撲翼的案例
撲翼飛行器國內外研究狀況
作者：劉錦波，特立書院
背景知識
撲翼飛行器背景介紹
撲翼飛行器，是指像鳥—樣通過機翼主動運動產生升力和前行力的飛行器，又稱振翼機。人們的飛天夢想就是從模仿鳥類的撲翼機開始的。撲翼機以它無需跑道、機械效率高等優點吸引了人們的注意，但由于目前對撲翼空氣動力學研究不足、材料和結構研究較少等，發展尚不成熟。但正因為不夠成熟，出現了政府、民間、專業、業余呈百家爭鳴的局面。只要完成對幾大難點的破解工作，撲翼飛行器的上天便指日可待了。
撲翼飛行器早期歷史研究
人類對撲翼飛行器最早的創意可以追溯到古希臘工匠代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯，而最早文字記載的撲翼飛行器出自《漢書·王莽傳》。而最早符合現代工程學的撲翼飛行器設計圖的出現則直到文藝復興時期，由意大利畫家達·芬奇模仿鳥類飛行而繪制的。1874年，法國科學家馬雷以連續拍照的方式記錄下了鳥類在撲翼時的復雜動作，以當時的技術水平是不可能完成的。
1878年倫敦博覽會上，兩架撲翼機首次獲得展示。當時考夫曼設計的帶有蒸汽機的撲翼機方案引起了人們的極大興趣；英國人哈爾格萊夫制成了一架帶有發動機的撲翼機實用模型；德國人李林塔爾研制的撲翼機上裝了一臺小型發動機，為人力提供輔助力量；他們的理論和實踐成為撲翼機發展史上重要的里程碑。
早期人類對撲翼機的探索可謂不遺余力，但由于空氣動力學、控制裝置的研究尚不成熟，制作撲翼機的材料也比較單一，撲翼機的研究進展并不順利。隨著現代電子計算機、新型復合材料、控制技術等高科技領域的迅速發展，研制撲翼機也有了新的動力。
人類對撲翼飛行器最早的創意可以追溯到古希臘工匠代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯，而最早文字記載的撲翼飛行器出自《漢書·王莽傳》。
展開 仿生撲翼飛行器的控制系統
撲翼控制方法
撲翼飛行器的自主飛行離不開姿態控制及位置控制。
與傳統的固定翼和旋轉翼飛機不同，撲翼飛行器姿態的控制主要依靠撲翼運動方式的改變，并配合尾翼的輔助調節。撲翼控制方法可以分為主動或被動兩類，能控制機翼滾轉、俯仰和偏航運動。
（1）機翼旋轉調制（被動）：空氣動力產生機翼推動，使其與氣流對齊。機翼在空氣動力和慣性載荷下的無限運動受到兩個可調節止動器的限制。撲翼飛行器的攻角由機翼旋轉角的變化控制，從而影響升力和阻力參數。但存在機翼效率降低、噪聲和控制精度問題。
（2）機翼扭轉調制（主動）：基于扭轉對升力和阻力參數的影響原理，通過控制俯仰實現。柔性翼膜是被動變形的，但扭轉分布是通過擰緊/松動膜來控制的。翼膜附著在一個剛性的前緣上，翼尖的角度被調節以收緊或松開翼膜，以改變在中間沖程附近的膜的松弛度。從而產生扭轉、俯仰和偏航力矩。主要優點是使用較小的控制輸入，即可產生有效力矩。
撲翼控制方法示意（Nano Humming Bird頂視圖）
（a)機翼旋轉調制；（b）機翼扭轉調制。
左翼的攻角比右翼高于右翼，飛行器向右旋轉。
兩翼在行進方向前部增加攻角，飛行器俯仰。
展開 可懸停撲翼飛行器研究現狀與關鍵技術
根據翼展和機身質量，所有常見的FWAVs通常可分為微型級飛行器（Micro Air Vehicle，MAV，翼展<1 m，質量<2 kg）、納級飛行器（Nano Air Vehicle，NAV，翼展<75 mm，質量<10 g）和皮級飛行器（Pico Air Vehicle，PAV，翼展<50 mm，質量<500 mg）［8］。MAV尺度撲翼飛行器可定點盤旋，部分能實現懸停及豎直飛行；NAV尺度基本以小型鳥類和大型昆蟲作為研究對象，能實現懸停和垂直起降；PAV尺度以昆蟲作為研究對象，目前可實現克服重力起飛，但距離完全自主飛行仍有較大差距。本文將根據不同尺度類別對世界上著名研究機構的撲翼飛行器進行介紹。
2.1 MAV尺度下的懸停撲翼飛行器
MAV尺度下的懸停飛行器根據翅膀布局分為八翅撲翼、四翅撲翼和雙翅撲翼。多翅撲翼載荷更大，飛行時間更長，具備靈活飛行的潛力，在世界范圍引起廣泛關注。荷蘭代爾夫特大學在2018 年模仿果蠅的飛行特點制作了一種連桿驅動四翅撲翼飛行器［9］。盡管最終的樣機尺寸是果蠅的55倍，但該款飛行器可以成功模仿果蠅靈活的飛行機制。該樣機質量為28 g，翼展為33 cm，翅膀長度14 cm，懸停時撲翼頻率約為17 Hz，能實現7 m/s的最大速度和4 m/s的側向飛行。如圖1所示，樣機由左右兩套撲翼機構組成，每套撲翼機構由一個電機驅動，電機通過減速齒輪將動力輸出至兩個曲柄上，通過曲柄搖桿機構實現每套撲翼機構上的兩個翅膀的往復運動。
展開 流體力學揭秘蝴蝶飛行之謎
Johansson 表示，他們制作了兩種機械翼，一種是輕木制成的直角三角翼，另一種是乳膠薄膜翼，通過伺服發動機和 Arduino? 板控制。機械翼側面裝有鉸鏈，使其能夠旋轉和合攏。
柔性薄膜可以在合攏過程中形成杯形，而不易彎曲的輕木則不會，如此一來就可以對比性能，單獨研究杯形的作用。
Johansson 說，通過生物學家的風洞試驗和實驗室的機械翼試驗，他們對蝴蝶飛行動力學的認知取得了關鍵進展，并了解到如何加以重現。
他表示，他們發現，與輕木翼相比，柔性薄膜翼在撲翼過程中的推力和效率要高出 25%。他們還發現，蝶翼的上撲和下撲在飛行中各自發揮著不同作用。
“下撲可以產生垂向力，上撲及合攏則可以產生推力，”Johansson 說，“和大多數飛行一樣，垂向力占主導。在蝴蝶的飛行中，垂向力是推力的 9.4 倍。”
柔性翼可以提高撲翼推力和效率。（圖片所有權：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）
該團隊的完整研究成果發表于英國皇家學會期刊《界面》（https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2020.0854）。
Johansson 和 Henningsson 都沒有正式學習過 MATLAB，因此，Johansson 表示，軟件的便捷性、靈活性和易用性都對他們的研究工作起到了很大幫助。
“到目前為止，MATLAB 是對我們這個項目最有用的工具。”Johansson 說。
飛越蝴蝶
成功揭秘蝴蝶飛行后，Johansson 想要嘗試將這一方法更廣泛地運用于其他生物的飛行建模，包括鳥類、蝙蝠以及微生物。
早在人類之前，大自然就一直致力于讓飛行臻于完美。
展開 
Fluent實用案例 | 重疊網格UDF撲翼機氣動仿真
1 UDF說明
在本研究中采用重疊網格模型對撲翼機撲翼運動進行模擬。本案例選擇DEFINE_CG_MOTION進行定義，omega[0]代表z軸旋轉方向，本案例設計翼型上下擺動18°，相關的UDF代碼如下：
C
#include "udf.h"
#include "mem.h"
#include "dynamesh_tools.h"
DEFINE_CG_MOTION(pyj, dt, vel, omega, time, dtime)
{
NV_S(vel, =, 0.0);
NV_S(omega, =, 0.0);
omega[0]=0.314*cos(2*3.14*time);
}
2 workbench 設置
本案例需要設置如下三個模塊的計算，其中包括背景網格區域、前景網格區域與fluent計算三個部分，具體設置如下圖 ：
3 SCDM 設置
3.1 導入幾何
整體幾何結構如下圖:撲翼機翼型采用NACA0012，具體的幾何結構如下圖，x軸正向為壓力出口，負軸位速度入口，撲翼機表面為壁面，其余面位對稱面。重疊網格區域為內部圓柱區域。
撲翼機運動翼型命名為naca，靜止區域命名為bird。
4 Fluent Meshing 設置
4.1 網格設置
采用 SCDM 進行網格劃分，背景網格與前景網格皆采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。背景網格如下圖所示：
前景網格如下圖所示：
5 FLUENT 設置
5.1 General設置與網格導入
首先導入背景網格，其次通過下圖所示的方法將前景導入。
展開 1/2撲翼重疊網格動網格仿真，帶全套操作視頻教程+全部網格文件+fluent計算文件 ￥120
1/2撲翼重疊網格動網格仿真，帶全套操作視頻教程+全部網格文件+fluent計算文件
重疊網格撲翼仿真，幾何模型到ICEM文件到fluent計算文件等全部文件，fluent設置看case ￥80
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非均勻撲翼仿真全部模型文件網格文件和fluent計算文件，其中fluent設置方法都在case文件中 ￥80
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打破常規的迷你飛行器：它不需要任何運動部件
在小尺寸下，離子傳感器相比于相同大小的撲翼微型飛行器具有一個優勢，你可以設計一個以四旋翼飛行器為起點的控制器，因為離子傳感器使用四個類似配置的推進器。由于它沒有旋轉的螺旋槳，它不能利用角動量的變化來實現偏航，但事實證明“只要你有一點擺動的空間，快速，重復的俯仰，然后滾動”，可以導致偏航運動。
與我們所見過的其他微型飛行器一樣，現在最大的問題是我們是否可以實現有效載荷的自主運行控制。目前，離子傳感器攜帶的負載比它能承受的還要重，但此外它還需要 7 根外部電線來供電、數據傳輸和接地。加州大學伯克利分校的研究人員非常明確地表示，他們認為自主控制是可以實現的。
盡管最初的受控飛行演示肯定是在室內實驗室環境下進行的，但我們設想未來的離子飛行器將是一個能夠在室外飛行的全自動機器人。要想實現全自動需要在許多相互依賴的領域上取得進展，包括：系統開發，以便納入更多的機載計算、控制和傳感電子；進一步對 EHD 執行機構進行工程改進，在較低的工作電壓下提供更高的推力密度和效率；并進一步開發仿真環境和小型飛行規模的飛行測試設置，以開始開發更強大的具有高級功能的控制器。
研究人員認為，對于配備 IMU、控制 ASIC、驅動電路和光流傳感器的離子飛行器來說，100 毫克的有效載荷是合理的。光流傳感器可以僅在動力的情況下控制自主飛行。對小型電源的需求并不僅限于離子飛行器，它需要“結合高能量密度研究級電池”，這可能還不存在。此外，對執行器性能上的改進也是很必要的。好消息是還有很多改進的空間，研究人員似乎樂觀地認為他們將能夠從 EHD 推進器的設計中激發更多的能量。
展開 德國Festo仿生雨燕
玲瓏身材，靈活更節能
BionicSwift體重僅42克，翼展68厘米，體長44.5厘米，
羽片由輕盈且堅固的特殊發
泡材料制成，從而能在空中優雅飛行。
當向上拍打翅膀時，單個羽片會展開，以便空氣可以流過羽翼。在下降中，羽片會關閉，更強勁地俯沖。接近自然的仿真翅膀使BionicSwift的飛行軌跡要優于從前的撲翼驅動裝置，進一步節省驅動力和電池電量。
身材小巧，但功能卻一點不少。BionicSwift擁有用于羽翼拍打的緊湊結構和通訊技術，以及羽翼拍打、水平翼與尾翼所需的控制組件。
德國人又把仿生家族擴容了，這個世界太瘋狂了
仿生雨燕身長44.5cm，翼展68cm，重量只有42g，能靈活地在空域內以協調的方式自主控制飛行。
羽片采用超輕量化、高彈性、高強度的發泡材料，一根碳纖維翎羽管連接手翼和臂翼，相比之前的撲翼飛行器有著更好的飛行運動曲線。
在向上飛行時，每片羽毛會向外張開，讓氣流穿過翅膀，減少功耗。在向下飛行時，羽片向內收緊，增加BionicSwift的飛行力。
身上集成了緊湊的機械系統和電機，通過智能交互精確調節振翅的頻率以及各種機動飛行的升降舵。
通過和之前咱們分享的蝙蝠機器人—BionicFlyingFox相比看一下，BionicFlyingFox的運動由多個不同型號的電機控制，并采用機械耦合的形式結合在一起。
較大的無刷直流電機可以控制機器人翅膀的拍打動作，小型電機們分別調節翅膀的每個關節，來達到控制飛行高度與方向的目的。
BionicFlyingFox通過集成機載電子板與一個外置運動追蹤系統的相互配合，超輕型飛行物能夠在特定空間內進行半自主飛行，而仿生雨燕可以自主飛行了。
而2011年推出的Smartbird智能飛鳥，明顯看起來簡單太多了。
02
移動機器人
BionicMobileAssistant（移動機器人）便應運而生。它可在三維空間內獨立移動，識別物體、自適應抓取，并與人類進行合作。
2019年咱們分享過第一代氣動機械手是下面這個樣子，拇指和食指中還裝有旋轉模型，使這兩個手指可橫向移動。
展開 
柔性機器人的中國“貢獻”
浙江大學航空航天學院、浙江省軟體機器人與智能器件研究重點實驗室李鐵風副教授和黃志龍教授課題組從海洋生物鰩魚（蝠鲼）的柔軟身體與柔性撲翼推進獲得啟發，利用介電高彈體薄膜作為軟體人工肌肉驅動器。
來自凱斯西儲大學的研究人員則開發了一種基于折紙設計的新型3D打印柔性機器人，其可變形性使其形狀變形來吸收額外的力，不需要任何額外的傳感器來檢測力并調整自身。因此，必要的人力干預量急劇減少并且軟而安全。
柔性機器人的材料和驅動
需要高靈活性和可變形性的柔性機器人，主要技術難點在于其構成材料，其次在于驅動上，因為傳統的剛性連接器和外殼已不再適用，人們會想辦法保證其材料的柔軟性，目前比較常見的是通過3D打印的方式來制作“外殼”，比如水凝膠造出的膠狀機器人，MIT的一個研究團隊就做了嘗試性的試驗，他們用3D打印和激光切割打造出水凝膠的外殼，實現“身體”的“柔韌性”，然后通過液壓驅動的方式驅動機器人的運動。
再就是通過一些特殊的材料來打造類似于人造肌肉的材料，像電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金這樣的物質都是人造肌肉的良好材料，以形狀記憶合金為例，它可以根據溫度自動改變形狀，并且能夠記住這些形狀，實現彎曲、變短、抓取物體等動作。
新進展比較多的材料就是文章一開始提及的液態金屬，可以在電、磁、光、熱、化學、機械等外場控制下，在不同的形態和運動模式上任意切換，甚至吃”掉“燃料”后，能夠自主運動等類生物行為。。
從材料來看，主要是電力驅動，比如上述的人造肌肉材料等職能材料需要通電產生的形變產生驅動力，其次就是利用環境的變化來獲取動力，如溫度、空氣以及光照等方式。但是這些驅動方式也有很大的隱患，機器人的運動精度控制上有難度，另一方面，如果驅動機器人運動所需的電場強度過高，也會影響它在一定范圍內的運動。
展開 波士頓動力上榜！Science雜志年度十大機器人公布
DelFly讓我看到了一款卓越、無尾、無繩、自動、可編程、小型（28 g）撲翼飛行器的設計。
該飛行器具有出色的靈活性，能夠進行360°側傾和俯仰翻轉，角加速度高達5000°s-2。
雖然它是果蠅大小的50倍以上，并且不模仿任何特定天然飛行物的機翼形態或運動學。
但機器人可以作為一種新的物理模型，來測試飛行生物如何進行飛行控制。
令人驚訝的是，即使沒有明確控制所有旋轉軸，DelFly Nimble也可以精確地再現果蠅的快速逃逸動作。
我們認為它是“科學機器人和科學機器人科學”的范例，并期望它將推動飛行機器人的發展。
Top 8：柔軟的可穿戴式機器人
在日常生活中佩戴外骨骼時，大多數人都不想像鋼鐵俠那樣。
一種輕盈，有彈性的外套，提供了整合面料設計、感應、機器人控制和驅動的新方法，以增加穿著者的力量，平衡和耐力。
潛在的應用包括幫助老年人增強肌肉力量，支持他們的活動性和獨立性，以及恢復因中風，多發性硬化癥或帕金森病引起的運動障礙的兒童和成人。
Human-in-the-loop優化進一步允許機器人與人的無縫集成，提供個性化控制策略和適應。
Top 9：Universal Robots（UR）e系列Cobots
、
從研究實驗室到裝配線和物流到外科手術指導，UR機器人手臂盡管外表不起眼，但它們正變得無處不在。
該公司正在圍繞其核心產品開發一個生態系統。他們在2018年推出的新型e系列協作機器人，呼應了協同自動化的大趨勢。
憑借增強的安全功能和力/扭矩感應，我們期望在機器人可以在與人類操作員無縫學習和協作，在各種環境中看到更智能的人機交互。
Top 10：索尼的Aibo
近20年前首次推出的索尼玩具犬aibo的回歸，受到了許多人的歡迎。
展開 縱橫股份：工業無人機技術厚積薄發，更有5G技術為業務發展插上騰飛的翅膀
特別是在飛控與航電方面，公司具有飛控與導航系統、地面指控系統、綜合航電系統的自主設計研發能力，掌握了總能量飛行控制、基于神經網絡的自適應控制、L1模型參考自適應控制等前沿控制技術，相關產品具有高智能性、高適應性和高可靠性的特點，以一種軟硬件架構實現了固定翼、直升機、多旋翼以及撲翼等多種飛行器類型的自動適配，對于常規布局的無人機幾乎無需調整參數就能滿足全程自主飛行控制。
公司自主研制的飛控與地面指控系統應用于國家多個重大航空項目的飛行試驗驗證平臺，包括多用途輕型水陸兩棲飛機海鷗300縮比驗證機自由飛失速/尾旋試驗、軍用大型運輸機Y-20縮比驗證機自由飛試驗、下一代民用客機縮比驗證機“靈雀 B”全流程試飛、民用客機C919縮比驗證機自由飛失速試驗等。
此外，縱橫股份也非常重視5G環境下的產品迭代創新。在招股書中，
縱橫股份38次提到5G，分析指出：
“工業無人機應用場景高度契合國際電信聯盟定義的5G三大應用場景，即增強移動帶寬、超高可靠低時延通信以及大規模機器類通信，以5G技術為代表的下一代移動通信技術是目前工業無人機數據鏈的最優解決方案”，并通過子公司綿陽禹航在四川地區打造5G網聯無人機飛行測試基地的重要業務布局。
開源證券也在近日發布的研報《5G賦能、民用引領、無人機產業迎來新變革》中提到，5G通信技術具備uRLLC、eMBB、mMTC三大特性，相對4G在連接速度、流量密度、峰值速率、移動性等指標上有較大幅度提升，5G與無人機的結合不僅包括新一代網絡的接入，還有邊緣計算技術等方面提高。
展開 美國《科學》雜志發布年度10大機器人！盤點2018年國外機器人10大技術發展成果
DelFly讓我看到了一款卓越、無尾、無繩、自動、可編程、小型（28 g）撲翼飛行器的設計。
該飛行器具有出色的靈活性，能夠進行360°側傾和俯仰翻轉，角加速度高達5000°s-2。
雖然它是果蠅大小的50倍以上，并且不模仿任何特定天然飛行物的機翼形態或運動學。
但機器人可以作為一種新的物理模型，來測試飛行生物如何進行飛行控制。
令人驚訝的是，即使沒有明確控制所有旋轉軸，DelFly Nimble也可以精確地再現果蠅的快速逃逸動作。
我們認為它是“科學機器人和科學機器人科學”的范例，并期望它將推動飛行機器人的發展。
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在日常生活中佩戴外骨骼時，大多數人都不想像鋼鐵俠那樣。
一種輕盈，有彈性的外套，提供了整合面料設計、感應、機器人控制和驅動的新方法，以增加穿著者的力量，平衡和耐力。
潛在的應用包括幫助老年人增強肌肉力量，支持他們的活動性和獨立性，以及恢復因中風，多發性硬化癥或帕金森病引起的運動障礙的兒童和成人。
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e系列Cobots
、
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憑借增強的安全功能和力/扭矩感應，我們期望在機器人可以在與人類操作員無縫學習和協作，在各種環境中看到更智能的人機交互。
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