【儀表網 研發快訊】近日，西北工業大學航空學院宋筆鋒教授團隊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》在國際知名學術期刊Science子刊《Science Advances》期刊發表。航空學院博士生陳昂為第一作者，并與航空學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隊學生劉康，王智賀、戚洪鐸等。
鳥類與蝙蝠等飛行脊椎動物普遍采用一種特殊的撲翼動作來實現低速飛行。它們的翅膀通過向腹側和前側揮舞的下撲過程以及幾乎不產生氣動力的收折上撲過程來實現這種撲翼動作模式。由于翅膀在下撲過程中的向前掃掠運動，這種撲動模式使飛行脊椎動物的翼尖運動軌跡呈現出向后傾斜的狀態，而這種傾斜狀態實際上受翅膀掃掠運動的幅度來支配——當飛行脊椎動物從起飛、降落或準懸停的低速飛行狀態向巡航平飛的高速飛行狀態轉變時，翅膀的掃掠運動幅度逐漸減小，翼尖運動軌跡的向后傾斜程度也隨之減小，這使得轉換過程中飛行脊椎動物的撲動模式是連續變化的。作者把低速飛行狀態下包含了翅膀撲動運動(Flapping)、掃掠運動(Sweeping)、折疊運動(Folding)的這種撲動模式定義為FSF撲動模式，這種翅膀撲動模式在仿生撲翼機器人領域鮮少被探討和應用。
飛行脊椎動物的FSF撲動模式
為此，宋筆鋒教授團隊設計并研制了小隼2.0(RoboFalcon2.0)的仿生撲翼機器人，其通過全新的可重構撲動機構能夠完美實現掃掠幅度與折疊幅度可調的FSF撲動模式，從而首次實現姿態可控的仿鳥起飛運動。小隼2.0的FSF撲動模式基于圓錐搖臂機構，能夠將撲動翼的撲動、掃掠、折疊運動耦合，從而維持相同撲動周期下各自由度不同的撲動相位；通過耦合精細設計的結構柔性扭轉變形和展向彎曲變形，進而首次實現了對鳥類“撲動-扭轉-掃掠-展縮-彎折”5種復合運動的完美復刻；并能通過兩種解耦機構實現在運行過程中對掃掠幅度和折疊幅度的重構調節，更準確地模擬了飛行脊椎動物低速飛行時的撲翼運動學過程。
實現FSF撲動模式的全新可重構撲動機構
通過可以實現仿鳥復雜運動和氣動力、柔性變形同時可測的風洞實驗平臺，進一步發現了撲動翼掃掠幅度對FSF撲動模式產生的升力及俯仰力矩的影響機理。通過高精度計算流體力學仿真手段揭示了FSF撲動模式的氣動特性與前緣渦強度及壓力中心的前后位置變化強耦合的空氣動力學機理。
風洞實驗結果和高精度CFD仿真結果
通過動力學仿真研究了基于掃掠幅度調節的俯仰控制策略對起飛階段俯仰姿態控制效果，并最終通過實機飛行測試驗證了小隼2.0的仿鳥自主起飛能力與姿態控制能力。
小隼2.0成功實現仿鳥起飛過程這項成果不僅能為鳥類飛行機理的研究帶來新的視角與方法，并推動仿生程度更高、飛行包線更廣的仿生撲翼機器人研究的發展
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