近日，我校航空學(xué)院宋筆鋒教授團(tuán)隊(duì)仿生飛行器課題組的最新研究成果《Flapping-wing robot achieves bird-style self-takeoff by adopting reconfigurable mechanisms》在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Science子刊《Science Advances》期刊發(fā)表。航空學(xué)院博士生陳昂為第一作者，并與航空學(xué)院副教授薛棟為共同通訊作者。作者還包括宋筆鋒教授和團(tuán)隊(duì)學(xué)生劉康，王智賀、戚洪鐸等。
鳥(niǎo)類(lèi)與蝙蝠等飛行脊椎動(dòng)物普遍采用一種特殊的撲翼動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)低速飛行。它們的翅膀通過(guò)向腹側(cè)和前側(cè)揮舞的下?lián)溥^(guò)程以及幾乎不產(chǎn)生氣動(dòng)力的收折上撲過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)這種撲翼動(dòng)作模式。由于翅膀在下?lián)溥^(guò)程中的向前掃掠運(yùn)動(dòng)，這種撲動(dòng)模式使飛行脊椎動(dòng)物的翼尖運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出向后傾斜的狀態(tài)，而這種傾斜狀態(tài)實(shí)際上受翅膀掃掠運(yùn)動(dòng)的幅度來(lái)支配——當(dāng)飛行脊椎動(dòng)物從起飛、降落或準(zhǔn)懸停的低速飛行狀態(tài)向巡航平飛的高速飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，翅膀的掃掠運(yùn)動(dòng)幅度逐漸減小，翼尖運(yùn)動(dòng)軌跡的向后傾斜程度也隨之減小，這使得轉(zhuǎn)換過(guò)程中飛行脊椎動(dòng)物的撲動(dòng)模式是連續(xù)變化的。作者把低速飛行狀態(tài)下包含了翅膀撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)（Flapping）、掃掠運(yùn)動(dòng)（Sweeping）、折疊運(yùn)動(dòng)（Folding）的這種撲動(dòng)模式定義為FSF撲動(dòng)模式，這種翅膀撲動(dòng)模式在仿生撲翼機(jī)器人領(lǐng)域鮮少被探討和應(yīng)用。
飛行脊椎動(dòng)物的FSF撲動(dòng)模式
為此，宋筆鋒教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研制了小隼2.0（RoboFalcon2.0）的仿生撲翼機(jī)器人，其通過(guò)全新的可重構(gòu)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠完美實(shí)現(xiàn)掃掠幅度與折疊幅度可調(diào)的FSF撲動(dòng)模式，從而首次實(shí)現(xiàn)姿態(tài)可控的仿鳥(niǎo)起飛運(yùn)動(dòng)。小隼2.0的FSF撲動(dòng)模式基于圓錐搖臂機(jī)構(gòu)，能夠?qū)鋭?dòng)翼的撲動(dòng)、掃掠、折疊運(yùn)動(dòng)耦合，從而維持相同撲動(dòng)周期下各自由度不同的撲動(dòng)相位；通過(guò)耦合精細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)柔性扭轉(zhuǎn)變形和展向彎曲變形，進(jìn)而首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)“撲動(dòng)-扭轉(zhuǎn)-掃掠-展縮-彎折”5種復(fù)合運(yùn)動(dòng)的完美復(fù)刻；并能通過(guò)兩種解耦機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)掃掠幅度和折疊幅度的重構(gòu)調(diào)節(jié)，更準(zhǔn)確地模擬了飛行脊椎動(dòng)物低速飛行時(shí)的撲翼運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程。
實(shí)現(xiàn)FSF撲動(dòng)模式的全新可重構(gòu)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)
通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)仿鳥(niǎo)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)力、柔性變形同時(shí)可測(cè)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了撲動(dòng)翼掃掠幅度對(duì)FSF撲動(dòng)模式產(chǎn)生的升力及俯仰力矩的影響機(jī)理。通過(guò)高精度計(jì)算流體力學(xué)仿真手段揭示了FSF撲動(dòng)模式的氣動(dòng)特性與前緣渦強(qiáng)度及壓力中心的前后位置變化強(qiáng)耦合的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理。
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果和高精度CFD仿真結(jié)果
通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真研究了基于掃掠幅度調(diào)節(jié)的俯仰控制策略對(duì)起飛階段俯仰姿態(tài)控制效果，并最終通過(guò)實(shí)機(jī)飛行測(cè)試驗(yàn)證了小隼2.0的仿鳥(niǎo)自主起飛能力與姿態(tài)控制能力。
小隼2.0成功實(shí)現(xiàn)仿鳥(niǎo)起飛過(guò)程
這項(xiàng)成果不僅能為鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)理的研究帶來(lái)新的視角與方法，并推動(dòng)仿生程度更高、飛行包線(xiàn)更廣的仿生撲翼機(jī)器人研究的發(fā)展。
文章鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adx0465
（文字、圖片：陳昂；審核：于輝）
