仿生扑翼飞行器大突破！一个关节零件解决飞行稳定，将来无人机新方向？

发布人：大数据文摘时间：2023-02-18 来源：工程师发布文章

大数据文摘授权转载自机器人大讲堂

关于蝙蝠侠的蝙蝠衣，一直有很多争议，比如像这样模仿蝙蝠的大翅膀扑腾两下，究竟能不能起到飞行的功能？

塞维利亚大学的 GRVC 机器人实验室就对这样的结构进行了研究，当然了，他们并没有做载人的飞行衣，而是做了个“扑翼机器人”。

这个机器人模仿的是蝙蝠的翅膀，振翅频率虽然不高，但是飞行姿态非常平稳。

这项研究被IEEE收录，名为“Optimal Elastic Wing for Flapping-Wing Robots Through Passive Morphing”。

▍设计自由弹性关节，产生更大升力

研究人员通过以往的研究发现，固定角度的关节或者是没有关节的机翼设计，扑翼机器人很难取得良好的飞行效果。

比如机翼的角度设置为30度时，飞机扑腾几下就坠落了；

机翼关节升级之前的飞行效果也不理想；

为了解决这些问题，研究人员提出了一个自由弹性关节的设计，其中偏角在向下和向上行程之间执行不对称，从而(被动地)调节机翼面积，平滑地产生升力。

此外，为了避免之前研究中出现的制造错误，在顺应器内部引入了刚性连杆，仅将运动限制在合适的的自由度，并稳定机翼的摆动。

为此，研究人员建立了机翼气动弹性模型，并进行了实验验证。

该模型为设计参数的组合产生了预期的气动载荷。此外，模型还允许对机构设计和尺寸进行自动化的数值优化，以获得最佳的提升性能，从而避免了任何手动或启发式的过程来选择“最佳”设计。

这种优化是由总平均升力在扑动期间给出的目标函数的最大化，受飞行体制和动态约束，选取的参数为关节的弹性和沿跨度的位置以及偏角。

▍升力增加了16%，动力消耗减少了10%

研究人员认为，他们的工作主要体现在三个方面：

一是弹性关节的参数，这个弹性关节的各项参数可以用于各类的扑翼机器人，包括低雷诺数据和大拍打振幅的情况下；

二是对被动变形翼的约束性优化进行设计，包括弹簧的弹性、沿翼的位置和偏置弹簧角度等；

三是对整个机制在飞行中进行验证，根据大型扑翼机器人的飞行数据，得出了平均升力的定量改进。

总的来说，该团队的扑翼机器人相较于之前的一些研究，升力平均增加了16%，消耗减少了10%。

研究人员总结了他们的研究：扑翼机器人在近似人类的操作中显示出作为安全和高效飞行平台的前景，这要归功于它们在低雷诺数情况下灵活机动或栖息的能力，这些机器人自动化的增长趋势必须与有效载荷能力的增加齐头并进，这项提供了一种新的被动变形机翼样机，以增加这种类型的无人机的有效载荷。

该原型基于偏置弹性关节，整体研究还包括建模、仿真和优化方案，从而使之适用于任何扑翼机器人。

▍扑翼机器人发展回顾

人类最初想象中飞行的手段就是模仿鸟类扑动翅膀，因此扑翼机器人的发展由来已久。

世界上最早有记载的能够飞行的扑翼飞行器诞生于19世纪，是一位法国人发明的一个以橡皮筋为动力的扑翼机模型。

20世纪80年代中期，由保罗 · B · 麦克雷迪(保罗 · B · 麦克雷迪)领导的航空环境公司开发了一个半尺寸的翼龙遥控模型，名Quetzalcoatlus northropi，这个模型有5.5米(18英尺)的翼展和一个复杂的计算机自动驾驶控制系统，正如全尺寸翼龙依靠它的神经肌肉系统在飞行中不断调整。

自2002年以来，Theo van Holten教授也一直在研制一种类似直升机的扑翼飞机，该装置被称为“Ornicopter”，是通过构造主转子来制造的，这样它就不会有反作用力矩。

2008年，阿姆斯特丹史基浦机场开始使用由猎鹰设计师罗伯特•穆斯特斯(Robert Musters)设计的看起来逼真的机械鹰。这种无线电控制的机器鸟被用来吓走可能损坏飞机引擎的鸟类。