仿生撲翼飛行機器人飛行機理及其翅翼驅(qū)動方式的研究.pdf

1、仿生撲翼飛行機器人(或稱其為微型撲翼飛行器)是基于生物撲翼飛行原理設計和制造的微型飛行器，在民用和軍事領域有著十分廣闊的應用前景。隨著微型撲翼飛行器研究的不斷深入，有關仿生撲翼飛行機器人的飛行機理及其翅翼驅(qū)動方式的研究正成為這一領域的研究熱點。 本文圍繞仿生撲翼飛行機器人研究中的突出問題，以仿生撲翼飛行機器人的飛行機理及其驅(qū)動方式為重點，在“昆蟲飛行高升力機理”、“柔性翅”、“柔性楔形效應”、“翅翼驅(qū)動方式”、“電致伸縮器”等方

2、面進行了理論和試驗研究，旨在對攻克目前仿生撲翼飛行機器人研究中的一些突出難題有所貢獻。論文由八個章節(jié)組成，約10萬字。 緒論部分簡述了仿生飛行的歷史與進展、仿生撲翼飛行機器人的特點和應用，論述了仿生撲翼飛行機器人研究中的幾大突出難題及論文涉及的有關研究，對仿生撲翼飛行機器人飛行機理及翅翼驅(qū)動方式的研究現(xiàn)狀進行了綜述，敘述了課題研究意義及論文主要研究內(nèi)容。 有關微型撲翼生物的飛行高升力機理問題，第二章對現(xiàn)有“昆蟲飛行高升力

3、機理”進行了認真研究，提出了現(xiàn)有“昆蟲飛行高升力機理"研究成果中存在的一些值得商榷的問題。第三章提出一種基于“柔性楔形效應”的生物撲翼飛行高升力機理新解釋。用“柔性楔形效應”解釋昆蟲飛行高升力，有別于很多研究者們目前對昆翅柔性變形的理解。昆翅柔性變形對高升力的影響，最主要的不是改變了面積，而是改變了氣流的路徑。 有關剛性翅和柔性翅的問題，第三章和第四章的研究表明：翅變形所改變的不僅是有效面積，最重要的是影響了升阻比的大小，對產(chǎn)生

4、高升力有很大的貢獻。根據(jù)研制撲翼飛行機器人過程的有關試驗研究結(jié)果和生物活體研究的結(jié)果，提出在研究仿生撲翼飛行機器人飛行機理時將昆翅視為柔性翅的新觀點?；谌嵝猿岬挠^點，第三章提出：翅翼在自適應變形狀態(tài)下施以簡單的節(jié)律運動將是仿生撲翼飛行器翅翼驅(qū)動方式的發(fā)展趨勢，研究重點將轉(zhuǎn)向翅翼的材料、結(jié)構(gòu)和變形。第七章中對翅膜變形進一步研究的問題進行了論述。 將昆翅視為柔性翅，第四章從翅的結(jié)構(gòu)、翅變形的測量、翅變形對導流角的影響、翅變形對升力

5、系數(shù)的影響、翅變形與渦流作用、翅反向時的馬格納斯效應、翅反向時的尾流捕捉等方面對昆蟲飛行時有關運動和力的一些關鍵問題進行了分析。對這些問題的正確認識，有助于理解柔性翅優(yōu)于剛性翅的觀點，有助于理解仿昆翅只需采取簡單節(jié)律運動的觀點。用翅變形觀點分析昆蟲飛行時的運動和力，強調(diào)昆翅具有柔性、飛行時產(chǎn)生變形從而獲得高飛行力。提出等效的方法，建立柔性翅研究和剛性翅研究的內(nèi)在聯(lián)系。 依據(jù)柔性翅的觀點對昆翅運動進行的分析和對柔性翅氣動力進行的分

6、析，不同于傳統(tǒng)的昆翅運動分析和對剛性翅的氣動力分析，但又利用了目前剛性翅試驗研究的成果，有助于對柔性翅進行進一步的深入研究。有關微型翅翼驅(qū)動問題，第五章基于仿生撲翼飛行機器人翅翼驅(qū)動方式采取簡單節(jié)律運動的觀點，對實現(xiàn)翅翼節(jié)律運動的方式進行了研究。分析了在樣機研制過程中進行過研究的幾種驅(qū)動方式各自的特點，對一種新的驅(qū)動方式——采用電致伸縮器驅(qū)動仿生撲翼飛行機器人的翅翼運動，進行了深入研究。理論與試驗都表明，電致伸縮器結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，若

7、材料選擇適宜，將能有較好的驅(qū)動力和較大的直線位移且自重較小，適用于生物器件的驅(qū)動，如仿生撲翼飛行機器人的撲翼運動。對電致伸縮器在仿生撲翼飛行機器人中的潛在應用進行了分析。將電致伸縮器應用于仿生撲翼飛行機器人，通過控制電致伸縮器的“縮”和“伸”，能實現(xiàn)翅翼在一定角度范圍內(nèi)的上、下拍動。這種驅(qū)動方式，能減小驅(qū)動器的啟動功率和整個系統(tǒng)的沖擊載荷；當驅(qū)動兩翼的電致伸縮器所施加的電壓不同時，可使兩翼拍動幅值不同，從而實現(xiàn)不同的飛行動作，具有較高的

8、靈活性。 有關微型動力源的問題，第六章提出了微型飛行機器人動力源的兩大研究趨勢。第七章提出了仿昆撲翼飛行機器人課題研究中值得思考的若干問題。有關低雷諾數(shù)問題，提出以動量定理為基礎分析昆蟲翅翼產(chǎn)生高飛行升力方法具有合理性的觀點；有關非定常微分方程問題，提出非定常微分方程并非解決一切問題之關鍵的觀點；有關翅變形問題，提出采用柔性翅模型進行研究和利用有關剛性翅研究成果的觀點；有關試驗進一步研究的問題，提出集中有效資源和研究力量進行仿生

9、撲翼飛行機器人樣機和試驗平臺的試驗研究的觀點。 本研究得到的新理論的核心是“柔性翅更適合仿生飛行”和“用翅柔性變形簡化撲翼運動”。第六章對于剛性翅和柔性翅的拍翅模型在課題組共同研制的氣動力測量試驗平臺上進行了氣動力試驗，得到了合適剛度對氣動力性能明顯有益、飛行生物的翅存在柔性對升力明顯有益的試驗結(jié)果。該試驗結(jié)果是論文“柔性翅更適合仿生飛行”這一觀點的實驗基礎。仿生運動的模擬越簡單越容易穩(wěn)定地實現(xiàn)，課題組設計制作的第一代柔性翅仿生