鳥類和蝙蝠等飛行脊椎動物在懸停、起飛和降落等低空速狀態(tài)下，往往采用與昆蟲或蜂鳥不同的飛行策略。它們通過大幅變形翅膀、調(diào)整前后掃掠幅度，在上拍階段折疊翅膀以減少阻力，并在下拍階段充分伸展、向前掃動以產(chǎn)生足夠升力。這種被稱為“非對稱懸?！钡倪\動模式，尤其在雀形目鳥類和一些中小型蝙蝠中較為常見，其劃動平面明顯前傾，與昆蟲或蜂鳥近乎水平的對稱撲動方式存在顯著差異。

目前，大多數(shù)仿生撲翼飛行機器人的設(shè)計仍主要基于昆蟲或蜂鳥的對稱懸停模式，難以有效模仿鳥類在低速狀態(tài)下的機動特性。盡管已有一些無人機通過引入后掠翼或可折疊機翼來提升巡航或滑翔性能，但在低速飛行尤其是自主起飛方面，仍面臨運動學(xué)實現(xiàn)與驅(qū)動設(shè)計的雙重挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有鳥類仿生機器人往往需要借助跳躍或彈射等輔助方式實現(xiàn)起飛，且多依賴單自由度翼拍機制，無法復(fù)現(xiàn)生物翅膀的多自由度協(xié)調(diào)運動。

▍受鳥類低速飛行機制啟發(fā)，提出RoboFalcon2.0

面對上述難題，來自西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院的研究團隊，受飛行脊椎動物在慢速飛行和非常規(guī)懸停狀態(tài)下的翅膀拍動模式啟發(fā)，在前期開發(fā)的巡航飛行機器人RoboFalcon基礎(chǔ)上，提出新一代機器人RoboFalcon2.0。

該機器人采用一套可重構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)撲動-后掠-折疊（FSF）三者耦合的翼運動，較好地模擬鳥類在低速飛行中的翅膀動作。通過風(fēng)洞測試與流體力學(xué)仿真，團隊系統(tǒng)分析了該運動模式在升力、推力和俯仰力矩方面的表現(xiàn)，并進一步通過動力學(xué)仿真和實際飛行實驗，驗證了機器人在起飛和低速前飛過程中的可控性與穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果表明，RoboFalcon2.0能夠在不借助外部輔助的情況下實現(xiàn)自主起飛，并在低空速條件下保持穩(wěn)定飛行。其仿生翼運動在產(chǎn)生升力的同時還能提供抬頭力矩，有助于實現(xiàn)俯仰配平，展現(xiàn)出良好的飛行控制潛力。這一成果表明，基于鳥類低速飛行策略的機器人翼設(shè)計，有望為撲翼飛行器在起降、懸停和低速機動等關(guān)鍵場景中的性能提升提供新的技術(shù)路徑。

近日，該研究成果的相關(guān)論文已以“Flapping-wing robot achieves bird-style self-takeoff by adopting reconfigurable mechanisms”為題發(fā)表在《Science Advances》雜志上。

▍RoboFalcon2.0的設(shè)計與實現(xiàn)

據(jù)機器人大講堂了解，RoboFalcon2.0平臺以中型鳥類如游隼為仿生對象，翼展1.2米，總重約800克，翼載荷為3.64千克/平方米，最高撲動頻率可達7.5赫茲，撲動幅度為85度。

RoboFalcon2.0采用蝙蝠翼式的多連桿機翼結(jié)構(gòu)，由肱骨、橈骨和腕骨三段骨架及聚酯纖維蒙皮組成，能夠在飛行中實現(xiàn)沿展向的折疊變形，以調(diào)整翼面形狀與面積。機體主體由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，為整個驅(qū)動與傳動系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)支撐。動力來自無刷直流電機，經(jīng)兩級齒輪減速器傳遞至翼根的錐形搖桿機構(gòu)（CRM），驅(qū)動翅膀?qū)崿F(xiàn)基本撲動。

該平臺的核心創(chuàng)新在于集成了兩套解耦機構(gòu)——折疊分離器與后掠分離器，二者協(xié)同CRM工作，將單一的旋轉(zhuǎn)輸入分解為撲動、折疊與后掠三個自由度的復(fù)合運動，從而實現(xiàn)飛行脊椎動物在低速狀態(tài)下所采用的撲動-后掠-折疊（FSF）翼運動模式。

折疊分離器通過多連桿系統(tǒng)將CRM的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為機翼周期性折疊動作，并允許通過獨立伺服電機限制機翼最大展開范圍，實現(xiàn)在上行階段進行翼面內(nèi)收、下行階段根據(jù)控制需求保持展開或局部折疊。其運動相位較撲動滯后約90度。

后掠分離器則借助球鉸連桿和曲軸機構(gòu)，將撲動轉(zhuǎn)化為機翼前后方向的掃掠運動，掃掠幅度可由伺服電機連續(xù)調(diào)節(jié)，范圍在5至25度之間。該運動與撲動同步且相位差約為180度，使得翼在最高點時后掠最大，最低點時前掃最大。

通過CRM與兩套分離機構(gòu)的配合，RoboFalcon2.0能夠在全翼展撲動過程中獨立調(diào)節(jié)折疊與后掠幅度，實現(xiàn)傾斜角可變的撲動平面，模擬鳥類在起飛與低速飛行中的典型翼運動模式。

▍風(fēng)洞實驗與計算流體力學(xué)分析

通過風(fēng)洞實驗與計算流體力學(xué)（CFD）方法，研究團隊對RoboFalcon2.0撲翼機器人在不同飛行狀態(tài)下的氣動特性進行了系統(tǒng)分析，重點考察了機翼后掠幅度變化對升力、推力和俯仰力矩的影響。

實驗在三種典型飛行狀態(tài)下展開，包括零空速大仰角起飛姿態(tài)、中等空速與低速前飛狀態(tài)。團隊測量了最小、中等和最大三種后掠幅度下的氣動參數(shù)，并借助CFD模擬揭示了流場結(jié)構(gòu)與壓力分布的變化機制。

風(fēng)洞實驗結(jié)果表明，增大后掠幅度在較高撲動頻率下有助于提升升力，尤其在低速起飛狀態(tài)下效果更為明顯。推力量值受后掠調(diào)整的影響較小，而俯仰力矩則隨之后掠增加呈現(xiàn)顯著上升，從低速時跨越正負區(qū)間逐漸轉(zhuǎn)為持續(xù)正值，顯示出在起飛階段進行俯仰控制的潛力。

CFD模擬顯示，后掠運動增強了前緣渦的強度，尤其在低空速條件下，低壓區(qū)擴大從而提高了氣動載荷。同時，后掠使壓力中心前移，延長了氣動力矩臂，兩者共同作用導(dǎo)致俯仰力矩增大。這一發(fā)現(xiàn)在低速起飛中具有重要意義，因傳統(tǒng)控制面在此時效率較低，而后掠調(diào)節(jié)為俯仰控制提供了新途徑。

基于實驗與模擬數(shù)據(jù)，團隊在MuJoCo動力學(xué)環(huán)境中對起飛過程進行了仿真。機器人能夠通過調(diào)節(jié)后掠幅度實現(xiàn)從地面起飛并初步穩(wěn)定飛行，但在速度提升后出現(xiàn)俯仰發(fā)散，表明純翼面調(diào)節(jié)在高速條件下存在局限，需結(jié)合尾翼或其他控制面實現(xiàn)全狀態(tài)穩(wěn)定。此外，團隊還在不同縮比模型上進行了低速飛行仿真，發(fā)現(xiàn)在更大尺寸平臺上該控制策略可在更高空速下生效，而縮小模型則容易出現(xiàn)俯仰振蕩，說明平臺尺度對控制效果具有明顯影響。

以上結(jié)果綜合表明，可重構(gòu)后掠機構(gòu)為撲翼機器人的低速飛行與起飛控制提供了有效手段，但其應(yīng)用效果受到飛行速度與平臺尺寸的共同制約。

▍實飛實驗與飛行控制能力驗證

通過實際飛行測試，研究團隊對RoboFalcon2.0撲翼機器人的起飛與飛行控制能力進行了驗證。測試在室內(nèi)環(huán)境進行，機器人通過系留繩固定于高處，可在近似球形的空間內(nèi)實現(xiàn)自由起降，以保障飛行安全。機器人以45度仰角立于地面模擬鳥類起飛姿態(tài)，搭載基于STM32 F765的飛行控制器，實時采集姿態(tài)、空速、功耗及撲翼頻率等數(shù)據(jù)。

實驗包含兩種重心配置下的多次起飛測試。在默認重心設(shè)置中，機器人能夠成功離地并完成初期加速，飛行軌跡呈S形，俯仰控制可在速度低于3米/秒時有效維持。但隨著空速提升，姿態(tài)逐漸發(fā)散，顯示純翼面調(diào)節(jié)在較高速度下存在局限。該狀態(tài)下最大撲翼頻率約7赫茲，瞬時功耗達到400瓦。

為進一步改善高速飛行穩(wěn)定性，團隊將重心前移進行調(diào)整。在這一配置下，機器人起飛后能更快進入前飛加速狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯俯仰失穩(wěn)，空速最高達到6米/秒，實現(xiàn)了更接近鳥類的連續(xù)起飛動作，功耗與撲翼頻率與默認狀態(tài)相近。

實驗結(jié)果顯示，基于FSF（撲動-后掠-折疊）翼運動的設(shè)計在低速條件下可提供有效的升力及俯仰操控能力，使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)受控離地及初期飛行，但在高速狀態(tài)下仍需借助氣動面或其他方式進行配平。從能量角度分析，米級撲翼機器人的起飛過程功耗較高，與現(xiàn)存其他撲翼機器人及自然飛行動物相比尚不具備顯著能效優(yōu)勢，但其成功實現(xiàn)穩(wěn)定起飛對拓展該類機器人的任務(wù)范圍與實用價值具有積極意義。

總的來說，在系留飛行測試中，RoboFalcon2.0表現(xiàn)出可靠的自主起飛與低速控制能力，驗證了其仿生翼運動設(shè)計的有效性，為撲翼機器人在起降階段的操作策略提供了實踐依據(jù)。

參考文章：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx0465#