用該款驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)者成功測(cè)定了驅(qū)動(dòng)電壓、通電頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)撲翼振幅的影響。

圖25 低壓電磁驅(qū)動(dòng)的人造撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[33]Fig.25 Schematic diagram of low-voltage electromagnetic artificial flapping wing driving mechanism [33]

圖26 基于金屬微梁振動(dòng)的電磁撲翼實(shí)驗(yàn)裝置組成及工作原理示意圖[34]Fig.26 Schematic diagram of composition and working principle of electromagnetic flapping wing experiment device based on metal microbeam vibration[34]

南開大學(xué)的方勇純等[35]利用磁性體在磁場(chǎng)中受吸合力作用的基本原理設(shè)計(jì)了一款微型撲翼機(jī)構(gòu)，其產(chǎn)品示意圖如圖27[35]所示。該機(jī)構(gòu)在工作過程時(shí)向電磁線圈中通入交變電流，搖動(dòng)磁鐵在電磁線圈和回中磁鐵的作用下做往復(fù)擺動(dòng)，從而帶動(dòng)末端撲動(dòng)翼運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)還可以通過迎角偏轉(zhuǎn)磁鐵和迎角輔助磁鐵實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而在飛行過程中改變撲動(dòng)翼的迎角。

圖27 可變迎角的電磁驅(qū)動(dòng)撲翼機(jī)構(gòu)示意圖[35]Fig.27 Schematic diagram of electromagnetic flapping wing mechanism with variable angle of attack[35]

為了增大電磁驅(qū)動(dòng)器的輸出位移，人們將位移放大機(jī)構(gòu)引入到了撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。Meng[36]和Liu[37]等分別研制了2款基于電磁驅(qū)動(dòng)的撲翼飛行器，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖28[36]和圖29[37]所示。在他們研制的機(jī)構(gòu)中都使用了柔性鉸鏈作為位移放大機(jī)構(gòu)，從使撲動(dòng)翼具有更大的撲動(dòng)角度。此外Liu等[37]的設(shè)計(jì)的撲翼飛機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以明顯地提高撲翼飛行器的飛行效率，因此該種設(shè)計(jì)方式得到了較為廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)電源的激勵(lì)頻率和撲翼機(jī)構(gòu)的固有頻率相近時(shí)(即機(jī)構(gòu)處于共振狀態(tài))，電磁撲翼的輸出位移可以達(dá)到最大，此時(shí)飛行器的能耗也最低。但是基于共振方式的電磁撲翼只能在一段很窄的頻率范圍(共振頻率附近)內(nèi)撲動(dòng)，一旦驅(qū)動(dòng)力頻率稍遠(yuǎn)離共振頻率，撲動(dòng)翼的撲動(dòng)幅度就會(huì)急劇降低，升力驟降，最終導(dǎo)致飛行器無法飛行。對(duì)于克服這一缺陷，上海交通大學(xué)的張衛(wèi)平等[38]研發(fā)了一種可變共振頻率的電磁驅(qū)動(dòng)式雙驅(qū)動(dòng)微撲翼飛行器，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖30[38]所示。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是采用了一種電流變扭轉(zhuǎn)材料安裝到撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。電流變扭轉(zhuǎn)材料在不同附帶電荷或電勢(shì)下表現(xiàn)出不同的扭轉(zhuǎn)剛度,進(jìn)而使機(jī)構(gòu)整體獲得不同的共振頻率。此時(shí)通過調(diào)節(jié)電流變扭轉(zhuǎn)材料的電流即可改變系統(tǒng)的共振頻率，使得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在任意頻率下工作。這一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用顯著提高了飛行器的飛行效率和環(huán)境適應(yīng)能力。

圖28 Meng等的電磁撲翼示意圖[36]Fig.28 Schematic diagram of for Meng et al electromagnetic flapping-wing mechanism [36]

圖29 Liu等的電磁撲翼示意圖[37]Fig.29 Schematic diagram of for Liu et al electromagnetic flapping wing mechanism [37]

電磁驅(qū)動(dòng)的撲翼機(jī)構(gòu)通過巧妙的設(shè)計(jì)也可以做到像連桿機(jī)構(gòu)那樣實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)。韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的Yoon等[39]利用電磁驅(qū)動(dòng)器開發(fā)了一款可以使撲動(dòng)翼同時(shí)實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的空間多自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其裝置示意圖如圖31[39]所示。Yoon等的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活且控制簡(jiǎn)單，是電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究的又一重大進(jìn)展。

圖30 可變共振頻率的電磁雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[38]Fig.30 Schematic diagram of electromagnetic double driving mechanism with variable resonance frequency [38]

圖31 空間多自由度電磁驅(qū)動(dòng)撲翼機(jī)構(gòu)示意圖[39]Fig.31 Schematic diagram of space multi-degree-of-freedom electromagnetic flapping wing mechanism[39]

1.3 靜電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

靜電驅(qū)動(dòng)器由于能量密度較低、驅(qū)動(dòng)電壓較高且變形較小，因而在最初的撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中很少使用。但是隨著飛行器尺寸的微小化，靜電換能器逐漸顯示出其優(yōu)越之處。由于靜電驅(qū)動(dòng)器通過電壓驅(qū)動(dòng)、易于集成和控制的特點(diǎn)，同時(shí)伴隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的發(fā)展，犧牲層刻蝕技術(shù)的開發(fā)，為靜電致動(dòng)技術(shù)的研究提供了可能的技術(shù)背景，使靜電致動(dòng)在微型致動(dòng)器的研究開發(fā)中占據(jù)了突出的位置[40]。

靜電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作過程中機(jī)械運(yùn)動(dòng)與靜電場(chǎng)相互耦合，呈現(xiàn)強(qiáng)非線性的特征，其動(dòng)態(tài)特性極其復(fù)雜，因此大多數(shù)關(guān)于靜電撲翼機(jī)構(gòu)的研究都集中在驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)特征上[41-43]。西北工業(yè)大學(xué)的侯宇等[44]建立了一種扭轉(zhuǎn)式靜電微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并利用數(shù)值方法研究了靜電撲翼驅(qū)動(dòng)器非線性耦合場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型示意圖如圖32[44]所示。該研究的結(jié)論為靜電撲翼驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

圖32 扭轉(zhuǎn)式靜電撲翼驅(qū)動(dòng)器的模型示意圖[44]Fig.32 Schematic diagram of torsional electrostatic flapping-wing actuator model[44]

早期的靜電微撲翼驅(qū)動(dòng)器均采用交流電壓，基于受迫振動(dòng)原理來驅(qū)動(dòng)撲動(dòng)翼上下?lián)鋭?dòng)[45]。這種驅(qū)動(dòng)器輸出位移太小，且交流電路體積較大，無法微型化，另外使用時(shí)容易出現(xiàn)吸合短路的危險(xiǎn)，因而一直未能成功普及使用。針對(duì)這些缺點(diǎn)，北京航空航天大學(xué)的楊藝和中國(guó)科學(xué)院的車云龍[46]共同提出了一種基于自激振動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)原理的微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)仿真，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖33[46]所示。正如Dickinson[47]的研究結(jié)果所述，若要實(shí)現(xiàn)飛行器撲動(dòng)翼的高升力特性，不僅要使撲動(dòng)翼具有較大的撲動(dòng)幅度和較高的撲動(dòng)頻率，還要在其撲動(dòng)過程中結(jié)合扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此楊藝和車云龍?jiān)趽鋭?dòng)翼根部安裝了柔性鉸鏈以實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼在撲動(dòng)過程中的被動(dòng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)證，該驅(qū)動(dòng)器在91 Hz的工作頻率下實(shí)現(xiàn)了±40°的撲動(dòng)幅度和±25°的扭轉(zhuǎn)幅度，并輸出了1.5 mg的升力，升重比較以往靜電微撲翼驅(qū)動(dòng)器有大幅度提升。

圖33 基于自激振動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)原理的微撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖[46]Fig.33 Schematic diagram of micro flapping wing driving mechanism based on self-excited vibration and electrostatic driving principle[46]

此外北京航空航天大學(xué)的嚴(yán)小軍等[48]也利用靜電撲翼驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一種自激式人工翅膀，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖34[48]所示。這種人工翅膀的設(shè)計(jì)同樣實(shí)現(xiàn)了在撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中附加扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的基本原理與文獻(xiàn)[46]所述的機(jī)構(gòu)相似。利用電路和驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的自激振蕩原理實(shí)現(xiàn)多條金屬梁的往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)撲動(dòng)翼撲動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，其能源可來源于直流電池，無需復(fù)雜的交流電路。自激振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)原理是靜電撲翼驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的又一重大突破。

圖34 自激式人工翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[48]Fig.34 Schematic diagram of self-excited artificial wing driving mechanism[48]

1.4 純機(jī)械式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

通過上述對(duì)各類傳統(tǒng)撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的列舉與分析可以總結(jié)出其特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)如下：

1) 基于直流電機(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了由簡(jiǎn)到繁，再由繁到簡(jiǎn)的發(fā)展歷程。隨著仿生學(xué)的逐漸深入，撲翼所具有的運(yùn)動(dòng)形式從最初的單一撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)逐漸發(fā)展到“撲動(dòng)—扭轉(zhuǎn)—彎曲折疊—揮擺”混合運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成規(guī)模也隨之由簡(jiǎn)到繁。由于人們對(duì)撲翼飛行器飛行效率的要求越來越高，希望將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損耗和重量盡可能降低，因而不得不將已經(jīng)變得極其復(fù)雜繁瑣的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)逐漸化簡(jiǎn)，以減少不必要的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副。

2) 隨著撲翼飛行器需要的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)量增多，基于直流電機(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展遇到了瓶頸。從機(jī)械學(xué)的角度講，一個(gè)機(jī)構(gòu)要求實(shí)現(xiàn)多少個(gè)自由度，就需要配備多少個(gè)電動(dòng)機(jī)。對(duì)于基于直流電機(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，自由度數(shù)量增多，意味著飛行器裝備的電動(dòng)機(jī)就要增多，這會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)變得極其笨重，以至于無法應(yīng)用。

3) 基于電磁鐵的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展迅速，應(yīng)用越來越廣泛。電磁驅(qū)動(dòng)器具有動(dòng)力強(qiáng)勁、輸出位移大、響應(yīng)迅速、供電電壓低、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而成為撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。但是由于電磁線圈相對(duì)其他電子元件而言體積較為龐大難以集成，限制了其在微型飛行器領(lǐng)域中進(jìn)一步發(fā)展。

4) 隨著仿生飛行器的尺度逐漸減小，電子技術(shù)不斷發(fā)展，靜電驅(qū)動(dòng)器在撲翼機(jī)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的可能性越來越大。由于靜電驅(qū)動(dòng)器的供電電壓較高，很難找到合適的能源設(shè)備裝備于仿生飛行器上，因此一直未能得到廣泛應(yīng)用。但是隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展，使得高能量密度電源的誕生具備了可能性。此外隨著靜電驅(qū)動(dòng)器理論的進(jìn)一步深入研究，發(fā)現(xiàn)隨著飛行器的尺度減小，靜電驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)越來越大，因此靜電驅(qū)動(dòng)器有可能在未來被廣泛裝備于微型撲翼飛行器中。

2 基于智能材料的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

智能材料(也稱為靈巧材料)是一種能感知外部刺激，并能進(jìn)行判斷處理，且自身可執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的材料[49]。將智能材料用于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是最近幾年仿生飛行器領(lǐng)域熱門的研究方向。首先智能材料在機(jī)械系統(tǒng)中既可以作為驅(qū)動(dòng)器又可以起到結(jié)構(gòu)的作用，因而可以對(duì)傳統(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行化簡(jiǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)小型化。其次智能驅(qū)動(dòng)器相比于直流電機(jī)、電磁驅(qū)動(dòng)器等傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器而言，運(yùn)動(dòng)形式較為靈活，通過合理設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)。此外多數(shù)智能驅(qū)動(dòng)器具有體積小、質(zhì)量輕、效率高的特點(diǎn)，更加適合小型仿生飛行器的設(shè)計(jì)。隨著智能材料的設(shè)計(jì)理論和制備技術(shù)逐漸發(fā)展，會(huì)有越來越多的微型撲翼飛機(jī)裝備智能驅(qū)動(dòng)器。目前研究和應(yīng)用較多的基于智能材料的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有壓電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、人工肌肉撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大類。

2.1 壓電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用壓電體的逆壓電效應(yīng)工作的，即在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形[50]，從而帶動(dòng)撲翼運(yùn)動(dòng)。壓電撲動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式主要分為3類，分別為壓電堆疊式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓電雙晶片式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電纖維撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這3類壓電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均得到了廣泛的應(yīng)用。

單一的壓電陶瓷產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)位移很小，在設(shè)計(jì)上經(jīng)常將多片壓電陶瓷堆疊在一起使用，因此形成了壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器。北京航空航天大學(xué)的李道春等[51]基于壓電片堆疊的原理發(fā)明了一種微型撲翼關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖35[51]所示。該關(guān)節(jié)主要由5部分組成，分別是前結(jié)構(gòu)桿、動(dòng)子、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、壓電定子和后結(jié)構(gòu)桿，其中前后結(jié)構(gòu)桿分別與飛行器的前翼和后翼相連。壓電定子包括驅(qū)動(dòng)頭、兩組壓電疊堆、電極和定子基座,其中兩組壓電疊堆的構(gòu)造相同,位移方向相互垂直。壓電疊堆的一端固定在定子基座上,另一端與驅(qū)動(dòng)頭固定。調(diào)節(jié)兩組壓電堆疊通電的相位差可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的正反方向運(yùn)動(dòng)。該關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度快、輸出力矩較大且精度高，因而有較好的發(fā)展前途。

壓電雙晶片是壓電陶瓷的另一種組合形式，它可以在電壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生彎曲變形，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖36[52]所示。西北工業(yè)大學(xué)的劉嵐等[53]使用壓電雙晶片設(shè)計(jì)了一款微撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器的工作原理是將壓電雙晶片作為懸臂梁，一端固定在機(jī)架上，一端與撲翼相連，壓電體在通電后可進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)撲翼產(chǎn)生位移，其工作原理圖如圖37[53]所示。為了擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)位移，他們提出一種撲動(dòng)翼共振激勵(lì)放大位移的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。此時(shí)作為懸臂梁的壓電雙晶片撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有2種主要振動(dòng)模態(tài)，一種是較低頻率的一階彎曲模態(tài)，另一種是較高頻率的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。當(dāng)激勵(lì)頻率接近一階彎曲固有頻率時(shí)可以實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼大幅度撲動(dòng)，當(dāng)激勵(lì)頻率接近一階扭轉(zhuǎn)固有頻率時(shí)可以實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼大幅度往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。只要撲動(dòng)翼彎曲與扭轉(zhuǎn)的固有頻率比較接近時(shí),選擇適當(dāng)?shù)募ふ耦l率就能得到所需要的撲動(dòng)與扭轉(zhuǎn)組合運(yùn)動(dòng)。

圖35 壓電堆疊式微型撲翼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成示意圖[51]Fig.35 Schematic diagram of piezoelectric stacked micro flapping wing joint structure composition[51]

圖36 壓電雙晶片結(jié)構(gòu)組成示意圖[52]Fig.36 Schematic diagram of piezoelectric bimorph structure composition[52]

圖37 基于撲動(dòng)翼共振放大機(jī)理的壓電雙晶片撲翼驅(qū)動(dòng)器原理示意圖[53]Fig.37 Schematic diagram of piezoelectric bimorph flapping-wing actuator based on wings resonance amplification mechanism[53]

壓電纖維復(fù)合材料(MFC)具有驅(qū)動(dòng)變形能力強(qiáng)、機(jī)電響應(yīng)速度快、柔性良好等多種優(yōu)點(diǎn)[54]，并且因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征使得其驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)于整體壓電晶片[55]，因而也被廣泛應(yīng)用于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。寧波大學(xué)的吳高華等[56]使用壓電纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一款仿生撲翼機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖38[56]所示。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用三級(jí)杠桿將壓電纖維驅(qū)動(dòng)器的輸出位移放大后帶動(dòng)撲翼運(yùn)動(dòng)，因此具有撲動(dòng)幅度大、平衡性好、飛行動(dòng)力強(qiáng)勁等優(yōu)點(diǎn)。但是多級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)路徑較長(zhǎng)，可能會(huì)造成一些的功率損失。

圖38 柔性壓電纖維撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[56]Fig.38 Schematic diagram of flexible piezoelectric fiber flapping-wing driving mechanism[56]

單獨(dú)壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移較小，大多數(shù)情況下無法滿足撲翼機(jī)構(gòu)的工作需求，因此壓電驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常要與位移放大機(jī)構(gòu)配合使用。新加坡國(guó)立大學(xué)Zhang等[57]研發(fā)了一種滑塊式位移放大機(jī)構(gòu)(SIDM)，其機(jī)構(gòu)組成示意圖如圖39[57]所示。該飛行器使用壓電晶體作為驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力源，壓電晶體在交流電的作用下發(fā)生往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，而后再經(jīng)過滑塊搖桿機(jī)構(gòu)將位移放大輸出給翼，從而實(shí)現(xiàn)翼的大幅度撲動(dòng)。飛行器整體壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖如圖40[57]所示。

圖39 滑塊搖桿位移放大機(jī)構(gòu)組成示意圖[57]Fig.39 Schematic diagram of slider rocker displacement amplification mechanism[57]

美國(guó)加州大學(xué)的Sitti[58]也研發(fā)了一款壓電驅(qū)動(dòng)的微型撲翼飛行器，他們采用柔性四桿機(jī)構(gòu)對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移進(jìn)行放大，其機(jī)構(gòu)組成示意圖如圖41[58]所示。該機(jī)構(gòu)中的柔性鉸鏈不僅沒有摩擦損耗，還可以充分吸收機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊振動(dòng)，并且還對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行調(diào)節(jié)儲(chǔ)存，因而該機(jī)構(gòu)具有較高的傳動(dòng)效率，有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖40 基于SIDM的壓電撲動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[57]Fig.40 Schematic diagram of piezoelectric flapping wing driving mechanism based on SIDM [57]

圖41 使用柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖[58]Fig.41 Sketch of piezoelectric driving mechanism using flexible hinge amplification[58]

2.2 人工肌肉撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

人工肌肉根據(jù)其能量來源和材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為外在收縮式和內(nèi)在收縮式2種[59]。外在收縮式人工肌肉又分為氣動(dòng)人工肌肉和液壓人工肌肉，由于其動(dòng)力源較為龐大，因而不適合裝備撲翼飛行器。內(nèi)在收縮式是一種對(duì)外界激勵(lì)有簡(jiǎn)單響應(yīng)的材料，其中研究最為廣泛的是電活性聚合物(EPA)。EPA在電場(chǎng)或電流刺激下，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生變形，其變形量比形狀記憶合金(SMA)和電活性陶瓷高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)EPA還具有質(zhì)量輕、柔性好、無噪聲等特點(diǎn)，與真實(shí)肌肉的性能極為相似，甚至在某些方面超越了真實(shí)肌肉[60]，因而可用于仿生飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。EPA按照其驅(qū)動(dòng)機(jī)理可分為電子型EPA和離子型EPA，由于電子型EPA的驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)千伏，因此也不適合做仿生飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；而離子型EPA的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向電壓較低，且效率較高，因此可以用于制作仿生撲翼驅(qū)動(dòng)器[59]。在所有的離子型EPA中，離子聚合物金屬復(fù)合材料(Ionic Polymer Metal Composites，IPMC)的響應(yīng)速度較快且變形量較大，被廣泛用于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖42[61]為IPMC人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的工作原理示意圖，當(dāng)IPMC人工肌肉兩側(cè)存在電勢(shì)差時(shí)，IPMC向陽極彎曲。若對(duì)其施加交流電，可以實(shí)現(xiàn)IPMC的往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)，從而可帶動(dòng)翼撲動(dòng)。

圖42 IPMC人工肌肉驅(qū)動(dòng)器工作原理示意圖[61]Fig.42 Schematic diagram of working principle of IPMC artificial muscle actuator[61]

廈門大學(xué)的徐兵[62]曾用IPMC設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)和扭轉(zhuǎn)三維運(yùn)動(dòng)的撲翼驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖43[62]所示(其中IPMC使用圖案化電極)。同時(shí)他還對(duì)IPMC的性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明IPMC各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足撲翼驅(qū)動(dòng)器的要求。

圖43 使用圖案化電極的IPMC人工肌肉撲翼驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)示意圖[62]Fig.43 Schematic diagram of test specimen of IPMC artificial muscle flapping wing actuator using patterned electrodes[62]

智能驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的智能材料的性質(zhì)進(jìn)行“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，于是人們開始嘗試設(shè)計(jì)采用混合驅(qū)動(dòng)方式的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)沈陽自動(dòng)化研究所的李洪誼等[63]研發(fā)了一種人工肌肉與電磁混合驅(qū)動(dòng)的仿蠅機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖44[63]所示。這款機(jī)器人采用電磁驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)撲動(dòng)翼的往復(fù)撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，充分發(fā)揮了電磁驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)迅速、撲動(dòng)位移大的優(yōu)勢(shì)；采用IPMC人工肌肉配合柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)撲動(dòng)翼的主動(dòng)扭轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮了IPMC運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。這款撲翼飛行器可以在飛行過程中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)彎的功能，從而其環(huán)境適應(yīng)性得以大幅度使提升。

圖44 人工肌肉與電磁混合驅(qū)動(dòng)的仿蠅機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成示意圖[63]Fig.44 Schematic diagram of fly-like robot driven by artificial muscle and electromagnet[63]

吉林大學(xué)的孫霽宇等[64]也利用電致人工肌肉設(shè)計(jì)了一種自調(diào)節(jié)變形可折疊翼機(jī)構(gòu)用于裝備撲翼飛行器。該產(chǎn)品巧妙地將人工肌肉和連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了撲動(dòng)翼的彎曲折疊，其裝置示意圖如圖45[64]所示。在飛行過程中，人工肌肉驅(qū)動(dòng)器受單片機(jī)的控制，能夠快速精準(zhǔn)地完成收翼和展翼的動(dòng)作。

圖45 基于電致人工肌肉驅(qū)動(dòng)的自調(diào)節(jié)變形可 折疊翼機(jī)構(gòu)示意圖[64]Fig.45 Schematic diagram of self-adjusting deformable foldable wing mechanism based on electro-induced artificial muscle driving[64]

國(guó)外的研究者也對(duì)人工肌肉撲翼驅(qū)動(dòng)器做過相關(guān)研究，Kim等[65]曾對(duì)IPMC人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)力、輸出位移等)做過測(cè)試，結(jié)果表明其性能指標(biāo)能夠滿足撲翼飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求。此外他們還制作了一款由IPMC驅(qū)動(dòng)的人工撲翼用于進(jìn)一步試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖46[65]所示。

圖46 實(shí)驗(yàn)用IPMC驅(qū)動(dòng)的人工撲翼結(jié)構(gòu)示意圖[65]Fig.46 Schematic diagram of artificial flapping wing driven by IPMC in experiment [65]

此外美國(guó)佐治亞理技術(shù)研究院的Entomopter等[66]曾研究了一種名為“Entomopter”的微型撲翼飛行器，其樣機(jī)示意圖如圖47[66]所示。這種飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由往復(fù)式化學(xué)肌肉(RCM)制成。其驅(qū)動(dòng)的原理是向化學(xué)肌肉中注射一定量的化學(xué)燃料，使其在肌肉內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能以驅(qū)動(dòng)化學(xué)肌肉做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)撲翼的上下?lián)鋭?dòng)。這種機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，但是化學(xué)反應(yīng)不易控制，因而未能廣泛使用。

圖47 化學(xué)肌肉驅(qū)動(dòng)的微型撲翼飛行器樣機(jī)示意圖[66]Fig.47 Schematic diagram of micro flapping wing aircraft driven by chemical muscle[66]

隨著人工肌肉制備技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一種性能更加優(yōu)良的電致驅(qū)動(dòng)人工肌肉，即PVC凝膠人工肌肉(PVC-Gel)。PVC-Gel驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度快、輸出力大、驅(qū)動(dòng)位移大、柔性良好等優(yōu)點(diǎn)，故而有潛力被用于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。工程上常將多片PVC-Gel驅(qū)動(dòng)器堆疊應(yīng)用，故而稱為PVC-Gel堆疊驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖48[67]所示。

圖48 PVC-Gel堆疊驅(qū)動(dòng)器組成示意圖[67]Fig.48 Schematic diagram of PVC-Gel stack actuator composition[67]

2.3 基于智能材料的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)上述對(duì)各種基于智能材料的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的列舉和分析，可以總結(jié)其特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)如下：

1) 在微小型撲翼飛行器中，壓電驅(qū)動(dòng)器得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)也較為成熟。壓電驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度極快，且驅(qū)動(dòng)力大，容易精確控制，其驅(qū)動(dòng)位移小的缺點(diǎn)也可以采用相應(yīng)的位移放大機(jī)構(gòu)得以補(bǔ)償，因而被廣泛應(yīng)用于微小型撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2) 隨著材料學(xué)和化學(xué)制備技術(shù)的逐步發(fā)展，將有越來越多的人工肌肉用于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。人工肌肉具有輸出位移大、運(yùn)動(dòng)靈活、柔韌性強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)，因而受到撲翼飛行器研究者的青睞。另外使用人工肌肉可以方便地實(shí)現(xiàn)撲翼更多自由度的運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)是其他類型驅(qū)動(dòng)器無法與之相比的。

3) 多自由度的撲翼飛行器可以采用組合動(dòng)力形式。智能材料的使用要點(diǎn)之一是“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，應(yīng)當(dāng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求和各種類型智能材料的特點(diǎn)合理布置驅(qū)動(dòng)器，從而多自由度撲翼飛行器的高效飛行。

3 柔性結(jié)構(gòu)在撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

自然界中鳥類與昆蟲的骨骼、關(guān)節(jié)以及翅膀均具有一定的柔性。各國(guó)的研究者們對(duì)飛行生物的這一特點(diǎn)展開了大量的研究。為了使撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)更真實(shí)地模擬鳥類與昆蟲的生理結(jié)構(gòu)，研究者們逐漸將一些柔性結(jié)構(gòu)用于撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。從機(jī)械學(xué)的角度分析，可以認(rèn)為撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副2部分組成。因此目前柔性結(jié)構(gòu)在撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用情況可大致分為2類，一類是柔性化運(yùn)動(dòng)副，另一類是柔性化構(gòu)件。

柔性化運(yùn)動(dòng)副又可分為2種使用方式，一種是剛性鉸鏈與彈簧組合使用，另一種是直接采用柔性鉸鏈代替原始的剛性鉸鏈。中國(guó)民航大學(xué)的張威等[68]針對(duì)剛性鉸鏈與彈簧組合使用方式對(duì)撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能影響建立了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，其計(jì)算模型示意圖如圖49[68]所示。計(jì)算結(jié)果表明合理地使用柔性結(jié)構(gòu)可以使電動(dòng)機(jī)的負(fù)載變得均勻，其轉(zhuǎn)速也可以變得更穩(wěn)定，這樣不僅可以大幅度提高驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率，還可以顯著延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

圖49 剛性鉸鏈與彈簧組合使用情形下的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算模型示意圖[68]Fig.49 Schematic diagram of calculation model of driving mechanism with combined use of rigid hinge and spring[68]

將機(jī)構(gòu)中的一些剛性鉸鏈直接替換為柔性鉸鏈可以顯著降低運(yùn)動(dòng)副間的摩擦損耗，并可以起到一定的減重效果，目前這種設(shè)計(jì)理念很受人們歡迎。南洋理工大學(xué)的Lau等[69]設(shè)計(jì)了一款名為“Dipteran”的微撲翼飛行器，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成示意圖如圖50[69]所示。

圖50 “Dipteran”微撲翼飛行器柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[69]Fig.50 Schematic diagram of flexible driving mechanism of “Dipteran” micro flapping wing aircraft[69]

研究者將傳統(tǒng)的曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的一部分剛性旋轉(zhuǎn)鉸鏈替換為柔性鉸鏈以構(gòu)成柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明這種使用柔性鉸鏈直接替代剛性鉸鏈的設(shè)計(jì)理念可以節(jié)省更多的能量。

剛性鉸鏈與柔性元件組合使用的方式在發(fā)揮柔性結(jié)構(gòu)緩沖、吸振、節(jié)能的作用同時(shí)，還可以保證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副具有足夠的強(qiáng)度，且設(shè)計(jì)方案便于實(shí)現(xiàn)。直接使用柔性鉸鏈替換剛性鉸鏈的使用方式盡管可以實(shí)現(xiàn)減摩減重的功效，但是柔性鉸鏈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中極易出現(xiàn)疲勞破壞，其強(qiáng)度問題將成為設(shè)計(jì)過程的難點(diǎn)。

撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件包括傳動(dòng)構(gòu)件(連桿、搖臂等)和執(zhí)行構(gòu)件(撲動(dòng)翼)。將剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的一些剛性構(gòu)件替換為柔性構(gòu)件可以使機(jī)構(gòu)大幅度簡(jiǎn)化，顯著減少運(yùn)動(dòng)副的使用，從而起到減重、減摩、減振、降噪的作用。柔性構(gòu)件的引入還可以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順性，提高飛行器的飛行效率。武漢科技大學(xué)的屠凱等[70]設(shè)計(jì)了一種柔性空間四桿機(jī)構(gòu)用于研究撲翼飛行器各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)氣動(dòng)力的影響，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成示意圖如圖51[70]所示。實(shí)驗(yàn)者使用Adams軟件建立了撲翼機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析了該柔性機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，證明機(jī)構(gòu)可以滿足仿生飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

柔性連桿與柔性鉸鏈一樣，在使用過程中同樣存在疲勞損壞的問題，另外存在柔性連桿的撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在仿真計(jì)算過程中需要考慮柔性連桿的非線性大變形問題，這將使得機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程變得繁瑣復(fù)雜。從效率、重量、強(qiáng)度等多方面考慮，柔性連桿比較適用于仿昆蟲等微型撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，而在仿鳥類等中大型撲翼飛行器中的應(yīng)用則需要進(jìn)一步研究探索。

撲翼飛行器的撲動(dòng)翼是其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行構(gòu)件，它的結(jié)構(gòu)形式同樣影響著驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能。隨著仿生飛行器的深入發(fā)展，柔性撲動(dòng)翼越來越受人們的關(guān)注。鳥類的翅膀具有一定的柔性，可以根據(jù)不同的飛行環(huán)境主動(dòng)或被動(dòng)地調(diào)整其外在形狀，以便獲得更高的飛行效率。因此人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高仿鳥飛行器的飛行效率，也開始使用柔性撲動(dòng)翼來裝備撲翼飛行器。西北工業(yè)大學(xué)的年鵬等[71]研發(fā)了一種翼根附有翼型的柔性撲翼，其翼結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖52[71]所示。通過風(fēng)洞試驗(yàn)證明該種柔性撲動(dòng)翼可以明顯改善撲翼飛行器的飛行性能。

圖51 柔性空間四桿機(jī)構(gòu)組成示意圖[70]Fig.51 Schematic diagram of spatial flexible four-bar mechanism composition[70]

圖52 翼根附翼型的柔性撲翼結(jié)構(gòu)示意圖[71]Fig.52 Schematic diagram of flexible flapping wing with airfoil attached to root[71]

4 結(jié) 語

撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)種類繁多，且各有特點(diǎn)。從目前的發(fā)展形勢(shì)看，基于直流電機(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣泛，且技術(shù)也較為成熟。但是隨著人們對(duì)撲翼飛行器運(yùn)動(dòng)靈活性和飛行效率的要求越來越高，基于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)遇到了發(fā)展瓶頸，人們不得不探索新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?；谥悄懿牧系膿湟眚?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)成為了目前仿生飛行器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，壓電、人工肌肉等新材料大量應(yīng)用于撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。為了進(jìn)一步提高撲翼飛行器的飛行效率，人們嘗試將柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)用到撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，并取得了較為顯著的成果。

[21] 魏榛,高東奇,賈立超,等.一種用于研究鷹蛾懸停飛行的撲翼實(shí)驗(yàn)裝置[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2010,25(4):393-400.

WEI Z, GAO D Q, JIA L C, et al. A flapping-wing experimental device for studying hovering flight of hawk moth [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2010,25 (4): 393-400 (in Chinese).