仿生撲翼飛行器大突破！一個關節零件解決飛行穩定，將來無人機新方向？

大數據文摘授權轉載自機器人大講堂

關于蝙蝠俠的蝙蝠衣，一直有很多爭議，比如像這樣模仿蝙蝠的大翅膀撲騰兩下，究竟能不能起到飛行的功能？

塞維利亞大學的 GRVC 機器人實驗室就對這樣的結構進行了研究，當然了，他們并沒有做載人的飛行衣，而是做了個“撲翼機器人”。

這個機器人模仿的是蝙蝠的翅膀，振翅頻率雖然不高，但是飛行姿態非常平穩。

這項研究被IEEE收錄，名為“Optimal Elastic Wing for Flapping-Wing Robots Through Passive Morphing”。

▍設計自由彈性關節，產生更大升力

研究人員通過以往的研究發現，固定角度的關節或者是沒有關節的機翼設計，撲翼機器人很難取得良好的飛行效果。

比如機翼的角度設置為30度時，飛機撲騰幾下就墜落了；

機翼關節升級之前的飛行效果也不理想；

為了解決這些問題，研究人員提出了一個自由彈性關節的設計，其中偏角在向下和向上行程之間執行不對稱，從而(被動地)調節機翼面積，平滑地產生升力。

此外，為了避免之前研究中出現的制造錯誤，在順應器內部引入了剛性連桿，僅將運動限制在合適的的自由度，并穩定機翼的擺動。

為此，研究人員建立了機翼氣動彈性模型，并進行了實驗驗證。

該模型為設計參數的組合產生了預期的氣動載荷。此外，模型還允許對機構設計和尺寸進行自動化的數值優化，以獲得最佳的提升性能，從而避免了任何手動或啟發式的過程來選擇“最佳”設計。

這種優化是由總平均升力在撲動期間給出的目標函數的最大化，受飛行體制和動態約束，選取的參數為關節的彈性和沿跨度的位置以及偏角。

▍升力增加了16%，動力消耗減少了10%

研究人員認為，他們的工作主要體現在三個方面：

一是彈性關節的參數，這個彈性關節的各項參數可以用于各類的撲翼機器人，包括低雷諾數據和大拍打振幅的情況下；

二是對被動變形翼的約束性優化進行設計，包括彈簧的彈性、沿翼的位置和偏置彈簧角度等；

三是對整個機制在飛行中進行驗證，根據大型撲翼機器人的飛行數據，得出了平均升力的定量改進。

總的來說，該團隊的撲翼機器人相較于之前的一些研究，升力平均增加了16%，消耗減少了10%。

研究人員總結了他們的研究：撲翼機器人在近似人類的操作中顯示出作為安全和高效飛行平臺的前景，這要歸功于它們在低雷諾數情況下靈活機動或棲息的能力，這些機器人自動化的增長趨勢必須與有效載荷能力的增加齊頭并進，這項提供了一種新的被動變形機翼樣機，以增加這種類型的無人機的有效載荷。

該原型基于偏置彈性關節，整體研究還包括建模、仿真和優化方案，從而使之適用于任何撲翼機器人。

▍撲翼機器人發展回顧

人類最初想象中飛行的手段就是模仿鳥類撲動翅膀，因此撲翼機器人的發展由來已久。

世界上最早有記載的能夠飛行的撲翼飛行器誕生于19世紀，是一位法國人發明的一個以橡皮筋為動力的撲翼機模型。

20世紀80年代中期，由保羅 · B · 麥克雷迪(保羅 · B · 麥克雷迪)領導的航空環境公司開發了一個半尺寸的翼龍遙控模型，名Quetzalcoatlus northropi，這個模型有5.5米(18英尺)的翼展和一個復雜的計算機自動駕駛控制系統，正如全尺寸翼龍依靠它的神經肌肉系統在飛行中不斷調整。

自2002年以來，Theo van Holten教授也一直在研制一種類似直升機的撲翼飛機，該裝置被稱為“Ornicopter”，是通過構造主轉子來制造的，這樣它就不會有反作用力矩。

2008年，阿姆斯特丹史基浦機場開始使用由獵鷹設計師羅伯特?穆斯特斯(Robert Musters)設計的看起來逼真的機械鷹。這種無線電控制的機器鳥被用來嚇走可能損壞飛機引擎的鳥類。

我國也有類似的研究，去年，西北工業大學航空學院宋筆鋒教授團隊，自主研制的“云鸮”仿生撲翼飛行器，通過國家專業認證機構的現場檢測，單次連續飛行時間達到123分鐘。

相關報道：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9968061

https://www.i-programmer.info/news/169-robotics/15870-flapping-wing-robots-.html

https://oldmachinepress.com/2017/11/20/riout-102t-alerion-ornithopter/

https://en.wikipedia.org/wiki/Ornithopter