仿生撲翼飛行器大突破！一個(gè)關(guān)節(jié)零件解決飛行穩(wěn)定，將來無人機(jī)新方向？

大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

關(guān)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(xué)的 GRVC 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室就對(duì)這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，當(dāng)然了，他們并沒有做載人的飛行衣，而是做了個(gè)“撲翼機(jī)器人”。

這個(gè)機(jī)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(tài)非常平穩(wěn)。

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

▍設(shè)計(jì)自由彈性關(guān)節(jié)，產(chǎn)生更大升力

研究人員通過以往的研究發(fā)現(xiàn)，固定角度的關(guān)節(jié)或者是沒有關(guān)節(jié)的機(jī)翼設(shè)計(jì)，撲翼機(jī)器人很難取得良好的飛行效果。

比如機(jī)翼的角度設(shè)置為30度時(shí)，飛機(jī)撲騰幾下就墜落了；

機(jī)翼關(guān)節(jié)升級(jí)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(gè)自由彈性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，其中偏角在向下和向上行程之間執(zhí)行不對(duì)稱，從而(被動(dòng)地)調(diào)節(jié)機(jī)翼面積，平滑地產(chǎn)生升力。

此外，為了避免之前研究中出現(xiàn)的制造錯(cuò)誤，在順應(yīng)器內(nèi)部引入了剛性連桿，僅將運(yùn)動(dòng)限制在合適的的自由度，并穩(wěn)定機(jī)翼的擺動(dòng)。

為此，研究人員建立了機(jī)翼氣動(dòng)彈性模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

該模型為設(shè)計(jì)參數(shù)的組合產(chǎn)生了預(yù)期的氣動(dòng)載荷。此外，模型還允許對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸進(jìn)行自動(dòng)化的數(shù)值優(yōu)化，以獲得最佳的提升性能，從而避免了任何手動(dòng)或啟發(fā)式的過程來選擇“最佳”設(shè)計(jì)。

這種優(yōu)化是由總平均升力在撲動(dòng)期間給出的目標(biāo)函數(shù)的最大化，受飛行體制和動(dòng)態(tài)約束，選取的參數(shù)為關(guān)節(jié)的彈性和沿跨度的位置以及偏角。

▍升力增加了16%，動(dòng)力消耗減少了10%

研究人員認(rèn)為，他們的工作主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

一是彈性關(guān)節(jié)的參數(shù)，這個(gè)彈性關(guān)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)可以用于各類的撲翼機(jī)器人，包括低雷諾數(shù)據(jù)和大拍打振幅的情況下；

二是對(duì)被動(dòng)變形翼的約束性優(yōu)化進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括彈簧的彈性、沿翼的位置和偏置彈簧角度等；

三是對(duì)整個(gè)機(jī)制在飛行中進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)大型撲翼機(jī)器人的飛行數(shù)據(jù)，得出了平均升力的定量改進(jìn)。

總的來說，該團(tuán)隊(duì)的撲翼機(jī)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(jié)了他們的研究：撲翼機(jī)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(tái)的前景，這要?dú)w功于它們?cè)诘屠字Z數(shù)情況下靈活機(jī)動(dòng)或棲息的能力，這些機(jī)器人自動(dòng)化的增長趨勢必須與有效載荷能力的增加齊頭并進(jìn)，這項(xiàng)提供了一種新的被動(dòng)變形機(jī)翼樣機(jī)，以增加這種類型的無人機(jī)的有效載荷。

該原型基于偏置彈性關(guān)節(jié)，整體研究還包括建模、仿真和優(yōu)化方案，從而使之適用于任何撲翼機(jī)器人。

▍撲翼機(jī)器人發(fā)展回顧

人類最初想象中飛行的手段就是模仿鳥類撲動(dòng)翅膀，因此撲翼機(jī)器人的發(fā)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(jì)，是一位法國人發(fā)明的一個(gè)以橡皮筋為動(dòng)力的撲翼機(jī)模型。

20世紀(jì)80年代中期，由保羅 · B · 麥克雷迪(保羅 · B · 麥克雷迪)領(lǐng)導(dǎo)的航空環(huán)境公司開發(fā)了一個(gè)半尺寸的翼龍遙控模型，名Quetzalcoatlus northropi，這個(gè)模型有5.5米(18英尺)的翼展和一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)，正如全尺寸翼龍依靠它的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在飛行中不斷調(diào)整。

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

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

我國也有類似的研究，去年，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院宋筆鋒教授團(tuán)隊(duì)，自主研制的“云鸮”仿生撲翼飛行器，通過國家專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場檢測，單次連續(xù)飛行時(shí)間達(dá)到123分鐘。

相關(guān)報(bào)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