仿生扑翼机器人
扑翼飞行器文献阅读
一、课题背景现在和未来的飞行机器人设计方向是期望机器人是小巧的、手提的、可随身携带的，像昆虫一样超低空飞行，能够灵活地完成侦查和搜索任务。
随着空气动力学和MEMS 制作等技术的发展，飞行器的小型化、微型化的研究越来越引起重视，微型飞行器（MAV）的出现正是这些研究的产物。
MAV一般是指翼展长度在15cm左右，重量在几十克至上百克，有效载荷20g，航速64~80km/h，留空时间20~60min，航程数10km；它应有实时成像、导航及通讯能力，可用手、弹药或飞机部署。
由于微型化的飞行器在众多领域有不可估量的应用潜力，因此世界许多发达国家已经将MAV技术列为研究的重点。
1992年，美国兰德公司（RAND）提交DARPA的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了MAV的概念。
该报告认为，携有微小传感器、尺寸极小的侦察飞行器的设想可以实现的，发展尺度位于昆虫量级的微型飞行系统对美国在未来保持军事领先具有重要意义，MAV将会改变未来的战争模式。
此后，麻省理工学院(MIT)的林肯实验室(Lincoln Laboratory)和美国海军研究实验室(NRL)对MAV技术上的可行性进行了更为深入的评估，得出了与兰德公司一致的结论。
微型飞行器的概念唤起了巨大的研究热情，得到世界上许多国家的广泛关注，如澳大利亚、德国、日本、俄罗斯、印度、以色列等，他们继美国之后纷纷成立专门研究机构、投入研究经费。
二、MAV飞行方式的选择MAV通过机翼与周围空气的相互作用产生克服自身重力的升力，从而实现空中飞行之目的。
目前MAV根据其翼型运动方式的不同可分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。
固定翼MAV在空气动力学方面面临着不少技术问题。
由于尺寸限制，固定翼通常采用小展旋比机翼布局，升阻比较小，升力面积也比较小，而且MAV飞行的速度也比较小(人约lOm／s左右)，所以很难提供足够的升力。
由于尺寸小和航速低，MAV的流场雷诺数比常规的飞行器小得多，传统的空气动力学理论已经不再适用。
扑翼机结构设计及运动仿真
摘 要 扑翼飞行器可以通过对鸟类或昆虫飞行动作的模仿实现飞行。
设计从生物学的视角出发，对鸟类在飞行过程中翅膀的动作进行分解总结。
阐述仿生扑翼飞行器所需要实现的基础要求，设计出一种合理可靠的二段折翼式仿生扑翼飞行器驱动机构。
使用Pro/E 对设计出的驱动机构进行三维实体建模，通过运动仿真功能对驱动机构进行验证。
结果表明，设计的驱动机构符合设计要求，具有可行性。
设计为仿生扑翼飞行器的设计研制以及实体样机制造提供了理论依据。
关键词 仿生扑翼飞行器；驱动机构；建模；仿真；Pro/E 中图分类号：G642.0 文献标识码：B1671-489X(2020)14-0027-03Structure Design and Motion Simulation Analysis of Bionic //MA Cheng, XIONG Xiaosong, WU Hao, apping-wing aircraft is a fl ying tool that can be ight movements of fl ying organisms such as birds or insects. From the perspective of biology, the structural characteristics of bird wings were analyzed in detail, and the movement of wings ight was decomposed and summarized. Based on several basic requirements for it, a reasonable and reliable driving mecha-nism of two-stage folding-wing bionic fl apping-wing aircraft was designed. By using the 3D design software Pro/E, the 3D solid model of the designed drive mechanism was built and feasible. It has been provided some theoretical basis for the design and manufacture of desks bionic fl apping-wing aircraft; driving mechanism; modeling; simulation; Pro/E １ 前言仿生扑翼飞行器的研究一直是飞行器领域的热点，各种样式的仿生扑翼飞行器能够模仿自然界中各种鸟类或昆虫在空中飞行的动作，完成人们设置好的各种任务。
创新创业教育 5.1：仿生创新设计原理及分类
5.1 仿生创新设计原理及分类5.1.1仿生学与仿生机械学概述在长期的进化过程中，受到自然条件的严峻选择，为了生存和发展，自然界形形色色的生物各自练就了一套独特的本领。
例如，有利用天文导航的候鸟，有建筑巧妙的蜂窝，有能探测势源的响尾蛇;海洋中水母能预报风暴;老鼠能事先躲避矿井崩塌或有害气体;蝙蝠能感受到超声波;鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面上运动着的小动物;蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。
人们在技术上遇到的许多问题、许多困难找不到正确解决的方法和途径，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程中就已得到了很好的解决，人类应从生物界得到有益的启示。
相传在公元前三千多年.人们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害;四千多年前，人们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做成装有轮子的车。
我国战国时期墨子仿鸟而制造的竹鹊”;三国时期诸葛亮设计的“木牛流马”;春秋战国时期的鲁班，从锯齿形的草叶中“悟”到了锯的原理;中国古代劳动人民对水生动物一鱼类的仿生也卓有成效。
鱼儿在水中有自由来去的本领，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体人们就模仿鱼类的形体造船。
相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。
通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。
人们还仿照鱼的胸鳍制成双桨，由此取得水上运输的自由。
后来随制作水平提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。
图5-1 竹鸢、楼兰古城的有翼天使图5-2 木牛流马、龙舟研究生物系统的结构和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学,称为仿生学（bionics）。
仿生学不是仅仅外形相似即可，有些外形相似的仿造很失败，有些外形不像但是结构原理一致的仿生很成功。
图5-3 仿生结构5.1.2 仿生机械分类仿生机械（bio-simulation machinery），是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。
仿生扑翼飞行器研究进展及现状概述
（ ＭＥ ＭＳ ’０ ０ ） ，Ｍｉ ｙ ａ ｚ ａ ｋ ｉ ，Ｊ ａ ｐ ａ ｎ，２ ０ ０ ０ （ １ ） ：７ ９ ９ — ８ ０ ４ ．
研制过程中的扑翼轨迹规划及驱动设计提供 客观依据 。
４ ． ５ 微 型扑 翼飞 行器 实现 智 能飞行 控 制
微型扑翼飞行器要实现智 能飞行 ，首先是对扑翼 飞行器 的 控制 ，微型扑翼 飞行 器在实 际飞行 过程 中会遇 到外力 的作用 ，
参
考
文
献
［ １ ］ 中昌富 ，姚磊 红 ，童 小燕 ，等． 仿鸽扑 翼飞行 的柔 性 变形研 究
例如阵风等于扰 ，这 时就需要有一定 的鲁棒性和抗干扰性 ，从 而保证 它能持续稳定 的飞行 ；其次微型扑翼 飞行器在飞行过程 中还得完成 一定 的姿态调整 ，例如平飞 、转弯 、侧飞 、俯仰甚 至 反转 等 ，要实现这 些姿态 ，就需要 控制系统来保 证。此外 ， 微 型扑翼 飞行器在 飞行过程 中可能要执行一些任务 ，需要按照 预定 的轨迹航行 ，这就需要它具有一定 的自主导航能力 ；在飞
行过程 中也有可能会遇到一些障碍物 ，需要通过一定的避障措
［ Ｊ ］ ．机械制造， ２ ０ １ ４ （ ５ ２ ） ：３ ７ — ４ ０ ．
［ ２ ］ 李长龙．仿 生扑翼飞行器机构 的设计与研 究［ Ｄ］ ． 南京：南京航空
航 天大学，２ ０ １ ３ ．
［ ３ ］顾明．微 型扑翼 飞行 器的研 究［ Ｄ］ ．合肥 ：中国科 学技 术 大学 ，
２ ０ １ ３ ．
扑翼型机器鱼的建模及实现
由于鸟类飞行的高升力机理及其飞行的灵巧性都与它们翅
膀复杂的运动模式相关 ， 因此通过机械结构实现如此复杂的运动 模式具有很大的难度。到 目前为止， ． 只有在对鸟类飞行机制的分
图 １仿生 扑 翼 型机 器 鱼
析提炼与简化的基础上 ， 通过设计扑翼驱动机构来实现仿生扑翼
游动 的 运动 模式 。产 生 上 、 动 的机构 下扑 。
运 动 时成 角可 达 ９。如 图 ｌ 示 。其 水动 力特 点 是 阻力小 、 ０， 所 能量 扑翼飞行与其他飞行方式 的不同之处就在于它借助机翼 的上下
效率高 ， 它依靠 扑翼部及尾鳍 的摆动实现推进与控制 ， 所以具有 扑动来产生升力和推力 ， 因此设计出高效可靠的扑翼驱动机构就显 启动加速度大 、 运动敏捷 、 向半径小和速度快的特点。 转 得尤为重要 。一般地， 扑翼机构是由机架 、 输入杆、 左右翅膀杆和连
在扑动过程中有灵敏的柔性。根据仿生翅运动学和空气动 模型 ： 曲柄滑块机构 ： 曲柄带动滑块沿导杆上下运动， 两边的摇杆 量轻， 有三种实现不 同特性的翅型结构 ： 单向通道 铰带动滑块上下扑动 ， 结构简单 ， 但滑块摩擦大， 效率低下 ； 凸轮 力学模 型分析结果 ，
三 弹簧机构 ： 一定轮廓的盘形凸轮转动 ， 推动下面的顶板上下移动 ， 翅 型 、 角结 构翅 型 和柔 性 翅翅 型 。
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王卫兵等 ： 翼型机 器鱼 的建模及 实现 扑
第７ 期
具体的 飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式 ，这也给了我们一个启 翼产生的对翼根的弯矩和升力 。扑翼有向下弯曲的表面 ，
沿展 向弯曲的前缘横梁形成。扑 迪： 将昆虫和鸟类 的进化结果用 于鱼的推进 ， 与鱼的新月型尾鳍 实现方式由沿弦向弯曲的肋条 、 协调配合 ， 使机器鱼的游动更加快速和高效。
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法仿生蝴蝶扑翼飞行器是一种通过模仿蝴蝶独特的飞行方式而设计的飞行器。
它能够在空中灵活操控，具有较好的机动性能和稳定性。
在本文中，将介绍一种制作仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的方法。
首先，我们需要准备一些材料和工具。
材料包括轻质的材料如薄金属片或塑料片，弹性线或者细线，小型电机，螺旋桨等。
工具则包括剪刀，胶水，钳子，锉子等。
1. 制作翅膀：使用剪刀将薄金属片或塑料片剪成蝴蝶翅膀的形状，大小可自行决定。
确保两个翅膀相对称，并且具有足够的扑翼空间。
然后使用锉子修整翅膀的边缘，使其光滑，减少空气阻力。
最后使用胶水将两个翅膀连接在一起，并且确保翅膀能够自由地扑动。
2. 安装电机和螺旋桨：选择一个小型电机并安装在飞行器的中心位置上。
将螺旋桨固定在电机轴上，确保可以有效地产生推力。
3. 制作拉线式转向机构：在飞行器的尾部或机身两侧的翅膀上，通过胶水或螺丝固定一个小轴。
使用弹性线或者细线将此小轴连接到电机上。
当电机旋转时，它将通过拉线转动翅膀，实现方向的改变。
完成以上步骤后，我们就成功地制作了仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构。
在使用时，只需将电机连接到能源供应，并确保翅膀可以自由地扑动。
通过控制电机的转动速度和方向，我们可以实现飞行器的正常飞行以及转向。
总结：仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法相对简单，只需准备适当的材料和工具，并按照上述步骤进行操作即可。
这种飞行器的设计灵感来自于蝴蝶的飞行方式，具有较好的机动性能和稳定性。
通过不断改进和调整，希望能够进一步完善这种仿生飞行器，并应用到更多实际应用场景中。
苏教版五年级科学(下册)第二单元《仿生》知识点整理
苏教版五年级下册科学知识点整理第二单元仿生5.生物的启示生物在长期进化的过程中，形成了许多有利于生存的形态结构和生理特点，人们从中获得很多启示。
课本14页的四种物品的设计与动植物的形态结构有什么相似之处？铁丝网和植物茎上的刺的尖锐部分都能起到保护作用；塑料吸盘和八爪鱼的吸盘都呈碗状，具有吸附功能；尼龙搭扣上的弯钩和苍耳果实上的钩刺都有很强的附着力；降落伞与带冠毛的蒲公英种子的整体形状相似。
除此之外，还有锯子与锯齿草、大跨度建筑屋顶架构与王莲叶、人工冷光与萤火虫的光、风暴预测仪与水母耳、电子蛙眼与蛙眼等。
公元4世纪，古希腊数学家佩波斯提出猜想：截面呈正六边形的密铺(不留空隙，也不相互重叠)的蜂窝巢房，是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建成的。
这一猜想被称为“蜂窝猜想”。
在同种正多边形中，能密铺的只有正三角形、正方形、正六边形。
虽然圆柱体抗压能力最强，但在平面密铺的基础上，圆形最终会被挤压成六边形。
所以在正三棱柱、正四棱柱、正六棱柱三种之中，正六棱柱的抗压能力最强。
蜂窝的横截面呈正六边形的形状.不留空隙，也不互相重叠，是密铺而成。
而且蜂窝的巢房是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建造而成的。
假设我们想用相同形状和大小的图形密铺一个平面（使图形不留空隙、也不互相重叠地铺满整个平面），那么只有3种正多边形可以做到：正三边形、正四边形和正六边形。
（这里指规则镶嵌）在铺满同等面积的情况下，使用正六边形所需要的周长之和最小。
这就不难理解蜜蜂为什么会选择六边形了，因为蜂巢是用蜂蜡做的，而蜜蜂产出蜂蜡是消耗能量的，它们当然希望省些力气——这点小心思就跟打工人想少搬几块砖一样。
假如你是蜜蜂，你会选择哪种形状的蜂巢？为什么？假如我是蜜蜂，我会选择建造正六边形的蜂巢。
因为正六边形的蜂巢有三大优点：第一，每个蜂房都是密铺的，既不留空隙，也不相互重叠；第二，正六边形的蜂巢用料最少，可以采用最少量的蜂蜡建成最大的蜂巢；第三，正六边形的蜂巢抗压能力最强。
创意主题——仿生机器人
• 功能仿生 ——使人造机器能部分实现思维、感知等高级动物的 功能。功能仿生应该以结构仿生为基础, 对智能机器人中有重大 意义。如大脑、视觉、听觉、嗅觉的功能仿生等。
创意主题——
仿生机器人
什么是仿生学？
仿生学就是以生物为研究对象, 研 究生物系统的结构性质、能量转换 和信息流动等过程, 并将所获得的 知识用来改善现有的或创造崭新的 机械、仪器、建筑结构和工艺过程 的科学,它是生物科学与工程技术相 结合的一门综合的边缘学科
仿生学分类
• 结构仿生——借助解析生物肌体的构造, 建造类似生物体或其中 某部分的机械装置。 通过结构相似实现功能相近。如昆虫仿生， 蛇类仿生、人体仿生等。
• 控制仿生——适应复杂多变的环境，仿生机器人必须具备强大的 定向导航功能；多个仿生机器人协作，必须具有良好的群体协调 控制能力；要解决复杂和困难的任务，仿生机器人需要自身的协 调、完善和进化，所以控制仿生是仿生机器人的核心技术。
仿生机器人的优势
从 1959 年美国制造出世界上第一台工业机 器人起，在短短半个世纪的时间里，机器人 的研究就已经历了 4 个发展阶段：工业机器 人、遥控机器人、智能机器人和仿生机器人。 从机器人的角度来看，仿生机器人是机器人 发展的最高阶段；从仿生学的角度来看，仿 生机器人是仿生学理论的完美综合与全面应 用
• 能量仿生——研究与模拟生物器官发光、生物体把化学能转化成 机械能等能量转化的机理和过程。
什么是仿生机器人
仿生机器人就是模仿自然界中生物的外在形状 或某些机能的机器人系统。