張弘志，宋筆鋒，孫中超，汪亮

西北工業(yè)大學 航空學院，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)用價值。撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)是影響整機飛行性能的關(guān)鍵因素之一。隨著人們對撲翼飛行器性能的要求越來越高，撲翼飛行器的驅(qū)動機構(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)動機構(gòu)。本文將對傳統(tǒng)純機械式撲翼驅(qū)動機構(gòu)和基于智能材料的撲翼驅(qū)動機構(gòu)做詳細的綜述，并總結(jié)各類驅(qū)動器的特點和發(fā)展趨勢。此外，柔性結(jié)構(gòu)的使用提高了撲動驅(qū)動機構(gòu)的性能，受到了國內(nèi)外許多研究者的關(guān)注，因此本文還將簡要分析柔性結(jié)構(gòu)在撲動驅(qū)動機構(gòu)中的應(yīng)用方式與效果。

1 純機械式驅(qū)動機構(gòu)

純機械的撲翼驅(qū)動機構(gòu)主要有基于直流電機的驅(qū)動機構(gòu)、基于電磁鐵的驅(qū)動機構(gòu)和靜電撲翼驅(qū)動機構(gòu)3大類。基于直流電機的驅(qū)動機構(gòu)的工作原理是利用各種機械傳動機構(gòu)將電機輸出的連續(xù)回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為撲動翼的往復撲動運動，從而實現(xiàn)飛行器的撲翼飛行?；陔姶盆F的驅(qū)動機構(gòu)則是通過交變的電磁場直接驅(qū)動撲動翼往復運動。而靜電撲翼驅(qū)動機構(gòu)則是利用交變的靜電場驅(qū)動場內(nèi)帶電體往復運動，從而帶動撲翼撲動。

1.1 基于直流電機的撲翼驅(qū)動機構(gòu)

基于直流電機的撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計核心在于運動變換裝置的選取。常見的將連續(xù)回轉(zhuǎn)運動變換為往復撲動運動的機械裝置有連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和繩輪機構(gòu)等。這些變換裝置中連桿機構(gòu)使用最廣泛，其技術(shù)也已經(jīng)趨于成熟。

最早出現(xiàn)的也是最簡單的連桿機構(gòu)為單曲柄雙搖桿機構(gòu)，國外也將其稱為前置雙推桿機構(gòu)[1]。這種驅(qū)動機構(gòu)的工作原理是一個做回轉(zhuǎn)運動的曲柄通過2個連桿帶動2個擺動的搖桿以實現(xiàn)兩側(cè)鳥翼的撲動運動，其機構(gòu)運動簡圖如圖1[2]所示。該機構(gòu)只有一個自由度，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，構(gòu)件較少質(zhì)量較輕，且傳動效率較高。但是由于兩側(cè)撲翼運動的相位不完全對稱，兩側(cè)鳥翼產(chǎn)生的氣動力會有所差異[3]，因而使用該種驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計的仿鳥飛行器飛行不穩(wěn)定，不易控制，容易出現(xiàn)墜機的危險。利用單曲柄雙搖桿機構(gòu)設(shè)計的典型撲翼飛行器有特拉華大學的Pornsin-Sirirak等[4]的電動微型仿鳥飛行器“Microbat”(驅(qū)動機構(gòu)示意圖見圖2[4])、中國臺灣的中華大學Tsai和Fu[5]的微型撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)(驅(qū)動機構(gòu)示意圖見圖3[5])。

為了減小單曲柄雙搖桿驅(qū)動機構(gòu)帶來的兩側(cè)撲翼運動的相位差，許多學者對該機構(gòu)進行了優(yōu)化改進。其優(yōu)化改進的基本原理是將兩側(cè)撲動翼運動的相位差作為目標函數(shù)，尋找影響該目標函數(shù)取值的自變量(此時目標函數(shù)為一個多元函數(shù))，使用優(yōu)化算法獲得目標函數(shù)的最小值以及各自變量的取值。本文作者團隊[6]曾使用遺傳算法對機構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化，并完成了試飛，結(jié)果表明優(yōu)化后的機構(gòu)使兩側(cè)撲動翼運動的不對稱性降低為優(yōu)化前的17.07%。同時西北工業(yè)大學的周凱等[3]根據(jù)仿生學、機械學等原理利用模式搜索法對目標函數(shù)進行優(yōu)化，將兩翼運動的角度之差和角速度之差同時減小，經(jīng)試飛后也收到了良好的效果。由此可以看出，對單曲柄雙搖桿機構(gòu)進行最優(yōu)化設(shè)計可以明顯改善飛行器飛行過程中左右傾斜晃動的現(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)機構(gòu)運動簡圖[2]Fig.1 Movement sketch of single crank double rocker (front double push rod) mechanism[2]

圖2 “Microbat”驅(qū)動機構(gòu)示意圖[4]Fig.2 Schematic diagram of “Microbat” driving mechanism[4]

圖3 中華大學微型飛行器驅(qū)動機構(gòu)示意圖[5]Fig.3 Schematic diagram of micro-aircraft driving mechanism in Chung Hua University[5]

單曲柄雙搖桿機構(gòu)的撲動運動相位差是由機構(gòu)的本身性質(zhì)決定的，通過優(yōu)化設(shè)計只能使其減小，而不能消除。為了完全消除兩側(cè)撲翼的運動相位差，人們開始利用運動對稱的機構(gòu)裝備撲翼飛行器。其中雙曲柄雙搖桿機構(gòu)(國外也稱為前置單曲柄機構(gòu)[1])是目前應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動機構(gòu)，其機構(gòu)運動簡圖如圖4[7]所示。該機構(gòu)的工作原理是使用一個小齒輪帶動兩側(cè)曲柄做無相位差的旋轉(zhuǎn)運動，兩側(cè)曲柄再分別帶動兩側(cè)撲動翼搖桿做無相位差的撲動運動。盡管雙曲柄雙搖桿機構(gòu)完全消除了撲動運動的相位差，改善了撲翼飛行器的氣動性能，但是相對于單曲柄雙搖桿機構(gòu)而言多引入了一個曲柄構(gòu)件，從而增大了機構(gòu)重量和摩擦損耗。該機構(gòu)典型的應(yīng)用實例有中國民航大學蘇漢平[8]設(shè)計的仿鳥撲翼飛行器，南京航空航天大學吉愛紅和沈歡[9]發(fā)明的模擬小黃蜂雙對翅無相差“拍—合”運動的“雙曲柄搖桿無相差雙對翼撲翼飛行器”樣機和Hsu等[10]在論文集中提到的基于前置平行單曲柄設(shè)計的微型撲翼飛行器(驅(qū)動機構(gòu)示意圖見圖5[10])。

圖4 雙曲柄雙搖桿機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖[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構(gòu)之外，能夠使撲動翼完全對稱運動的機構(gòu)還有曲柄滑塊式撲翼驅(qū)動機構(gòu)，其機構(gòu)運動簡圖如圖6[11]所示。該機構(gòu)的工作原理是曲柄通過連桿帶動中間滑塊上下移動，然后滑塊再通過連桿帶動兩側(cè)撲動翼搖桿往復撲動。安徽巢湖學院的徐兵等[12]利用該機構(gòu)設(shè)計了一款曲柄滑塊式撲翼飛行器，其機構(gòu)示意圖見圖7[12]。就單側(cè)撲翼而言，該機構(gòu)實際上是一個平面六桿機構(gòu)。盡管該機構(gòu)的對稱性極好，但是由于引入了滑動副且增加了較多的構(gòu)件，使得機械摩擦和重量均變得較大，這一點會嚴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)動機構(gòu)簡圖[11]Fig.6 Movement sketch of crank-slider flapping wing driving mechanism [11]

除以上分析的常見機構(gòu)外，近幾年出現(xiàn)的平面連桿式撲翼驅(qū)動機構(gòu)還有很多，其中比較有特色的機構(gòu)是西北工業(yè)大學胡峪等[13]基于曲柄導桿機構(gòu)發(fā)明的搖櫓式撲翼控制機構(gòu)，其機構(gòu)運動簡圖如圖8[13]所示，裝置示意圖如圖9[13]所示。該機構(gòu)中的曲柄帶動導桿上的撲翼(相當于槳葉)做搖櫓式的圓周運功，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)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性高，所驅(qū)動的撲動翼具有較高的氣動效率，是傳統(tǒng)平面連桿式撲動機構(gòu)設(shè)計的一大突破。

圖8 曲柄導桿式驅(qū)動機構(gòu)簡圖[13]Fig.8 Movement sketch of crank guiding-rod driving mechanism[13]

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

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

為了模仿鳥類翅膀更多的運動模式，人們逐漸將研究的目光轉(zhuǎn)移到空間連桿機構(gòu)上。空間連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式非常復雜，設(shè)計方法的靈活度較大，其設(shè)計與分析過程也變得更困難，但是其性能普遍優(yōu)于平面連桿機構(gòu)。北京航空航天大學的徐一村等[19]設(shè)計了一款空間曲柄搖桿撲翼機構(gòu)，并制作了原理樣機，其機構(gòu)運動簡圖如圖13[19]所示。經(jīng)過試驗，發(fā)現(xiàn)空間曲柄搖桿機構(gòu)的運動對稱性遠遠好于平面連桿機構(gòu)。中國科學技術(shù)大學的魏榛等[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)動機構(gòu)，其運動簡圖如圖14[20]所示。該機構(gòu)不僅可以實現(xiàn)撲動翼基本的撲動運動，還可以通過兩側(cè)曲柄機構(gòu)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生相位差，使翼面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，從而改變撲動翼的迎角大小。這種驅(qū)動機構(gòu)還被用在了研究鷹蛾懸停懸停飛行的撲翼實驗裝置中[21]，實驗表明該機構(gòu)使飛行器的氣動效率得到了提升。

圖10 多段式可彎曲折疊撲翼驅(qū)動機構(gòu)簡圖[15]Fig.10 Movement sketch of multi-stage folding flapping wing driving mechanism[15]

圖11 鳥翼詳細骨骼構(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)動機構(gòu)簡圖[18]Fig.12 Movement sketch of three-stage folding flapping wing driving mechanism[18]

國外的研究者研發(fā)了側(cè)裝曲柄機構(gòu)用以裝備撲翼飛行器，側(cè)裝曲柄機構(gòu)也是一種空間連桿機構(gòu)，其特點是機構(gòu)的運動平面與撲動翼撲動平面相互垂直，其中左右兩側(cè)的曲柄由同一齒輪帶動旋轉(zhuǎn)，從而可實現(xiàn)兩側(cè)撲動翼做無相位差的撲動運動[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)動機構(gòu)均采用側(cè)裝曲柄機構(gòu),其驅(qū)動機構(gòu)示意圖分別見圖15[22]和圖16[23]。

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

圖14 空間平行曲柄連桿驅(qū)動機構(gòu)簡圖[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，是因為其翅翼可以對各個運動模式進行主動控制，也就是說將撲動、扭轉(zhuǎn)、彎曲折疊和揮擺4種運動模式合理組合，并對其實施獨立控制，從而完成復雜的空中運動。這一點就需要撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)具有多個運動自由度，而不是單純的使各個運動模式按照一定的相位關(guān)系組合起來。美國楊百翰大學的George[24]設(shè)計了一種空間多自由度的撲翼驅(qū)動機構(gòu)，其機構(gòu)示意圖如圖17[24]所示。該機構(gòu)可以驅(qū)動撲動翼做撲動、扭轉(zhuǎn)、揮拍3種形式的運動，且這3種形式的運動相互獨立，無耦合關(guān)系。但是由于該機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜、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驗臺做流場實驗。西北工業(yè)大學的李博揚[25]也設(shè)計了一款三自由度的撲翼驅(qū)動機構(gòu)，并用于研究撲翼的各個運動參數(shù)對氣動力產(chǎn)生的影響。該機構(gòu)使用3個電機配合工作可以實現(xiàn)撲動翼的撲動、扭轉(zhuǎn)和揮擺3種運動的獨立控制，其機構(gòu)運動簡圖如圖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)動機構(gòu)示意圖[23]Fig.16 Schematic diagram of driving mechanism of “Delfly 2” micro-flapping-wing aircraft[23]

除連桿機構(gòu)以外，凸輪機構(gòu)也可以將電機的連續(xù)回轉(zhuǎn)運動變換為撲動翼的往復撲動運動，因此也可以用作撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計。西北工業(yè)大學的王利光等[26]發(fā)明了一種空間凸輪撲翼驅(qū)動機構(gòu)，該機構(gòu)使用空間凸輪帶動滑塊按照一定的運動函數(shù)關(guān)系沿直線運動，滑塊再通過一對連桿機構(gòu)帶動兩側(cè)鳥翼做無相位差的撲動運動，其裝置示意圖如圖19[26]所示。浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院的丁長濤等[27]也設(shè)計了一種圓柱凸輪萬向節(jié)式仿鳥撲翼飛行機構(gòu)，該裝置巧妙地將凸輪機構(gòu)與萬向節(jié)組合起來，實現(xiàn)了撲動翼的高效撲動，其機構(gòu)示意圖如圖20[27]所示。

圖17 楊百翰大學空間多自由度撲翼驅(qū)動機構(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)動機構(gòu)簡圖[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)動機構(gòu)示意圖[26]Fig.19 Schematic diagram of spatial cam flapping wing driving mechanism[26]

仿生飛行器對驅(qū)動機構(gòu)重量的限制極為苛刻，因此為了降低撲翼驅(qū)動機構(gòu)的重量，人們開始采用繩輪機構(gòu)裝備撲翼飛行器。浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院的丁長濤等[28]研發(fā)了一種線輪調(diào)幅卷膜式仿鳥撲翼飛行裝置，其機構(gòu)示意圖如圖21[28]所示。該機構(gòu)中的電機通過減速器帶動線輪轉(zhuǎn)動，纏繞在線輪上的牽引線和復位彈簧再帶動左右兩翼往復撲動。該機構(gòu)中的牽引線和復位彈簧代替了曲柄搖桿機構(gòu)中的連桿部分，因而重量有所減輕。美國Keennon等[29]也研發(fā)了一種基于繩輪傳動的撲翼驅(qū)動機構(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)動機構(gòu)可以使撲動翼實現(xiàn)頻率在20 Hz以上、幅度在150°以上的撲動運動，其性能遠超過同等尺度連桿機構(gòu)。

圖20 圓柱凸輪萬向節(jié)式撲翼驅(qū)動機構(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)動機構(gòu)示意圖[28]Fig.21 Schematic diagram of wire wheel amplitude-adjusting rolling film flapping wing driving mechanism[28]

除以上機構(gòu)外，人們也嘗試過使用其他種類的傳動方式設(shè)計撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)。西北工業(yè)大學的付鵬等[30]使用不完全齒輪機構(gòu)代替單曲柄雙搖桿機構(gòu)中的翼搖桿構(gòu)件，實現(xiàn)了左右翼的運動完全對稱，并且該機構(gòu)又節(jié)省了一個連桿構(gòu)件，從而減小了機械摩擦。該機構(gòu)被成功用于微型撲翼飛行器的風洞試驗[31]，其裝置示意圖如圖23[31]所示。此外，上海交通大學的冷燁等[32]設(shè)計了一款極其簡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)動機構(gòu)省略了所有的運動變換裝置，利用舵機直接驅(qū)動撲動翼往復擺動，其機構(gòu)示意圖如圖24[32]所示。由于該機構(gòu)幾乎不存在摩擦損耗，因而其驅(qū)動效率較高。

圖22 “蜂鳥”繩輪傳動式撲翼驅(qū)動機構(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)動機構(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)動機構(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)動機構(gòu)

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

北京航空航天大學的嚴小軍等[33]設(shè)計了一種低壓電磁驅(qū)動的人造撲翼，并制作出了原理樣機，進行了相應(yīng)的實驗。驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計的基本原理是利用通電導體在磁場中受安培力作用而產(chǎn)生位移。在帶動撲動翼撲動的金屬翼桿上纏繞導線，并將翼桿置于一組極性相反的平行磁鐵產(chǎn)生的磁場中，在導線中通入交流電后，翼桿會在導線產(chǎn)生的安培力合力作用下做往復運動，從而帶動撲動翼撲動，其驅(qū)動機構(gòu)示意圖如圖25[33]所示。

北京航空航天大學的張鈺和劉志偉[34]同樣也利用了通電導體在磁場中受安培力的驅(qū)動原理設(shè)計了一款電磁撲翼的實驗裝置，其機構(gòu)原理示意圖如圖26[34]所示。實驗者將一根金屬微梁置于磁場中，并在其兩端加以約束。當向金屬梁中通入交變電流時，金屬梁就會在磁場中受交變的安培力作用，從而帶動撲動翼撲動。圖26中:IAC為通電電流，VAC為電壓，F(xiàn)為撲動翼受到的安培力。利用該款驅(qū)動機構(gòu)，實驗者成功測定了驅(qū)動電壓、通電頻率和磁場強度對撲翼振幅的影響。

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

圖26 基于金屬微梁振動的電磁撲翼實驗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]

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

圖27 可變迎角的電磁驅(qū)動撲翼機構(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)動器的輸出位移，人們將位移放大機構(gòu)引入到了撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計中。Meng[36]和Liu[37]等分別研制了2款基于電磁驅(qū)動的撲翼飛行器，其驅(qū)動機構(gòu)示意圖如圖28[36]和圖29[37]所示。在他們研制的機構(gòu)中都使用了柔性鉸鏈作為位移放大機構(gòu)，從使撲動翼具有更大的撲動角度。此外Liu等[37]的設(shè)計的撲翼飛機還可以實現(xiàn)撲動翼的扭轉(zhuǎn)運動。這樣對驅(qū)動機構(gòu)進行設(shè)計，可以明顯地提高撲翼飛行器的飛行效率，因此該種設(shè)計方式得到了較為廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)驗表明，當電源的激勵頻率和撲翼機構(gòu)的固有頻率相近時(即機構(gòu)處于共振狀態(tài))，電磁撲翼的輸出位移可以達到最大，此時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，一旦驅(qū)動力頻率稍遠離共振頻率，撲動翼的撲動幅度就會急劇降低，升力驟降，最終導致飛行器無法飛行。對于克服這一缺陷，上海交通大學的張衛(wèi)平等[38]研發(fā)了一種可變共振頻率的電磁驅(qū)動式雙驅(qū)動微撲翼飛行器，其驅(qū)動機構(gòu)示意圖如圖30[38]所示。這種機構(gòu)的特點是采用了一種電流變扭轉(zhuǎn)材料安裝到撲翼驅(qū)動機構(gòu)上。電流變扭轉(zhuǎn)材料在不同附帶電荷或電勢下表現(xiàn)出不同的扭轉(zhuǎn)剛度,進而使機構(gòu)整體獲得不同的共振頻率。此時通過調(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)動機構(gòu)可以在任意頻率下工作。這一驅(qū)動機構(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)動的撲翼機構(gòu)通過巧妙的設(shè)計也可以做到像連桿機構(gòu)那樣實現(xiàn)多自由度的運動。韓國先進科學技術(shù)研究所的Yoon等[39]利用電磁驅(qū)動器開發(fā)了一款可以使撲動翼同時實現(xiàn)撲動和扭轉(zhuǎn)運動的空間多自由度驅(qū)動機構(gòu)，其裝置示意圖如圖31[39]所示。Yoon等的機構(gòu)運動靈活且控制簡單，是電磁驅(qū)動機構(gòu)研究的又一重大進展。

圖30 可變共振頻率的電磁雙驅(qū)動機構(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)動撲翼機構(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)動機構(gòu)

靜電驅(qū)動器由于能量密度較低、驅(qū)動電壓較高且變形較小，因而在最初的撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計中很少使用。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)動器通過電壓驅(qū)動、易于集成和控制的特點，同時伴隨著半導體加工技術(shù)的發(fā)展，犧牲層刻蝕技術(shù)的開發(fā)，為靜電致動技術(shù)的研究提供了可能的技術(shù)背景，使靜電致動在微型致動器的研究開發(fā)中占據(jù)了突出的位置[40]。

靜電撲翼驅(qū)動機構(gòu)在工作過程中機械運動與靜電場相互耦合，呈現(xiàn)強非線性的特征，其動態(tài)特性極其復雜，因此大多數(shù)關(guān)于靜電撲翼機構(gòu)的研究都集中在驅(qū)動器的靜態(tài)特征上[41-43]。西北工業(yè)大學的侯宇等[44]建立了一種扭轉(zhuǎn)式靜電微撲翼驅(qū)動機構(gòu)的動力學模型，并利用數(shù)值方法研究了靜電撲翼驅(qū)動器非線性耦合場的動態(tài)特性，其驅(qū)動機構(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)動器的設(shè)計與應(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)動器均采用交流電壓，基于受迫振動原理來驅(qū)動撲動翼上下?lián)鋭覽45]。這種驅(qū)動器輸出位移太小，且交流電路體積較大，無法微型化，另外使用時容易出現(xiàn)吸合短路的危險，因而一直未能成功普及使用。針對這些缺點，北京航空航天大學的楊藝和中國科學院的車云龍[46]共同提出了一種基于自激振動、靜電驅(qū)動原理的微撲翼驅(qū)動機構(gòu)，并進行了優(yōu)化設(shè)計與實驗仿真，其驅(qū)動機構(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，若要實現(xiàn)飛行器撲動翼的高升力特性，不僅要使撲動翼具有較大的撲動幅度和較高的撲動頻率，還要在其撲動過程中結(jié)合扭轉(zhuǎn)運動。因此楊藝和車云龍在撲動翼根部安裝了柔性鉸鏈以實現(xiàn)撲動翼在撲動過程中的被動扭轉(zhuǎn)運動。經(jīng)驗證，該驅(qū)動器在91 Hz的工作頻率下實現(xiàn)了±40°的撲動幅度和±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)動器有大幅度提升。

圖33 基于自激振動、靜電驅(qū)動原理的微撲翼驅(qū)動機構(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的嚴小軍等[48]也利用靜電撲翼驅(qū)動器設(shè)計了一種自激式人工翅膀，其機構(gòu)示意圖如圖34[48]所示。這種人工翅膀的設(shè)計同樣實現(xiàn)了在撲動運動過程中附加扭轉(zhuǎn)運動，其運動實現(xiàn)的基本原理與文獻[46]所述的機構(gòu)相似。利用電路和驅(qū)動構(gòu)件的自激振蕩原理實現(xiàn)多條金屬梁的往復彎曲運動以帶動撲動翼撲動和扭轉(zhuǎn)，其能源可來源于直流電池，無需復雜的交流電路。自激振動的驅(qū)動原理是靜電撲翼驅(qū)動器設(shè)計領(lǐng)域的又一重大突破。

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

1.4 純機械式撲翼驅(qū)動機構(gòu)特點及發(fā)展趨勢

通過上述對各類傳統(tǒng)撲翼驅(qū)動機構(gòu)的列舉與分析可以總結(jié)出其特點與發(fā)展趨勢如下：

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

2) 隨著撲翼飛行器需要的運動自由度數(shù)量增多，基于直流電機的撲翼驅(qū)動機構(gòu)的發(fā)展遇到了瓶頸。從機械學的角度講，一個機構(gòu)要求實現(xiàn)多少個自由度，就需要配備多少個電動機。對于基于直流電機的撲翼驅(qū)動機構(gòu)而言，自由度數(shù)量增多，意味著飛行器裝備的電動機就要增多，這會導致驅(qū)動機構(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)動機構(gòu)發(fā)展迅速，應(yīng)用越來越廣泛。電磁驅(qū)動器具有動力強勁、輸出位移大、響應(yīng)迅速、供電電壓低、成本低廉等優(yōu)點，因而成為撲翼驅(qū)動機構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點之一。但是由于電磁線圈相對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)動器在撲翼機構(gòu)中廣泛應(yīng)用的可能性越來越大。由于靜電驅(qū)動器的供電電壓較高，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)動器理論的進一步深入研究，發(fā)現(xiàn)隨著飛行器的尺度減小，靜電驅(qū)動器的優(yōu)勢越來越大，因此靜電驅(qū)動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)動機構(gòu)

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

2.1 壓電撲翼驅(qū)動機構(gòu)

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

單一的壓電陶瓷產(chǎn)生的驅(qū)動位移很小，在設(shè)計上經(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)動器。北京航空航天大學的李道春等[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、動子、預(yù)緊機構(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)動頭固定。調(diào)節(jié)兩組壓電堆疊通電的相位差可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)的正反方向運動。該關(guān)節(jié)運動速度快、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)大學的劉嵐等[53]使用壓電雙晶片設(shè)計了一款微撲翼飛行器的驅(qū)動器。該驅(qū)動器的工作原理是將壓電雙晶片作為懸臂梁，一端固定在機架上，一端與撲翼相連，壓電體在通電后可進行彎曲運動以帶動撲翼產(chǎn)生位移，其工作原理圖如圖37[53]所示。為了擴大驅(qū)動位移，他們提出一種撲動翼共振激勵放大位移的驅(qū)動機理。此時作為懸臂梁的壓電雙晶片撲翼驅(qū)動機構(gòu)具有2種主要振動模態(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)。當激勵頻率接近一階彎曲固有頻率時可以實現(xiàn)撲動翼大幅度撲動，當激勵頻率接近一階扭轉(zhuǎn)固有頻率時可以實現(xiàn)撲動翼大幅度往復扭轉(zhuǎn)運動。只要撲動翼彎曲與扭轉(zhuǎn)的固有頻率比較接近時,選擇適當?shù)募ふ耦l率就能得到所需要的撲動與扭轉(zhuǎn)組合運動。

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

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

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

單獨壓電驅(qū)動器的輸出位移較小，大多數(shù)情況下無法滿足撲翼機構(gòu)的工作需求，因此壓電驅(qū)動器經(jīng)常要與位移放大機構(gòu)配合使用。新加坡國立大學Zhang等[57]研發(fā)了一種滑塊式位移放大機構(gòu)(SIDM)，其機構(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)動器的動力源，壓電晶體在交流電的作用下發(fā)生往復直線運動，而后再經(jīng)過滑塊搖桿機構(gòu)將位移放大輸出給翼，從而實現(xiàn)翼的大幅度撲動。飛行器整體壓電驅(qū)動機構(gòu)裝配圖如圖40[57]所示。

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

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

圖40 基于SIDM的壓電撲動驅(qū)動機構(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構(gòu)的壓電驅(qū)動器機構(gòu)簡圖[58]Fig.41 Sketch of piezoelectric driving mechanism using flexible hinge amplification[58]

2.2 人工肌肉撲翼驅(qū)動機構(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人工肌肉和液壓人工肌肉，由于其動力源較為龐大，因而不適合裝備撲翼飛行器。內(nèi)在收縮式是一種對外界激勵有簡單響應(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個數(shù)量級。同時EPA還具有質(zhì)量輕、柔性好、無噪聲等特點，與真實肌肉的性能極為相似，甚至在某些方面超越了真實肌肉[60]，因而可用于仿生飛行器驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計。EPA按照其驅(qū)動機理可分為電子型EPA和離子型EPA，由于電子型EPA的驅(qū)動電壓高達千伏，因此也不適合做仿生飛行器的驅(qū)動機構(gòu)；而離子型EPA的熱點轉(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)動器[59]。在所有的離子型EPA中，離子聚合物金屬復合材料(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)動機構(gòu)的設(shè)計。

圖42[61]為IPMC人工肌肉驅(qū)動器的工作原理示意圖，當IPMC人工肌肉兩側(cè)存在電勢差時，IPMC向陽極彎曲。若對其施加交流電，可以實現(xiàn)IPMC的往復彎曲運動，從而可帶動翼撲動。

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

廈門大學的徐兵[62]曾用IPMC設(shè)計了一種可以同時實現(xiàn)撲動和扭轉(zhuǎn)三維運動的撲翼驅(qū)動器，其驅(qū)動機構(gòu)示意圖如圖43[62]所示(其中IPMC使用圖案化電極)。同時他還對IPMC的性能進行了測試，實驗證明IPMC各項性能指標滿足撲翼驅(qū)動器的要求。

圖43 使用圖案化電極的IPMC人工肌肉撲翼驅(qū)動器試驗樣件的結(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)動器的設(shè)計應(yīng)當根據(jù)不同的智能材料的性質(zhì)進行“取長補短”，于是人們開始嘗試設(shè)計采用混合驅(qū)動方式的撲翼驅(qū)動機構(gòu)。中國科學沈陽自動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)動的仿蠅機器人，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖44[63]所示。這款機器人采用電磁驅(qū)動的方式實現(xiàn)撲動翼的往復撲動運動，充分發(fā)揮了電磁驅(qū)動器響應(yīng)迅速、撲動位移大的優(yōu)勢；采用IPMC人工肌肉配合柔性鉸鏈驅(qū)動實現(xiàn)兩側(cè)撲動翼的主動扭轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮了IPMC運動靈活的特點。這款撲翼飛行器可以在飛行過程中實現(xiàn)主動轉(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)動的仿蠅機器人結(jié)構(gòu)組成示意圖[63]Fig.44 Schematic diagram of fly-like robot driven by artificial muscle and electromagnet[63]

吉林大學的孫霽宇等[64]也利用電致人工肌肉設(shè)計了一種自調(diào)節(jié)變形可折疊翼機構(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構(gòu)結(jié)合起來，實現(xiàn)了撲動翼的彎曲折疊，其裝置示意圖如圖45[64]所示。在飛行過程中，人工肌肉驅(qū)動器受單片機的控制，能夠快速精準地完成收翼和展翼的動作。

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

國外的研究者也對人工肌肉撲翼驅(qū)動器做過相關(guān)研究，Kim等[65]曾對IPMC人工肌肉驅(qū)動器的技術(shù)參數(shù)(驅(qū)動力、輸出位移等)做過測試，結(jié)果表明其性能指標能夠滿足撲翼飛機的設(shè)計要求。此外他們還制作了一款由IPMC驅(qū)動的人工撲翼用于進一步試驗，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖46[65]所示。

圖46 實驗用IPMC驅(qū)動的人工撲翼結(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，其樣機示意圖如圖47[66]所示。這種飛行器的驅(qū)動機構(gòu)由往復式化學肌肉(RCM)制成。其驅(qū)動的原理是向化學肌肉中注射一定量的化學燃料，使其在肌肉內(nèi)部發(fā)生化學反應(yīng)，將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為動能以驅(qū)動化學肌肉做往復式運動，從而實現(xiàn)撲翼的上下?lián)鋭?。這種機構(gòu)形式簡單，但是化學反應(yīng)不易控制，因而未能廣泛使用。

圖47 化學肌肉驅(qū)動的微型撲翼飛行器樣機示意圖[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)動人工肌肉，即PVC凝膠人工肌肉(PVC-Gel)。PVC-Gel驅(qū)動器具有響應(yīng)速度快、輸出力大、驅(qū)動位移大、柔性良好等優(yōu)點，故而有潛力被用于撲翼驅(qū)動機構(gòu)。工程上常將多片PVC-Gel驅(qū)動器堆疊應(yīng)用，故而稱為PVC-Gel堆疊驅(qū)動器，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)動機構(gòu)現(xiàn)狀特點及發(fā)展趨勢

根據(jù)上述對各種基于智能材料的撲翼驅(qū)動機構(gòu)的列舉和分析，可以總結(jié)其特點與發(fā)展趨勢如下：

1) 在微小型撲翼飛行器中，壓電驅(qū)動器得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)也較為成熟。壓電驅(qū)動器的響應(yīng)速度極快，且驅(qū)動力大，容易精確控制，其驅(qū)動位移小的缺點也可以采用相應(yīng)的位移放大機構(gòu)得以補償，因而被廣泛應(yīng)用于微小型撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計中。

2) 隨著材料學和化學制備技術(shù)的逐步發(fā)展，將有越來越多的人工肌肉用于撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計中。人工肌肉具有輸出位移大、運動靈活、柔韌性強等多種優(yōu)點，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現(xiàn)撲翼更多自由度的運動，這一點是其他類型驅(qū)動器無法與之相比的。

3) 多自由度的撲翼飛行器可以采用組合動力形式。智能材料的使用要點之一是“取長補短”，應(yīng)當根據(jù)驅(qū)動機構(gòu)的運動要求和各種類型智能材料的特點合理布置驅(qū)動器，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)動機構(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。各國的研究者們對飛行生物的這一特點展開了大量的研究。為了使撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)更真實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)動機構(gòu)的設(shè)計中。從機械學的角度分析，可以認為撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)由構(gòu)件與運動副2部分組成。因此目前柔性結(jié)構(gòu)在撲翼飛行器驅(qū)動機構(gòu)中的應(yīng)用情況可大致分為2類，一類是柔性化運動副，另一類是柔性化構(gòu)件。

柔性化運動副又可分為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。中國民航大學的張威等[68]針對剛性鉸鏈與彈簧組合使用方式對撲翼飛行器驅(qū)動機構(gòu)的性能影響建立了詳細的數(shù)學模型，其計算模型示意圖如圖49[68]所示。計算結(jié)果表明合理地使用柔性結(jié)構(gòu)可以使電動機的負載變得均勻，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)動機構(gòu)的機械效率，還可以顯著延長電動機的使用壽命。

圖49 剛性鉸鏈與彈簧組合使用情形下的驅(qū)動機構(gòu)計算模型示意圖[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動副間的摩擦損耗，并可以起到一定的減重效果，目前這種設(shè)計理念很受人們歡迎。南洋理工大學的Lau等[69]設(shè)計了一款名為“Dipteran”的微撲翼飛行器，其驅(qū)動機構(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)動機構(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)動機構(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)動機構(gòu)。實驗證明這種使用柔性鉸鏈直接替代剛性鉸鏈的設(shè)計理念可以節(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，還可以保證驅(qū)動機構(gòu)的運動副具有足夠的強度，且設(shè)計方案便于實現(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現(xiàn)減摩減重的功效，但是柔性鉸鏈在往復運動過程中極易出現(xiàn)疲勞破壞，其強度問題將成為設(shè)計過程的難點。

撲翼飛行器驅(qū)動機構(gòu)中的構(gòu)件包括傳動構(gòu)件(連桿、搖臂等)和執(zhí)行構(gòu)件(撲動翼)。將剛性傳動機構(gòu)中的一些剛性構(gòu)件替換為柔性構(gòu)件可以使機構(gòu)大幅度簡化，顯著減少運動副的使用，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驅(qū)動機構(gòu)的柔順性，提高飛行器的飛行效率。武漢科技大學的屠凱等[70]設(shè)計了一種柔性空間四桿機構(gòu)用于研究撲翼飛行器各個運動參數(shù)對氣動力的影響，其驅(qū)動機構(gòu)組成示意圖如圖51[70]所示。實驗者使用Adams軟件建立了撲翼機構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，分析了該柔性機構(gòu)的運動特性，證明機構(gòu)可以滿足仿生飛機的設(shè)計要求。

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)動機構(gòu)在仿真計算過程中需要考慮柔性連桿的非線性大變形問題，這將使得機構(gòu)的設(shè)計過程變得繁瑣復雜。從效率、重量、強度等多方面考慮，柔性連桿比較適用于仿昆蟲等微型撲翼飛行器驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計中，而在仿鳥類等中大型撲翼飛行器中的應(yīng)用則需要進一步研究探索。

撲翼飛行器的撲動翼是其驅(qū)動機構(gòu)的執(zhí)行構(gòu)件，它的結(jié)構(gòu)形式同樣影響著驅(qū)動機構(gòu)的性能。隨著仿生飛行器的深入發(fā)展，柔性撲動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)境主動或被動地調(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一步提高仿鳥飛行器的飛行效率，也開始使用柔性撲動翼來裝備撲翼飛行器。西北工業(yè)大學的年鵬等[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。通過風洞試驗證明該種柔性撲動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)動機構(gòu)種類繁多，且各有特點。從目前的發(fā)展形勢看，基于直流電機的撲翼驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)用最廣泛，且技術(shù)也較為成熟。但是隨著人們對撲翼飛行器運動靈活性和飛行效率的要求越來越高，基于直流電機的驅(qū)動機構(gòu)遇到了發(fā)展瓶頸，人們不得不探索新型驅(qū)動機構(gòu)。基于智能材料的撲翼驅(qū)動機構(gòu)成為了目前仿生飛行器領(lǐng)域的研究熱點，壓電、人工肌肉等新材料大量應(yīng)用于撲翼機構(gòu)的設(shè)計中。為了進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)用到撲翼機構(gòu)的設(shè)計中，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驗裝置[J].實驗力學,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).