摆龙 王伟
（东北林业大学机电工程学院，哈尔滨，150040）
摘要：本文针对东北地区农田、粮库、机场等场合驱鸟的要求，在研究鸟类扑翼结构和飞行机理的基础上，提出了一种用无刷电机驱动，齿轮机构、曲柄摇杆机构和连杆机构传动的仿生机械鸟扑翼结构，并制作了仿生海东青样机。样机实验数据表明：该扑翼结构合理、可行，样机具备一定的防摔和抗震性能，对于东北地区常见的麻雀和喜鹊等鸟类具有很好的驱赶效果。
关键词：仿生机械鸟；仿生海东青；扑翼；驱鸟
A mechanical bird for driving birds - bionic Jongkhurun design
Long Bai Wei Wang
（Northeast Forestry University，College of mechanical and Electrical Engineering, Harbin 150040,china）
Abstract：In this paper, according to the requirements of driving birds in farmland, grain depot, airport and other occasions in Northeast China, based on the study of bird flapping wing structure and flight mechanism, a bionic mechanical bird flapping wing structure driven by brushless motor and driven by gear mechanism, crank rocker mechanism and connecting rod mechanism is proposed, and a bionic Jongkhurun prototype is made. The experimental data show that the flapping wing structure is reasonable and feasible, and the prototype has a certain anti falling and anti-seismic performance, which has a good driving effect for the common birds such as sparrow and magpie in Northeast China.
Keywords： bionic mechanical bird，bionic Jongkhurun，flapping wing，driving birds
1前言
在飞行机器人领域，仿生扑翼飞行器能够模仿自然界中鸟类或昆虫在空中飞行的动作，完成启动、悬停和降落时的动作，在飞行过程中易升降，外观与鸟类相似。仿生扑翼飞行器因其独特的仿生学原理，及其具有极佳的隐蔽性和极其出众的机动性，使其在民用还是军事领域，都拥有广泛的应用前景。
1973年，Weis-Fogh［１］针对黄蜂的飞行特性，提出了扑翼飞行的概念，并详细地分析计算了扑翼产生的升力，为飞行领域开创了新的学科分支。
2020年王鹏程等[2]单曲柄双摇杆机构上，加入 Watt 直线机构，提出了一种改进的单曲柄双摇杆无相差扑翼驱动机构，建立了三维扑翼飞行器模型，并利用Adams 进行了对比仿真研究。
2020年王超等[3]在研究海鸥飞行方式和运动规律分析基础上，提出了一种多自由度仿生扑翼飞行机器人结构，利用Solidworks建立了机构三维模型，并对扑翼结构做了运动仿真研究。
2020年马程等[4]设计了一种二段折翼式仿生扑翼飞行器驱动机构，并使用 Pro/E 建立了驱动机构的三维实体建模，并进行了模仿鸟类飞行动作的运动仿真研究。
经过几十年的不懈努力，国内外扑翼研究专家提出了许多新型的驱动机构[5-7]，为仿生扑翼的研究提供了宝贵的理论研究基础和研究经验。
本文从民用领域-机场驱鸟、农田驱鸟及病虫害监测等应用领域出发，在分析东北鸟类群落的基础上，设计了一种模拟海东青的扑翼飞行器。
2 鸟类扑翼结构及飞行机理研究
2.1 鸟类扑翼结构
鸟类种类不同，但扑翼结构基本是一致的，主要由骨骼、肌肉以及羽毛等三部分组成[8]，如图1所示。翅膀是鸟类飞行产生升力和推力的主要器官，翅膀上不但有强健的肌肉而且还附生着一层厚厚的羽毛可以实现展向的扑动、折叠及弦向的扭转；鸟翼构造，经过不断地进化，鸟类终于形成了无与伦比的翅膀，使其在天空能够自由翱翔，其中附生在翅翼根部（尺骨）处的次级飞羽，飞行过程中，扑动幅度较大，主要产生升力，附生在翅翼尖端（指骨）处的初级飞羽，在飞行过程中灵活度较大，在风的作用下会产生一定的扭转，进而产生一定的推力。
.png)
2.2扑翼运动方式与飞行机理
2.2.1 扑翼运动方式
扑翼运动有四种基本运动方式[9]：扑动(flapping)、扭转(twisting)、挥摆(swinging)、折叠(folding)，如图2所示，各种扑翼运动经过分解后都可看作是图中所示四种基本运动方式的耦合合成。
在扑动飞行时，鸟的翅膀绕着鸟身轴线方向上下扑动，其中中等体型鸟类翅膀扑动频率较高，大体型鸟类翅膀扑动频率较低；
在扭转飞行时，鸟的翅膀绕翅膀中线方向旋转，为了在飞行过程中获得较小的阻力，鸟类会改变其翅膀倾斜的角度；
在挥摆飞行时，鸟的翅膀绕着垂直鸟身飞行方向挥动，在这一过程中翅膀前后挥动的角度会发生变化；
在弯曲折叠飞行时，鸟的外翼在展向方向相对于内翼会发生一定角度的变化。
对于大型鸟类，在飞行过程中翅膀的扭转、挥摆运动并不是特别明显；此外，与翅膀的扭转、挥摆运动方式相比，翅膀的弯曲折叠运动方式对飞行的影响更加大，因此鸟类的弯曲折叠运动对飞行时升力的提高有着重要的影响。
2.2.2扑翼飞行机理
自然界中大部分鸟类的飞行动作都是周期性运动，如图3所示一个周期则可以细分为四个阶段[10]。
1）向下扑动阶段：翅膀的一段翼与二段翼保持在同一平面，由身体上方向下方扇动；
2）翅膀折叠阶段：向下扑动阶段结束，一段翼基本不动，二段翼向下折叠，与一段翼形成一定的角度，通过减少翼展的长度，达到收缩在水平面上的投影面积，为向上扑动阶段做好准备；
3）向上扑动阶段：在翅膀折叠完成后，以较小的受力面积开始由下向上扑动，减少所受到的阻力，但是该阶段只是一段翼向上抬起，二段翼仍处于折叠状态而基本不动；
4）翅膀平展阶段：当一段翼抬升到最高处时，二段翼快速向上平展，与一段翼再次处于同一平面内，为下一周期的向下扑动做好准备。
3 仿生海东青设计
仿生扑翼飞行器设计即用机械结构来代替鸟的骨骼与肌肉，做出相似的扑翼动作。仿生海东青的设计采用无刷电机驱动齿轮传动机构代替鸟的肌肉，用曲柄摇杆机构和连杆机构模拟鸟的骨骼，完成了海东青仿生扑翼的设计。
3.1 仿生海东青扑翼结构及工作原理
仿生海东青主要由机架、驱动机构、控制系统、驱鸟装置、无线传输模块、扑翼骨架、锂电池等部分组成，总体结构三维模型如图4所示。
仿生海东青的扑翼驱动机构由无刷电机，齿轮机构、曲柄摇杆机构和连杆机构组成，如图5所示。扑翼通过无刷电机带动齿轮机构旋转，通过齿轮机构将转速传递至曲柄，曲柄带动摇杆摇杆上下摇摆，再通过连杆带动翅膀上下运动，扑翼上下运动的快慢可通过调节无刷电机的转速加以控制。
.png)
3.2 驱鸟装置设计
仿生海东青的驱鸟装置由鸟鸣器、声音存储卡和控制电路组成。仿生海东青接收到驱鸟指令后，从声音存储卡中读取海东青的叫声，并播放以达到驱鸟的效果。
3.3 控制系统设计
仿生海东青采用遥控的方式进行控制，控制系统由无线传输模块、控制板、电调等组成，控制系统结构如图6所示。操作者利用遥控器发射出无线电波发出指令，仿生海东青的接收器接收到遥控指令后，对遥控器发出的无线电信号进行处理，信号经放大、整形、解码后，把接收到的控制指令转换成执行电路可以识别的数字脉冲信号，并传输给仿生海东青的电子调速器，对仿生海东青的飞行姿态、飞行方向和速度进行控制和调节。当鸟鸣器控制器接收到开关指令时，仿生海东青可以打开鸟鸣器完成驱鸟任务，任务完成鸟鸣器关闭。
4 样机制作及测试实验
仿生海东青样机如图7所示。基于仿生机械鸟要求质轻、抗摔和减震的要求，外壳选择高分子材料-泡沫塑料；机架、齿轮、曲柄和摇杆等结构件均选择塑料材质或铝合金材制；翅膀和尾翼由碳杆制作骨架，选择无纺布作为羽毛的模拟材料。这样的材料选择在最大限度内满足了仿生海东青质轻、抗摔和抗震的要求。
实验场所：东北林业大学实验林场。东北林业大学林场野生鸟类较多，森林密布，适合作为仿生海东青的实验环境。
实验项目：1）仿真海东青飞行试验，以获取其飞行高度、飞行速度等飞行及可控制范围等相关数据，检验其飞行性能；2）驱鸟效果实验，观察仿生海东青驱鸟效果。
图7 仿生海东青样机
.png)
机械鸟起飞后，在指定区域内进行盘旋，以获取相关飞行实验数据。在接近鸟群时，打开鸟鸣器驱鸟，可以看到对于麻雀、喜鹊等鸟类具有很好的驱赶效果，类看到或者听到后，都会立刻离开仿生海东青的活动范围。
样机实验数据如表1所示，满足实验要求。
.png)
5结论
本文对仿生机械鸟结构进行了研究，通过对鸟类扑翼结构和飞行机理的研究，设计了一种仿生机械鸟-仿生海东青。该机械鸟应用齿轮机构传动、曲柄摇杆机构和连杆机构实现了对海东青扑翼的模拟。仿生海东青及其携带的鸟鸣器能够有效地对麻雀、喜鹊等东北常见鸟类进行驱离。仿生海东青选择泡沫塑料、铝合金和碳杆等作为机械结构件的主要材料，达到了质轻、抗衰和防震的设计要求。飞行高度、飞行速度满足设计指标的要求，飞行性能良好，证明了设计结构的合理性和可行性。
参考文献
[1]Weis-Fogh T. Quick estimates of flight fitness in hovering animals,including novel mechanisms for lift production[J].Journal of Experimental Biology,1973,59(1):169-230.
[2]王鹏程,王浩,顾光健.单曲柄双摇杆无相差扑翼驱动机构的设计与仿真[J].机械制造与自动化,2020,49(01):94-96+126.
[3]王超,屈方杰,黄恒敬,仲军.多自由度仿生扑翼飞行机器人结构设计与分析[J].宇航总体技术,2020,4(01):39-46+62.
[4]马程,熊晓松,吴昊,王世文.扑翼机结构设计及运动仿真[J].中国教育技术装备,2020(14):27-29.
[5]张弘志,宋笔锋,孙中超,汪亮.扑翼飞行器驱动机构回顾与展望[J].航空学报,2021,42(02):80-101.
[6]胡超,谢中敏,沈朝萍,尚金秋.扑翼飞行器传动机构的研究及对比分析[J].装备制造技术,2019(01):104-106+114.
[7]曹嘉睿.仿生扑翼飞行器发展现状与关键技术分析[J].科技传播,2020,12(04):141-142.
[8]高颖. 多飞行模式仿鹰扑翼飞行器设计及动力特性研究[D].武汉科技大学,2020.
[9]华兆敏.适应多姿态的仿生扑翼飞行器动态设计与优化[D].武汉:武汉科技大学,2019.
[10]Keennon M, Klingebiel K, Won H. Development of the Nano Humming Bird: A Tailless Flapping Wing Air Vehicle[M].The 50th AIAA Aerospace Science Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Explosion,2012:1-24.
[11]Yafeng Zhang,Zhang Yafeng,Wang Xiaobo,Zhang Guoqiang,Yang Jinhua. Design and analysis of single-degree-of-freedom flapping wing mechanism based on UG[J]. Journal of physics. Conference series,2020,1629(1).
[12]赵龙飞,焦宗夏,尚耀星.扑翼飞行机理与优化[J].机械工程学报,2020,56(06):40.
[13]李京虎,付国强,武斌.两段式仿生扑翼机构设计及仿真分析[J].机床与液压,2020,48(02):144-148.
[14]王红超,杜小雷.一种新型仿鸟扑翼机构[J].唐山师范学院学报,2019,41(06):62-67.
[15]刘笑. 扑翼飞行器的设计与关键技术研究[D].桂林电子科技大学,2019.
[16]罗婷. 仿生扑翼机单关节扑动机构设计与仿真[D].西南科技大学,2019.
[17]张渴望. 仿生扑翼微型飞行器姿态控制方法研究[D].电子科技大学,2019.