论文分享 | 微型水面扑翼飞行机器人既能“天上飞”，也能“水中游”

2024-08-30 19:30:10 1118阅读次数

扫码分享

研究团队：哈尔滨工业大学机电工程学院

关键词：仿生扑翼机器人；水面飞行；柔性翼；非定常空气动力学；升力优化

如今，仿生技术已成为科技发展的新宠。有调查研究显示：超过80%的人认为仿生技术代表了未来的发展方向，而仿生飞行器的研制，正是这一理念的具体实践。

自然界中有许多能在水面上灵活运动的生物，如水黾、水蜘蛛，以及各种扑翼飞行的生物，如蜂鸟等。科学家们通过模仿这些生物的特性，开发了水面运动机器人和扑翼飞行机器人，并将其应用于水质监测、海洋搜救、农田管理和战场侦测等场景。然而，这些仿生机器人受限于各自的运动形式，只能在特定环境中执行任务，限制了它们的应用场景和能力。

为解决这一问题，亟需开发一种既能在水面运动还可在空中飞行的机器人。因此，哈尔滨工业大学闫继宏教授团队将水黾和蜂鸟这两种仿生对象相结合，提出一种可以实现水面扑翼飞行的仿生微型机器人。

方案设计

首先，在机器人结构仿生设计环节，研究院团队通过归纳总结确定了以水黾和蜂鸟这两种仿生对象相结合的目标机器人。基于仿生蜂鸟扑翼运动，设计了基于弦驱动的扑动机构；采用疏水性材料对水黾的超疏水性支撑特性进行仿生，建立了支撑力和拖拽力模型；同时，在保证支撑力的前提下以减小支撑脚重力和拖拽力为目标，设计了水面支撑机构。

水面扑翼飞行机器人仿生对象

机器人整机模型图

基于弦驱动的扑翼机构机械原理图机器人扑动机构

机器人水面支撑机构示意图

与此同时，为解决水面扑翼稳定飞行所需的高升力问题，研究团队在三维运动下的扑翼空气动力学模型和欧拉—伯努利梁原理的翼翅变形模型基础上进一步构建了柔性翼扑动空气动力学模型。通过分析翼翅的形状结构参数和前缘刚度对升力的影响规律，确定了不同刚度翼的理论极限扑动频率之后，设计了基于杠杆原理的升力实验装置，并针对翼型、尺寸参数、翼肋加装方式和前缘刚度等以优化升力为目标进行了迭代优化实验，得到了最优翼翅。

全过程的柔性翼变形示意图

扑翼流体计算模型

升力实验平台

最后，制备微型水面扑翼飞行机器人样机，基于水面-空气环境下的机器人动力学仿真模型，采用 Adams 和 Matlab 联合动力学仿真方法验证了水面扑翼飞行机器人的性能。

水面扑翼飞行机器人实物图机器人各部分质量占比

实验验证

通过开展不同扑动频率下机器人水面飞行实验，分析机器人飞行高度、脱离水面的时间、偏移距离等因素对水面起飞性能的影响，通过分析机体飞行过程的受力，设计了被动空气阻尼器，最终实现了机器人水面稳定飞行。

值得一提的是，在水面实验中，为了准确评估不同驱动力下机器人的飞行效果，研究团队引入了高精度运动捕捉技术。通过对三组不同扑动频率的水面飞行实验，成功捕捉并清晰展现了机器人在扑翼过程中动作及姿态的变化情况，这一技术使得观察和分析机器人的运动轨迹更加直观和精确。

机器人水面飞行实验环境

机器人水面飞行轨迹

水面扑翼机器人 25Hz 下加装被动空气阻尼水面飞行

无线控制水面稳定飞行

关于「」

是凌云光设立的全资子公司，主要面向元宇宙虚拟现实、Web3.0时代数字人、沉浸媒体、全息通信、计算光学成像等应用，已形成光场建模、运动捕捉、全景成像、XR 拍摄等在内的产品布局。

FZMotion智能体位姿追踪系统是自主开发的运动捕捉采集与分析系统，可以实时跟踪测量并记录三维空间内点的轨迹、刚体的运动姿态以及人体动作，空间定位精度可以达到亚毫米级。

FZMotion智能体位姿追踪系统

FZMotion动捕系统在无人机室内定位、仿生机器人运动规划、机械臂示教学习、气浮台位姿验证、水下运动捕捉等领域得到广泛应用，目前已经与清华大学、中国科学技术大学、北京大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等高校开展合作。凌云光·致力于为高校提供完备的解决方案，助力科研发展。

论文信息：

[1]丁琳.(2022).基于柔性翼升力优化的微型水面扑翼飞行仿生机器人硕士(学位论文,哈尔滨工业大学).硕士https://link.cnki.net/doi/10.27061/d.cnki.ghgdu.2022.002140doi:10.27061/d.cnki.ghgdu.2022.002140.