基于气动肌肉驱动的飞行蝠鲼设计

名称：基于气动肌肉驱动的飞行蝠鲼设计

创新点：

1、仿生学设计：通过对鱼类蝠鲼水下一种具有特殊运动模式——大胸鳍拍动驱动的的研究，

鱼飞翔在天空是一种让人耳目一新的设计，它既不是扑翼驱动的飞鸟机器人（电机驱动、拍动频率较高、扑翼分段通过铰链连接），也非单纯的飞艇通过氦气充气产生浮力、通过尾部风扇和舵面控制飞行姿态，飞行蝠鲼同时具有这两种运动模式的优点。

2、使用清洁无污染能源：使用气动这种清洁高效的新颖驱动方式替代传统马达、舵机驱动，

能源使用效率高。

3、实现无动力自主悬浮：使用轻木、碳纤维制作飞行蝠鲼的主体骨架，外表为塑料弹性密

封蒙皮，整机分为主机体、左右胸鳍和尾鳍四部分，分部分充入等压氦气，以保证飞行蝠鲼可以自主漂浮在空气中。

4、采用新型动力结构：在飞行蝠鲼的动力部分，胸鳍和尾鳍内部按照真实鱼类拍动鱼鳍的

肌肉作用方向和力量排布相应数量的气动肌肉，使用微型气泵对左右胸鳍和尾鳍按照一定控制指令充入、排出空气，以实现肌肉的拉伸和收缩，通过合理排布的肌肉布局来实现鱼鳍上下拍动和前后卷曲的复杂动作。

5、整机综合性能优良：放弃传统电动和油动小型飞行器的动力系统，飞行蝠鲼几乎达到了

零排放、零污染、零噪声，飞行平稳性非常高，速度不高，但空中机动性能较好，非常适合用做长航时的航拍、侦查和物资投放。

实用性：

1、本飞行器属于浮空飞行器范畴。飞行非常平稳，较垂直方向上尺寸较大的飞艇，其气动

布局更符合流体力学的相关规律，在无动力悬浮空气的情况下，如果有近水平方向气流，可自然产生部分升力，也可通过尾鳍轻松调整飞行蝠鲼的俯仰姿态进而改变其运动轨迹。

2、由于在保证机体采用分段密封的方法，密封效果良好，可在近地或高空长时间低速巡航

或盘旋，可用作空中预警平台，替代传统无人机和直升机完成安防、侦查、预警等任务。

3、飞行器可根据不同任务需求设计不同尺寸和有效载荷，在各种应用场景中都可起到很好

的作用，例如：自然灾害物资投放、抗震救灾搜救及地形探测、战场前线预警侦查、城市上空安防警戒、快递邮件空中投放、小型观赏飞行玩具等等。

4、续航时间长，比传统无人机滞空时间更长，悬空效率和巡航效率都高，能源利用率高，

可快速、经济地完成指定工作，且整机寿命较长。

5、可维护性较高，由于飞行器的工况较为简单，机体结构特别是动力部分热效应和摩擦磨

损较少，部件的可靠性较高，结构以流体管路、阀系、泵源、过滤器等组成，较为简单。

可实现性：

本系统分为传感器信息采集反馈部分、单片机控制部分、气动元件部分、机械结构部分及整机蒙皮——五部分紧密结合，使整个系统高效，有序工作，出色地完成水下自主游动。根据蝠鲼在水中游动时拍动胸鳍的方式，分别控制胸鳍在垂直面内和胸鳍剖面内输出正弦规律运动波形。

此项设计不同于以往研究机构给出的单一控制胸鳍前缘运动的扑翼方式——利用薄膜在水涡作用下被动输出波形的推进方式，实现了对翼型运动的完整控制，并对产生推力过程进行主动控制。

1、传感器信息采集反馈部分：完成气动肌肉（气缸活塞杆）的控制输出反馈信息的采集工

作，将“力”的大小反馈给系统的“大脑”单片机控制部分。并装有摄像设备，实现图像采集和实时侦查，并指导操纵者操纵飞行器。在身体四周装有多个超声波和红外传感器模块，实现飞行器的运动规划和障碍物躲避。

2、单片机控制部分：可完成对气动电磁阀和泵源的控制，对传感器采集的信息进行处理，

并相应地对执行机构进行控制。

3、气动元件部分：采用上面上主流企业，如SMC、FESTO等，生产的设备，尽量选择微型

的气动元件，如泵、电磁阀、气管等。

4、机械结构部分：两侧胸鳍的结构设计模仿飞机翼肋，每片胸鳍由形状为标准翼型的翼肋

与翼梁拼接组成。胸鳍根部与尖端安置两块气动肌肉（可以为小型气缸），一个可以使胸鳍由翼根沿身体轴线方向弯曲，一个可以使胸鳍由翼尖沿身体轴线垂直方向弯扭。5、整机蒙皮：采用弹性橡胶蒙皮，做整机的外部蒙皮，具有充分的弹性和表面光滑度。

应用的原理、技术：

本系统的创意来源于鱼类牛鼻鲼，模仿牛鼻鲼外观特征与推进方式，设计扑翼式胸鳍实现拍动推进，本项目采用相关的流体软件，研究了单个胸鳍的水动力性能，双胸鳍运动的协调控制以及胸鳍进行自主游动的运动学和动力学特征，以气动元件实现运动控制并且实现系统预期的功能。主要用到气体传动原理、电磁阀控制方法、浮空飞行器设计原理、飞行器舵面控制等。

系统包括：（1）传感器信息采集反馈部分（2）单片机控制部分（3）气动元件部分（4）机械结构部分（5）整机蒙皮。三部分紧密结合，使整个系统高效，稳定工作，出色地模仿牛鼻鲼游动过程。飞行时使用内部锂电池，通过单片机对气动系统控制，调节一对胸鳍与尾鳍的形状，进行运动姿态控制。其中胸鳍设计采用了模仿飞机机翼的翼肋拼接模型，利用胸鳍根部与末端的两个舵机控制胸鳍的上下拍动和转动，输出正弦波，合成复杂的鳍面运动。

概念设计：

以下是飞行蝠鲼的概念设计图：

总结性综述：

随着仿生飞行器研究的进一步推进，以胸鳍为主要推进力来源的机器鱼凭借其推进效率高、转弯机动性好、游动稳定等优势得到了科研人员的关注。胸鳍摆动推进模式（类似于鸟类在空中的翅膀拍动）是胸鳍推进模式的一种，具有胸鳍推进模式中最高的推进速度与效率。现有的性能较完善的胸鳍推进仿生牛鼻鲼采取柔性胸鳍前缘带动柔性薄膜的方式，利用薄膜在水波作用下被动生成的波形模仿牛鼻鲼胸鳍运动姿态，实现鱼体运动。

在分析了现有研究成果的基础上，提出了自主控制胸鳍运动姿态的构想。为了实现构想中的运动，我们分析了鲼类胸鳍的水动力模型，将胸鳍的运动分解为垂直鱼中轴线的上下拍动与围绕胸鳍根部的扭转运动。在设计胸鳍结构的过程中，我们采用了模仿飞机翼肋的结构，采用以标准翼型为基本形状的翼肋，拼接成剖面为流线型的胸鳍模块。在胸鳍根部与尖端，我们安置了2块气动驱动装置，控制胸鳍的上下拍动与扭转运动。通过调整气动部件输出运动的幅度、频率与相位差，可以实现不同胸鳍运动姿态，更好地实现飞行器的运动。

本系统的创意来源于仿生思想，结合成本较低的气动控制装置实现运动控制，在结构设计方面实现了自主创新，并且最终实现预期的功能。它将带来仿生飞行器的一种新设计思路，提高运动姿态的可控性。通过更加精确地模仿牛鼻鲼的运动，进一步提高飞行器飞行速度与机动性，降低噪声，充分发挥胸鳍推进模式的优势。

目前，国内对于胸鳍推进仿生鱼的研究仍有很大创新与进步空间，本系统创新点明确，提出了一种新的结构设计思想，控制思路简单，控制效果良好，易于操作使用，有较大发展潜力。