图２鸟类翅翼结构
面：手骨（腕骨、掌骨和指骨）简化而并合，前肢
＋基金项目：国家自然科学基金（５０５７５１８３）；博士点专项科研基金（２００５０６９９０２２）
万方数据
·２·
机床与液压
第３５卷
仅能在一个平面上作折翅和张翅的关节运动，因而有 利于在胸肌支配下形成一个有力的抗击空气的整体。 翅上着生的羽毛是翼的重要组成部分，其中在手骨上 着生的称为初级飞羽，在前臂上着生的称为次级飞 羽，它们在扇动翅膀时产生的力不同。此外，在鸟翼 的翼角（腕部）生有一小簇羽毛成为小翼羽，也对 控制飞行起重要作用，每一支飞羽都由羽轴和羽片构 成，羽轴的基部深入皮肤内，羽片由羽轴两侧平行伸 出的很多羽枝构成。每一羽枝两侧密生成排的羽小 枝，上有钩突，彼此钩连，因而构成坚韧而富有弹性 的羽片。飞翔的结构对鸟类飞行的适应还表现在每一 羽的外羽片狭窄，内羽片宽阔，各羽从外向内依次覆 盖。羽轴在气流作用下还略有旋转能力，因而当鸟类 扑翼飞行时飞羽之间随扬翅而出现裂隙便于空气通 过，而在翅膀下拍时各羽联合成严实的翼面以获得最 大的动量。整个鸟翼的背部为弧面，空气流过时能产 生大的升阻比，有利于飞翔。
本文从仿生学的角度分析微扑翼飞行器的机翼及 驱动机构的设计，以期能够找到最佳设计方案，实现 可持续扑翼飞行。 １ 鸟类的飞行机理及其生物学构造
扑翼飞行是鸟类靠自身体力和特殊生理构造实现
行（如图１）。 如今人们正朝着这一梦想在不断努力探索。基于
的一种较复杂的动力飞行。所需空气动力主要来自于 往复扑源自的翅膀与周围空气间的相互作用。从能量角
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＦＭＡＶｓ；Ｂｉｏｎｉｃｓ； Ｄｒｉｖｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ
０ 引言
由于其体积小、重量轻、成本低、隐身性和可操作性
自然界的鸟类有令人
叹为观止的飞行能力，自
古以来人们就渴望象鸟儿
那样翱翔蓝天。古今中外
人们一直不停地在进行这
方面的探索，西汉时期
《鸿书》记载“公输般 （鲁班）制木鸢以窥宋
仿生学的微扑翼飞行器（ＦＭＡＶ）的研究使人们正在 实现着人类航空史上最原始的梦想。微扑翼飞行器 （Ｆｌ印ｐｉｎｇ—ｗｉｎｇ Ｍｉｃｍ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＦＭＡＶ）是一种 模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。仿生学和空气
度看，这种飞行是靠消耗鸟自身的能量来维持的。 鸟翼是适应飞行
的主要器官，鸟翼的 骨骼薄而轻，并有充
行器的动力问题是研究的一个瓶颈，因此高效节能的
微扑翼传动机构设计具有很重要的意义。
驱动机构的设计原则是： ①能实现预定的运动规律；② 尽可能简单轻巧，即满足需要 的情况下，重量和尺寸越小越 好；③运动高效可靠，即运动 机构的效率要高，能量消耗要 少，且在高频的扑翼运动下机 构不会失效。在研究过程中提 出了几种驱动机构的模型：曲 柄滑块机构、凸轮弹簧机构、
选定仿生驱
Ｈ。蹴，ｆ动机构模型 ｛多
｜Ｉ自主开发 且扑翼软件 计算扑翼角度及 其它参数 ｛－
一ＡＤＡＭｓ运动仿真
Ｕ
Ｉ试制样机Ｉ
平面连杆机构、空间连杆机构、 图３仿生驱动机构
弹性支撑机构。综合比较各种
设计流程图
机构的特点，选用扑翼运动实
现形式简单，效率高、重量轻、容易微小化的平面连
杆机构。
在选定了驱动机构模
行机理的分析，进行机翼和驱动机构的仿生学设计，提出了一种高效节能的驱动机构，并制作了翼展３００ｍｍ微扑翼飞行器
样机。试飞结果表明，该飞行器可进行姿态良好的飞行，可持续飞行ｌＯ～２０ｓ，其结构具有一定的实用价值及应用前景，
为微扑翼飞行器的进一步微型化打下基础。
关键词：微扑翼飞行器；仿生学；驱动机构
中图分类号：ＴＰ２４２
复杂而不予采用。平直型机翼实际制作中以聚酯薄膜
为蒙皮，机翼可看做是刚性的，只要控制好扑翼频
率、扭转角和扑翼幅值的大小及其相互关系就可以实
现样机的扑翼飞行。在低湍流度风洞实验和试飞过程
中此种机翼一直表现良好。
２．２驱动机构
扑翼飞行主要是靠消耗鸟的自身能量来维持的，
如何提供足够的动力是一个难题。动力源可以利用太
鸟翼是一种轻巧的可变翼，它既有飞机机翼那样 的飞行表面，又有初级飞羽向下、向前扇击而有推进 器的功能，借不断改变翼的形状和大小（负载面积） 以及翼与躯体间的相对位置而适应各种飞行条件下空 气动力学的需要。鸟类的尾翼宽而坚韧，在飞行中起 舵的作用，有助于着陆、转身和减速。各飞羽末端之 间的裂隙和气流作用下的弹性变形，也能使气流趋于 平缓，鸟类飞行的翼梢涡流可产生阻力，增加翼的长 度可以减少这种涡流，能分隔开翼端的涡流干扰，因 此长而狭的翼比短而宽的翼在飞行中更有效，但机动 性差。展弦比大的升阻力值也高。善于翱翔的大型海 鸟信天翁展弦比为２５，海鸥和雨燕为１１，乌鸦为６， 麻雀为５。翼负载（体重与翼面积之比值）对鸟类飞 行也有重要作用，快速飞行的鸟类大多具有较小的翼 和较快的扇翅频率，而翼面积较大的鸟类则能较缓慢 地扑翼飞行，这是因为升力和阻力都与翼面积和速度 平方的乘积成正比，所以大型鸟类一般翼负载较大， 例如天鹅为２００Ｐａ，野鸭为１００Ｐａ，乌鸦为３０Ｐａ。因 此在设计机翼及驱动机构时要考虑选择与扑翼飞机大 小相适应的鸟类，来提高仿生学设计的效率。 ２机翼和驱动机构的仿生设计
表ｌ 几种微扑翼飞行器机翼
陟 ｑｐ
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平直型机翼 带翼型机翼 折叠型机翼 开孔型机翼 平直型机翼由于设计制作简单，因而在我们实际
研制过程中得到较多的应用，其它几种机翼虽然在运
万方数据
第６期
张明伟等：微扑翼飞行器的仿生结构研究
·３·
动形式Ｊ：更有鸟类的因素，但是由于噪声大，制作
在设计仿生机翼时通过控制正、负扑翼角（例 如＋３０．７。，一３８．９。）的相对大小来模仿鸟翼的上提 和下拍，然后在使机翼有一个固定的仰角以使扑翼机 产生升力和阻力。对于鸟类骨骼充气轻盈现象，在机 翼骨架设计中采用不同规格的碳纤维；布局上采用辐 射状，可增加机翼的刚度，同时节省材料。
微扑翼飞行器机翼的形状、布局形式和材料对飞 行效果都有很大影响，此外机翼是柔性或是刚性对飞 行也有影响。通过总结多次试飞情况，发现机翼的制 造工艺对飞行的成功具有决定性的影响。在机翼仿生 研究中设计了几种不同的翼：平直型机翼，带翼型机 翼，折叠型机翼，开孑Ｌ型机翼。
动力学研究均表明，对于特征尺寸相当于鸟或者昆虫 的微型飞行器来说，扑翼飞行要优于固定翼和旋翼飞 行器。微扑翼飞行器的主要特点是将举升、悬停和推 进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量进行长 距离飞行，同时，具有较强的机动性。微扑翼飞行器
气现象，很多骨骼为
适应飞行生活而合并
或消失（如图２）。
特别表现在前肢方
微扑翼飞行器的结构仿生，是模仿鸟类的形态、 结构和控制原理，从而设计制造出的功能更集中、效 率更高并具有生物特征的机械。但是在进行仿生设计 的过程中要克服一些思维定式，不能只限于形体上的 单纯模仿，要以产生类似鸟类扑翼的运动效果为目 的。在多自由度的协调配合下，鸟类肌肉在瞬间运动 下发出很大的力量，比人类制造的任何机器都完美得 多。要想达到鸟类的飞行水平除了不断的研究飞行机 理，还要另辟蹊径，并注意鸟类的肌肉与转动的微型
文献标识码：Ａ 文章编号：１００ｌ一３８８１（２００７）６—００１—３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＢｉｏＩＩｉｃ Ｍａｃｈｉｍ ｏｆ ＦＭＡＶｓ
ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇｗｅｉ，ＦＡＮＧ Ｚｏｎｇｄｅ。ＺＨＯＵ Ｋａｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｍ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ⅺ’ａｎ ７ １００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔ腿ｃｔ：Ｔｈｅ ｎ印ｐｉｎｇ·ｗｉｎｇ ｍｉｃｍ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＦＭＡＶ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏｎｉｃｓ ｉｓ ａ ｓｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ａｉｒｃｒａｆｔ ｗｈｉｃｈ ｉｍｉｔａｔｅｓ ｂｉｒｄ ｓ．Ｉｔ ｈ踮
阳能阵列、内燃机或电池，也有静电驱动或压电驱动
方面的研究。目前比较成熟的技术是利用电池加微电
机，微型且型号多，便于开展实际试飞。但是仍有一
定的局限性，动力不足一直是个问题，根据电机的破
坏性实验，５ｍｉｎ是一个警戒线，电池（锂镍电池，
型号０４１７３０ １６０ｍＡｈ）电压迅速下降，电机灼热，以
致不能扑动，实验是固定扑翼飞机在地面上做，共做
在正常飞行（相当于固定翼飞机的匀速平飞状 态）时，翅膀扑动的一个周期大致可以分成以下４ 个阶段。①下拍阶段：充分伸展的翅膀从鸟的身体后 上方向下前方运动，在下拍的同时翅膀向前扭转，此 时翅膀基本保持平直，弯曲很小。②弯曲阶段：在最 低点翅膀有一个小停顿，翅膀外端向下折叠成一拱 形，弯曲较大，准备上提。③上提阶段：翅膀从最低 点开始上提，但只是肱骨部分抬起，腕关节只稍向后 扭转，仍保持低下位置，整个翅膀保持折叠成拱形， 羽毛逐渐张开。④展平阶段：肱骨几乎抬到最高点 时，前肢迅速抬起到“充分高”的部位，翅膀迅速 展平，然后重复开始第一阶段。在鸟类扑翼运动的下 拍与上提两个主要阶段，鸟翼的形状与使用的时间也 有不同，下扑段所用时间较多，展向弯度较小；上提 段所用时间较少，展向弯度较大。由于鸟类翅膀的挥 摆角度对气动力的影响较小，为简化分析及方便以后 的计算，忽略翅膀的挥摆运动，从下拍与上提两种主 要方式实现扑翼飞行。
电机运动方式的区别。 ２．１机翼结构设计
设计和制造具有非定常空７ ｅ动力学特性的高效仿 鸟翅翼，是仿鸟微扑翼飞行器研究中富于挑战性的一 个研究难题。机翼结构是影响鸟类飞行很关键的一个 因素，不同的机翼结构决定了不同的扑翼运动方式。 研究发现，翅膀在飞行过程中有４种基本的运动方 式：扑动、扭转、挥摆、折叠。
图１达芬奇设计的扑 翼机复原模型
城”，王莽时代曾有人用鸟类羽毛试验过“飞人”，
东汉时代的科学家张衡也曾制作过木鸟，晋朝的葛洪