【文章內(nèi)容簡介】 心面附近將形成一個方向與來流方向相反的流動區(qū)域，如圖12所示，這是帶來阻力的尾渦的特征。反之，當位于尾渦中心面上方的一組渦按逆時針轉(zhuǎn)動，而位于下方的按順時針轉(zhuǎn)動時，在尾渦中心面附近形成一個量值更大且方向與前方來流方向一致的流動區(qū)域，如圖13所示，此時尾渦誘導出推進力。在滑翔飛行時，動物身后形成的尾渦與圖12中的性質(zhì)相同，此時它們的飛行阻力具有較大的渦阻含量。而當動物進行簡單撲翼時，撲翼誘導出的則是與圖2一巧中性質(zhì)相同的尾渦，于是撲翼上便有推力的產(chǎn)生。類似圖13的簡單撲翼使很大一部分撲翼功率以渦的形式消耗在尾渦中，除非撲翼頻率非常低，否則推進效率相當?shù)?。圖12 誘導出阻力的尾渦圖13 誘導出推力的尾渦昆蟲的飛行機理要比鳥類的飛行機理復雜的多，昆蟲的飛行雷諾數(shù)遠遠小于鳥類，傳統(tǒng)的空氣動力學無法解釋昆蟲在低雷諾數(shù)環(huán)境下飛行。然而，昆蟲在飛行時能攜帶兩倍于自身重量的物品，其飛行技巧也是令人驚嘆的，是任何現(xiàn)有的飛行器所無法比擬的。參照螺旋槳推進理論中的前進比 (Advance Ratio，亦稱相對進距)定義，可以定義撲翼飛行中的前進比J為飛行速度與撲翼翼尖運動的平均速度之比。其中u是飛行速度，l是迎長，f是撲翼頻率，為弧度表示的撲翼幅度。一般地，非定常飛行狀態(tài)時前進比J1，而準定常以及定常飛行時的前進比Jl。自然界的大黃蜂、。一般來說，體重小于55g的昆蟲和一些鳥類都處于非定常區(qū)域。所以，昆蟲包括小鳥的飛行機理要用非定常空氣動力學解釋。要解釋昆蟲的高升力機理，必須先弄清其翅膀的結(jié)構(gòu)，昆蟲的高升力與其翅膀的微妙結(jié)構(gòu)是分不開的。雖然昆蟲種類繁多，翅膀形狀和結(jié)構(gòu)也各不相同，但具有很多共同點。如圖14所示，通常翅膀形狀呈三角型，具有三邊:靠近頭部的稱為前緣，靠近尾部稱為內(nèi)緣和后緣，其余一邊稱為外緣。但在昆蟲飛行機理和生飛行進行，照固定基語，后和外同稱為后緣。圖14 昆蟲翅膀的形狀和結(jié)構(gòu)一些昆蟲翅膀厚度只要1微米，卻能承受住飛行中產(chǎn)生的強大氣動力，主要是因為翅膀是由堅韌而又富有彈性以及具有一定剛度翅脈組成。翅脈由縱向翅脈和橫向翅脈組成，就像骨架一樣對翅面起著支撐、加固作用。縱向翅脈沿翅長度方向外伸，類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，其橫截面在翅根部較大并由翅根向翅尖逐漸減小，橫向翅脈將縱向翅脈相互連接在一起，縱橫向翅脈連接后類似于桁架結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上來說提供了很大的強度和剛度。昆蟲為了在飛行過程中產(chǎn)生足夠升力，就不能只是簡單地、不加扭轉(zhuǎn)地反復撲動兩翅，需要通過翅膀的靈巧變形，利用空氣動力學效應來產(chǎn)生足夠有效的升力。昆蟲使其翅靈巧變形的方法很多，而下面幾種是最常用的：第一，昆翅都能在一定范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，因而在撲翅過程中其迎角不斷變化，這點和鳥的翅膀一樣，翅翼發(fā)生螺旋形狀扭轉(zhuǎn)，很像螺旋槳的推進面的彎曲形狀。同時也利用翅膀撲動過程中和渦相關的非定常機理來產(chǎn)生大部分升力。第二，翅的彎度(翅前緣到后緣的凸曲線的曲率)能夠改變。風洞測試表明，同樣大小的兩塊板在不失速的前提下，彎度越大的板獲得的升力越大。仿生學研究表明，昆翅在一個撲動循環(huán)中有大部分時間是彎曲的。第三，昆蟲能夠改變其翅翼的受力面積，使上下?lián)鋭赢a(chǎn)生升力系數(shù)差。生物學研究表明:有些種類的蝴蝶能夠通過改變前后翅的相互疊合程度來改變翅的總面積?；认x則能在上撲時將其后翅收縮到半折疊狀態(tài)，以減小其后翅面積。第四，昆蟲能采用傾斜的撲翅平面，使得其在向前飛行時，翅下?lián)湎鄬εc空氣的速度要大于上撲時。當需要使用接近水平面的撲翅平面時，昆蟲會將其整個軀體向前傾斜來做到這一點。生物學研究表明，構(gòu)成昆蟲翅膀的生物材料非常剛硬，也具有較大的彈性模量，柔性對于飛行是有益的，翅膀柔性越大，飛行機動性和靈活性越大。昆翅在一個撲動循環(huán)中的運動可以分為四個部分:當翼翅以很大的攻角在空氣中掃掠時的兩個平動(下?lián)]和上揮)和當翼翅在轉(zhuǎn)變掃掠方向時的兩個快速轉(zhuǎn)動(順翅和反翅)。在這個過程中，昆蟲通過翅膀的變化就能產(chǎn)生大于自身體重許多倍的升力，有關這個過程非定常流動機制的解釋主要有：(1)拍擊與揮擺(Clap and Fling)拍擊一揮擺機制可以分為四個過程，如圖15所示。首先，兩翅總是在其向上撲動的頂點處拍到一起(A)。然后兩翅繞其后緣逐漸旋轉(zhuǎn)并從前緣處分開(B)。這時兩翅間夾角增大，強迫空氣流入兩翅分開時造成的真空中，隨著兩翅交角增大，空氣流動使得翅表面很快形成兩個相反的附體環(huán)流(C)。當翅張開到一定角度，兩分開，各自撲動，這時翅表面各有一個附體環(huán)流，使得下?lián)鋾r產(chǎn)生盡可能大升力(D)。這種靠翅膀旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生環(huán)流及升力的機理還未完全得到了解，但事實上多飛行動物都利用這一機制，如鴿子起飛時所需要的大升力便是由翅膀背部拍揮擺而產(chǎn)生的。圖15合攏和分開機制(2)前緣渦和延遲失速昆蟲翅膀以大迎角撲動時，由于在翅膀前緣處有壓力梯度，流體在前緣處產(chǎn)生分離，便形成如圖16（a）所示前緣渦。由于渦的快速轉(zhuǎn)動，在翅上表面形成低壓區(qū)，因而產(chǎn)生升力。前緣渦產(chǎn)生能瞬時增大升力，渦的分離又會使升力順時減小，但昆蟲翅膀不會像飛機機翼一樣由于分離而發(fā)生失速現(xiàn)象。前緣渦產(chǎn)生后就向上表面后緣流去，由于在很短的瞬間內(nèi)，翅膀的快速翻轉(zhuǎn)使前緣渦不會與翼翅分離，此時渦又重新附著在前緣，使得翅前緣在整個撲動過程中都有前緣渦附著，都有升力產(chǎn)生，從而形成延遲失速。(3)旋轉(zhuǎn)環(huán)流當翼翅接近折返點時，.翼翅開始繞著展向軸快速轉(zhuǎn)動，如圖16(b)、(c)、(d)所示，此時翼翅的轉(zhuǎn)動增加了圍繞翼翅的轉(zhuǎn)動環(huán)量，同樣使得翼翅的升力獲得增加。這是一種與馬格斯(Magnus Effect)性質(zhì)相同的機制。(4)尾流捕獲尾流捕捉機制如圖16(e)所示。昆蟲翅膀每一次拍動后都產(chǎn)生一個誘導尾渦，這是由翅膀在流體中平動和旋轉(zhuǎn)引起的。翅膀拍動速度特別快，在前一行程尾流還沒來得及散開時，翅膀迅速改變方向，向后推動這個攪動空氣。撲翼使很大一部分撲翼功率以渦的形式消耗在翅尾渦中，而尾流捕獲恰好能有效回收損失的能量，提高昆蟲飛行效率，顯著地增加了翼翅的升力。圖16 昆蟲撲翼產(chǎn)生高升力的機制5 撲翼飛行機器人的設計及分析仿生翼及其運動系統(tǒng)是仿生撲翼飛行機器人的關鍵所在，能否設計出結(jié)構(gòu)合理、工作效率高的仿生翼及其運動系統(tǒng)是整個機器人設計成敗的決定性環(huán)節(jié)。翼的結(jié)構(gòu)及運動方式對動物的飛行起著非常重要的作用。從總體來看，目前對仿生翼的研究是零散的，尚缺乏深層次系統(tǒng)和全面的理論研究。本文在對撲翼飛行有了一定的理解后，對撲翼機器人進行仿生機械設計、分析。對撲翼機器人的設計重要集中在以下幾個方面進行：撲翼運動機構(gòu)的設計、仿生翼的設計、動力源設計、運動控制機構(gòu)的設計、機器人控制系統(tǒng)的設計。我們可以得到如圖17的仿生撲翼飛行機器人的主要組成部分示意圖。圖17 仿生撲翼飛行機器人的主要組成部分參考國內(nèi)外的文獻，我們可以看到，根據(jù)所設計的撲翼機器人是仿鳥還是仿昆蟲，撲翼運動機構(gòu)的種類主要有兩種。一種是連桿機構(gòu)，由電動機驅(qū)動；一種是共振機構(gòu)，由壓電晶體的逆壓電效應驅(qū)動。這兩種機構(gòu)都可以有效的產(chǎn)生圍繞某軸的搖桿運動，從而驅(qū)動仿生翼進行撲翼運動，產(chǎn)生升力和前進力。但是這兩種機構(gòu)又各有各的特點，連桿機構(gòu)的特點是撲翼運動的幅度較大，可以產(chǎn)生較大的升力和前進力，并且機構(gòu)容易實現(xiàn)，有很成熟的機械設計機構(gòu)可以參考，但是也存在著一定的問題，那就是結(jié)構(gòu)較大，較為容易磨損，只能用于仿真“較大”的鳥類或昆蟲，要應用于仿真較小的鳥類或昆蟲，則須依靠MEMS技術，這就受制于MEMS技術的水平程度。這種機構(gòu)應用比較成熟，有較多的成功的案例，給撲翼式機器人帶來了希望。共振機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡單，且結(jié)構(gòu)尺寸明顯減小，可以用于仿真尺寸很小的昆蟲類，它利用壓電晶體的逆壓電效應，用電壓產(chǎn)生的相應壓電晶體的位移來作為直線驅(qū)動，并未驅(qū)動中間傳遞機構(gòu)，而是直接利用電壓來驅(qū)動“翅”來產(chǎn)生相應的擺動。這種“翅”利用單層或者多層壓電晶體與彈性層（如薄鋼片）橫向或縱向疊加而成，當給壓電晶體通電的時候，壓電晶體產(chǎn)生一定的位移，帶動彈性層一起運動，當電壓的頻率較高時，翅膀振動的頻率就較高，當振動的頻率與機構(gòu)的固有頻率相同時，整個機構(gòu)就會產(chǎn)生共振，這時翅膀振動的幅值最大，產(chǎn)生的升力也就最大，最終實現(xiàn)撲翼飛行。但是這種機構(gòu)也有它本來的缺陷。首先是振動所需的電壓較大，很難由電池供應，其次壓電晶體振動產(chǎn)生的位移相當小，為微米量級，需要較好的位移放大機構(gòu)方能實現(xiàn)，最后就是振動的情況很難控制。雖然這種機構(gòu)存在著種種的缺陷和未解決的問題，但是這種機構(gòu)的尺寸可以制作的非常小，距離我們希望的尺寸相當接近，是撲翼機器人的未來。綜合考慮兩種撲翼運動機構(gòu)的優(yōu)缺點和自己所具有的知識范圍，選擇連桿機構(gòu)作為這次撲翼機器人的運動機構(gòu)。撲翼機構(gòu)外形的要求主要是左右對稱，左右搖桿要對稱并同步撲翼動作。因此，我們設計的連桿機構(gòu)也要保證以下幾點：1）撲翼機構(gòu)的自由度為一。2）需要有一桿件作為固定機架。3）需要有一桿件作為輸入桿。4）需要有不同的兩個桿件作為左、右翅膀桿。5）需使左、右翅膀桿和機架連接，能產(chǎn)生左、右對稱的撲翼動作，即要求左、右翅膀桿撲動動作要同步。6）機架有多接頭來連接其他桿件。7）輸入桿可為曲柄或者滑塊，且輸入桿和機架只能以轉(zhuǎn)動副或移動副連接。8）左、右翅膀桿件都為搖桿，必須都與機架連接，且接頭只有轉(zhuǎn)動副，以保證翅膀桿在撲動過程中長度不變。9）左、右翅膀桿的運動要有急回特性，使仿生翼具有更好的氣動性能，來獲得有效升力。10）要盡可能少的桿件，保證撲翼機構(gòu)的緊湊、輕巧。以下是幾種撲翼機構(gòu)的示意圖（圖18），下面將對它們進行對比分析。（a） （b）圖18 滿足設計條件的撲翼機構(gòu)撲翼機構(gòu)主要將往復運動和旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成撲翼運動，輸入構(gòu)件的特點決定采取何種輸入來產(chǎn)生對稱同步的撲翼運動。如圖18(a)所示，當撲翼機構(gòu)的輸入是桿件時，可以用具有回轉(zhuǎn)運動特性的機構(gòu)來驅(qū)動，如齒輪，且傳動的效率也很高。如圖18(b)而當輸入是滑塊時，要實現(xiàn)撲翼運動就要將一些具有往復運動特性的機構(gòu)應用到驅(qū)動機構(gòu)機構(gòu)，常見的簡單緊湊的往復運動機構(gòu)有往復移動從動件凸輪機構(gòu)、曲柄移動倒桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)等。但凸輪機構(gòu)和滑塊機構(gòu)難以保證良好的潤滑，比壓也較大，容易磨損等。最終通過比較幾種機構(gòu)的可靠性和耐用性，選擇如圖18(a)的撲翼機構(gòu)。為了計算設計撲翼機構(gòu)，我們首先要確定撲翼的翼展、撲動頻率以及撲動幅度等參數(shù)。Tennekes給出了一個包括鳥類、昆蟲和飛機的若干參量間的關系圖，如表1所示，總結(jié)了各類飛行物的巡航速度、重量和翼載荷之間的關系，顯示了目前所研究的飛行器的速度和重量范圍。表1 鳥類的參數(shù)與鳥體質(zhì)量的關系首先我們先估算撲翼的各種基本參數(shù)：1）翼展估計樣機的總重量為200g，利用表中的鳥類的翼展的關系式，我們可以求得翼展的大小為：2）翼面積由表中關系式可知，翼面積為：3）撲翼頻率由表中關系式可知，撲翼頻率為：4）功率最小功率使用表中關系式求得，為：5）飛行速度圖19是Pennycuick就鳥類飛行速度和質(zhì)量關系的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其結(jié)果是鳥類在常規(guī)穩(wěn)態(tài)平飛情況下得到。假設空氣流動靜止，那么對飛行機器人的來流速度相對就是飛行機器人的飛行速度，和鳥體質(zhì)量關系可以近似用如下公式來表示:圖19 鳥類飛行速度與其質(zhì)量關系圖6）撲動幅度角首先介紹斯德魯哈爾數(shù)，它表征了就地導數(shù)和位變導數(shù)之比。就地導數(shù)反映了流場的非定常性所引起的速度變化，而位變導數(shù)則反映了流場的不均勻性所引起的速度變化。對于撲翼飛行動物而言，其斯德魯哈爾數(shù)可定義為:其中，f為撲翼頻率，為振幅(即翅尖上限位置與下限位置的直線距離)，U為飛行速度。對于效率較高的飛行動物而言。由振幅和翼展的幾何關系式可得翅的撲動幅度角，同時忽略翼展的變化(即不考慮翅的折疊運動)，可得撲動幅度角為:式中、分別為飛行速度、撲翼頻率、單翼展。對于所研制的仿生撲翼飛行機器人樣機，可取St=。仿生翼型與真正的鳥翼在氣動性能方面(如流線型、翼剖面的形狀)還有差距，薄膜翼型的質(zhì)量也遠遠小于真實鳥翼，樣機采用大翼低頻率，參考以上幾點參數(shù)，