鄒 陽(yáng) 張衛(wèi)平 周 歲 王晨陽(yáng) /

(上海交通大學(xué),電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

昆蟲(chóng)尺度微型仿生飛行器的研究

鄒 陽(yáng) 張衛(wèi)平 周 歲 王晨陽(yáng) /

(上海交通大學(xué),電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

微型仿生飛行器的研究涉及仿生學(xué)原理、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力和原理樣機(jī)的研制等。概述了上海交通大學(xué)針對(duì)昆蟲(chóng)尺度的微型仿生飛行器的新穎的設(shè)計(jì)和加工方法。該方法確保了零部件空間位置的合理安排，從而減少了零部件的裝配難度。具體來(lái)說(shuō)，壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)考慮了電氣隔離和裝配問(wèn)題；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身整合成一個(gè)部件，避免了相互之間的裝配。翅脈的纖維方向進(jìn)行了合理的布置，使得翅膀擁有高強(qiáng)度和高剛度。最終，研制的壓電驅(qū)動(dòng)微型仿生飛行器重84mg，翼展35mm，在100Hz的拍打共振頻率下可以產(chǎn)生±60°的拍打角度，能產(chǎn)生足夠的升力實(shí)現(xiàn)起飛。

仿生學(xué)；微型飛行器；壓電驅(qū)動(dòng)器；共振頻率

0 引言

昆蟲(chóng)通過(guò)拍動(dòng)翅膀飛行，表現(xiàn)出很強(qiáng)的敏捷性、機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性，并且可以產(chǎn)生自身重量幾倍的升力[1-5]。撲翼飛行的氣動(dòng)力機(jī)制在許多方面與固定翼飛行不同[4-5]，其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于能產(chǎn)生穩(wěn)定的氣動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)懸飛。近幾十年來(lái)，許多研究人員一直在從事昆蟲(chóng)飛行機(jī)制的研究，并嘗試研制微型仿生飛行器[6-8]。值得慶幸的是，微型仿生飛行器的研究在過(guò)去幾年中取得了前所未有的進(jìn)展。例如，哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)微型仿生飛行器的首次起飛[6]。普渡大學(xué)仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一款電磁驅(qū)動(dòng)微型仿生飛行器，實(shí)現(xiàn)了起飛[7]。

隨著尺寸的縮小，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)。對(duì)于昆蟲(chóng)尺度的微型仿生飛行器(通常翼展<5cm，重量<1g)，傳統(tǒng)的機(jī)械部件效率低下，因?yàn)樵谶@個(gè)尺度，表面力開(kāi)始起到比體積力更重要的作用。上海交通大學(xué)研制了一臺(tái)電磁驅(qū)動(dòng)的昆蟲(chóng)尺度微型仿生飛行器[8]和一臺(tái)壓電驅(qū)動(dòng)的昆蟲(chóng)尺度微型仿生飛行器[9]，均成功實(shí)現(xiàn)了克服重力起飛。本文以壓電驅(qū)動(dòng)的昆蟲(chóng)尺度微型仿生飛行器為例，概述了上海交通大學(xué)昆蟲(chóng)尺度微型仿生飛行器的設(shè)計(jì)和加工方法以及相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)。

1 設(shè)計(jì)與制造

1.1 整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，昆蟲(chóng)翅膀由間接肌肉(背部腹側(cè)肌肉和背部縱向肌肉)驅(qū)動(dòng)，從而產(chǎn)生上沖程和下沖程。同時(shí)，翅膀產(chǎn)生不受肌肉控制的被動(dòng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生升力[10-11]。

之前已經(jīng)嘗試使用CFD的方法研究了蜂鳥(niǎo)撲翼飛行的周圍流場(chǎng)分布，獲得了一些升阻力的數(shù)據(jù)[12]。除此之外，還基于葉素法建立了昆蟲(chóng)撲翼飛行的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力模型[13]，并在懸飛條件下對(duì)昆蟲(chóng)翅膀的形貌學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了優(yōu)化[14]。前期的理論工作為微型仿生飛行器樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了有力的參考。

如圖2所示，上海交通大學(xué)研制的微型仿生飛行器由壓電驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身、一對(duì)翅膀和輔助零件組成。每個(gè)翅膀分別膠合在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，各自擁有兩個(gè)自由度，即拍動(dòng)和扭轉(zhuǎn)。在翅膀根部設(shè)計(jì)了柔性鉸鏈，允許翅膀在慣性力和氣動(dòng)力作用下發(fā)生被動(dòng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生升力。

1.2 壓電驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器的選擇主要考慮其輸出力、位移和響應(yīng)速度等因素。懸臂梁式雙晶片壓電驅(qū)動(dòng)器具有位移精度高、響應(yīng)速度快、輸出力矩大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是一種良好的驅(qū)動(dòng)方式[6]。之前的工作已經(jīng)對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的幾何形狀和材料選型進(jìn)行了優(yōu)化，最大限度地提高了其功率密度[15]。因此，本文重點(diǎn)介紹的是壓電驅(qū)動(dòng)器的加工工藝。

如圖3所示，壓電驅(qū)動(dòng)器由七層平面材料通過(guò)激光加工制作而成。首先，使用紫外激光將七層平面材料(包括 PZT、玻璃纖維和碳纖維)圖案化從而獲得所需的平面形狀。然后，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的定位孔和槽，將七層平板按照特定的順序疊合在一起。在高溫高壓的條件下，碳纖維和玻璃纖維中的環(huán)氧樹(shù)脂固化，并將七層平板粘合在一起。最后，使用紫外激光切割外形結(jié)構(gòu)，釋放出壓電驅(qū)動(dòng)器。

1.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將壓電驅(qū)動(dòng)器的位移放大，轉(zhuǎn)化為翅膀的往復(fù)拍打運(yùn)動(dòng)。但是，隨著尺度的縮小，表面力的作用開(kāi)始強(qiáng)于體積力，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)變得低效。因此，如圖4(a)所示，最終選用了基于柔性鉸鏈的四連桿機(jī)構(gòu)作為微型仿生飛行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[16]。機(jī)身的主要作用是定位、固定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器。另一方面，在保證機(jī)身剛度的前提下，應(yīng)該盡可能減輕其重量。

由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征尺寸和總體尺寸都相對(duì)較小，導(dǎo)致了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身之間的裝配問(wèn)題。例如，使用手動(dòng)過(guò)程很難將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身裝配在一起。另外，裝配誤差對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特征尺寸的精度影響很大。在本文中，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身集成在一個(gè)部件中(見(jiàn)圖4(b))，避免了兩者之間的裝配，保證了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特征尺寸的精度。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身的制造包括兩個(gè)部分：柔性鉸鏈和折疊結(jié)構(gòu)。柔性鉸鏈可用作“軸”，而折疊結(jié)構(gòu)可用于平面形狀到三維形狀的轉(zhuǎn)化。這兩個(gè)部分均由兩層80μm厚的碳纖維和一層7.5μm厚的聚酰亞胺薄膜疊合而成。其中，碳纖維作為剛性結(jié)構(gòu)層，聚酰亞胺作為柔性變形層。柔性鉸鏈和折疊結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程如圖5所示。值得強(qiáng)調(diào)的是，折疊結(jié)構(gòu)一旦被釋放，它們就需要根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的折痕進(jìn)行折疊，然后使用瞬干膠鎖住。

對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身的一體化部件，通過(guò)使用圖5中的加工過(guò)程很容易獲得其平面結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)折疊和鎖定之后，可以獲得其三維結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

1.4 翅膀

人工翅膀的設(shè)計(jì)仿照真實(shí)昆蟲(chóng)Eristalis tenax的翅膀形狀和大小。翅膜使用1.5μm厚的聚酯膜(Ultra-polyester)，翅脈使用60μm厚的碳纖維預(yù)浸料。最終，獲得的單個(gè)翅膀重量為0.5mg，翅膀長(zhǎng)度為13mm。人工翅膀和Eristalis tenax翅膀的形貌學(xué)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 人工翅膀和Eristalis tenax翅膀的形貌學(xué)參數(shù)

其中，R是翅膀長(zhǎng)度，rk(S)是翅膀的無(wú)量綱k階面積矩回轉(zhuǎn)半徑，Eristalis翅膀的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于Ellington C P[17]。

碳纖維材料是單向的，沿著纖維方向的模量遠(yuǎn)高于垂直于纖維方向的模量。如圖7(a)所示，翅膀的前緣和翅脈之間存在一個(gè)很大的角度(約45°)。如果將前緣和翅脈同時(shí)從單個(gè)碳纖維片材上加工獲得，則不可能保證它們都沿著纖維方向。如果前緣和翅脈分開(kāi)制造并使用手動(dòng)裝配，則難以保證翅膀的重復(fù)性和一致性。在本文中，如圖7(b)所示，前緣和翅脈在不同的碳纖維片材中加工獲得，同時(shí)保證了它們都沿著碳纖維的纖維方向。然后，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的定位孔，將兩層碳纖維片材疊合在一起，并將1.5μm厚的聚酯膜夾在兩層之間。最后，通過(guò)紫外激光器切割外形釋放出最終的翅膀。

翅膀根部的制造工藝與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類似，采用60μm厚的碳纖維和7.5μm厚的聚酰亞胺制造而成，如圖7(c)所示。

1.5 輔助零件

輔助零件包括加強(qiáng)筋和鉤子。它們由兩層80μm厚的碳纖維制成，兩層碳纖維的纖維方向正交。如圖8所示，使用紫外激光器可以很容易地制造出加強(qiáng)筋和鉤子。

1.6 整機(jī)裝配

所有部件按照一定的順序通過(guò)手工方式裝配起來(lái)，形成了最終的壓電驅(qū)動(dòng)微型仿生飛行器，如圖9所示。表2列出了所有部件和整機(jī)的重量。

部件重量/mg壓電驅(qū)動(dòng)器55傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身12翅膀(一對(duì))1翅膀根部1加強(qiáng)筋和鉤子9導(dǎo)線、膠等6整機(jī)84

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 壓電驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試

如圖10所示，對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了頻率-幅值測(cè)試。使用雙通道信號(hào)發(fā)生器(NI PXIe-6124)配合壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；使用激光位移傳感器(來(lái)自KEYENCE，型號(hào)LK-G30，感測(cè)范圍10mm，再現(xiàn)性0.05μm，帶寬50kHz)測(cè)量壓電驅(qū)動(dòng)器的尖端位移。

為了確定壓電驅(qū)動(dòng)器的諧振頻率，我們將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的峰值設(shè)置為固定值250V，并將信號(hào)發(fā)生器工作在掃頻模式下?？蛰d條件下，測(cè)得壓電驅(qū)動(dòng)器的諧振頻率約為700Hz，此時(shí)尖端振幅約為±1.5mm；負(fù)載條件下(帶動(dòng)翅膀)，測(cè)得壓電驅(qū)動(dòng)器的諧振頻率約為100Hz，此時(shí)尖端振幅約為±380μm，對(duì)應(yīng)的翅膀拍打幅度約±60°。

2.2 微型仿生飛行器起飛測(cè)試

為了避開(kāi)俯仰、翻滾和偏航力矩對(duì)飛行器的影響，我們將飛行器放置在豎直導(dǎo)軌上，使得其只能在豎直方向移動(dòng)。豎直導(dǎo)軌由自鎖裝置拉緊。在外部電源(頻率為100Hz，峰峰值為250V)的激勵(lì)下，壓電驅(qū)動(dòng)微型仿生飛行器沿著豎直導(dǎo)軌起飛，如圖11所示。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)地概述了上海交通大學(xué)昆蟲(chóng)尺度微型仿生飛行器的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試方法。

1) 通過(guò)使用該方法，壓電驅(qū)動(dòng)器展現(xiàn)出了很高的性能指標(biāo)。

2) 成功地避免了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)身的裝配。

3) 研制了一種重量小于100mg的壓電驅(qū)動(dòng)微型仿生飛行器，并成功實(shí)現(xiàn)了起飛。

[1] Wang Z J. Dissecting insect flight[J]. Annu. Rev. Fluid Mech., 2005, 37: 183-210.

[2] Ellington C P. The aerodynamics of hovering insect flight, IV. Aerodynamic mechanisms[J]. Philosoph. Trans. Roy. Soc. London. Ser. B, Biol. Sci., 1984, 305: 79-113.

[3] Sane S P. The aerodynamics of insect flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2003, 206(23): 191-208.

[4] Dickinson M H, Lehmann F O, Sane S P. Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight[J]. Science, 1999, 284(5422):1954-1960.

[5] Sane S P, Dickinson M H. The aerodynamic effects of wing rotation and a revised quasi-steady model of flapping flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2002, 205(8):1087-1096.

[6] Wood R J. The first takeoff of a biologically inspired at-scale robotic insect[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(2): 341-347.

[7] Roll J A, Cheng B, Deng X. An Electromagnetic Actuator for High-Frequency Flapping-Wing Microair Vehicles[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2017, 31(2):400-414.

[8] Zou Y, Zhang W, Zhang Z. Liftoff of an Electromagnetically Driven Insect-Inspired Flapping-Wing Robot[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2016, 32(5): 1285-1289.

[9] Zou Y, Zhang W, Ke X, et al. The design and microfabrication of a sub 100 mg insect-scale flapping-wing robot[J]. IET Micro & Nano Letters, 2017, 12(5): 297-300.

[10] Ennos A R. The inertial cause of wing rotation in Diptera[J]. J.exp.biol, 1988, 53(1):161-169.

[11] Whitney J P, Wood R J. Aeromechanics of passive rotation in flapping flight[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2010, 660(660):197-220.

[12] Yang S, Zhang W. Numerical analysis of the three-dimensional aerodynamics of a hovering rufous hummingbird (Selasphorus rufus)[J]. Acta Mechanica Sinica, 2015, 31(6): 931-943.

[13] Ke X, Zhang W, Cai X, et al. Wing geometry and kinematic parameters optimization of flapping wing hovering flight for minimum energy[J]. Aerospace Science and Technology, 2017, 64： 192-203.

[14] Ke X and Zhang W. Wing Geometry and Kinematic Parameters Optimization of Flapping Wing Hovering Flight[J]. Applied Sciences, 2016, 6(12)： 390.

[15] 柴雙雙, 張衛(wèi)平, 柯?？?，等. 仿昆撲翼微飛行器中壓電驅(qū)動(dòng)器的性能參數(shù)分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 49(5):663-668.

[16] 鄒才均, 張衛(wèi)平, 柯?？。? 仿昆撲翼微飛行器中高效傳動(dòng)鉸鏈的研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,48(3):439-444.

[17] Ellington C P. The aerodynamics of hovering insect flight, II. Morphological parameters[J]. Philosoph. Trans. Roy. Soc. London. Ser. B, Biol. Sci., 1984, 305: 17-40.

Research on Insect-scale Flapping-wing Micro Aerial Vehicles

ZOU Yang ZHANG Weiping ZHOU Sui WANG Chenyang

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The research of flapping-wing micro aerial vehicles (FMAVs) involves the study of bionics principles, quasi-steady-state aerodynamics and prototypes development. This paper gives an overview of a novel method for designing and fabricating insect-scale FMAVs from Shanghai Jiao Tong University. Each component is properly designed and reasonably arranged to reduce the assembly difficulties of such insect-scale FMAV. Specifically, the design of the piezoelectric actuator has taken into account the electrical isolation and assembly issues. The transmission and the airframe are integrated into one component to avoid assembly difficulties. Fiber directions of the wing veins are reasonably arranged to possess high strength and high stiffness. As a result, this FMAV, which weighs 84mg with a wingspan of 35mm, can generate sufficient thrust to take off with a flapping amplitude approximately ±60° under the resonant wingbeat frequency of 100Hz.

bionics; micro aerial vehicals; piezoelectric actuators; resonant frequency

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.019

鄒陽(yáng)男，博士生。主要研究方向：微型仿生飛行器。Tel: 13122183290,E-mail: zystccc@sjtu.edu.cn

預(yù)研項(xiàng)目(LZY2016215, 301020803, 1620010701)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-10-0583)；教育部支撐項(xiàng)目(6141A02022607)；上海專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目(16DZ2290103)

V211.8

：A

張衛(wèi)平男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：微型仿生飛行器、MEMS和微慣性技術(shù)。Tel: 021-34208598,E-mail: zwp37@163.com