轻质压电/离子聚合物混合驱动的仿生扑翼飞行器研究

传统的驱动器（如电机驱动）不能完全满足微型仿生扑翼飞行器的高灵活性、高冗余度和高负载/体重比的要求。本项目以研制微型仿生扑翼飞行器的飞行翼扑翼与姿态调整驱动器为目标，研究LPC（Lightweight Piezo-Composite轻质压电复合材料)和IPMC（Ionic Polymer Metallic Composite离子聚合物金属复合材料）制备工艺与性能优化技术，设计微型扑翼飞行器扑翼机构与驱动装置，研究用LPC驱动飞行翼扑翼运动；将IPMC嵌入飞行翼，主动调整飞行翼的扑翼姿态，实现LPC和IPMC混合驱动仿生扑翼飞行器。该项目的研究属于微型仿生扑翼机器人的核心技术。

项目开展了LPC（轻质压电复合材料）和IPMC（离子聚合物金属复合材料）的建模与制备技术研究。为研究IPMC的输出性能，研制了IPMC材料性能测试平台。研制了IPMC控制系统，用于IPMC的驱动控制。以两种不同振翅方式（间接振动和直接振动）的四种昆虫（蜻蜓、独角仙、竹象虫和黄蜂）作为研究对象，通过生物解剖实验观察与飞行相关的肌肉对翅膀扑翼的驱动控制。蜻蜓扑翼形式为直接振翅，其他三种昆虫为间接振翅；蜻蜓控制振翅的肌肉主要以背腹肌为主，间接振翅的昆虫以背腹肌与背纵肌为主。昆虫飞行运动学与动力学测试系统用于测试昆虫飞行时的升力、推力，并同步记录其飞行姿态。结合高速摄像系统的触发方式，最终实现了高速摄像系统与力学测试系统的同步采集。竹象虫飞行时的振翅频率为64±3Hz，升力、推力随时间呈现明显的周期性变化，升力在每个周期内都会出现两次波峰；升力大小与振翅频率无显著关系；竹象虫两侧翅尖相对于身体的运动轨迹基本上形成一个闭合的“8”字形。比较三种不同目的昆虫飞行翅扑翼运动轨迹，分析翅膀在扑翼过程中的变形，以确定仿昆虫扑翼飞行器设计的仿生对象。蜻蜓的扑翼频率为22±3HZ，独角仙的扑翼频率为30±5HZ，鸣鸣蝉的扑翼频率为39±6HZ；蜻蜓扑翼轨迹为“8”字形，独角仙扑翼轨迹为类“8”字形，鸣鸣蝉扑翼轨迹为椭圆形；分析了翅膀在扑翼过程中的变形，发现了在下扑和仰旋阶段翅膀形状近似为伞状，这种伞状效应能有效提高升力。开展仿蝉前翅翼的有限元建模，进行结构静态力学分析。使用环氧/碳纤维预浸料作为翅脉以及聚酰亚胺薄膜作为翅膜进行高温固化，制作仿昆虫柔性翼。用金属离子聚合物（IPMC）嵌入仿昆虫柔性翼中，作为柔性翼在扑翼过程中主动变形的驱动器，IPMC材料的尺寸由制作的柔性翼决定。模拟竹象虫的振翅方式，设计了四连杆仿扑翼装置IBSS-MAV-I。在进一步研究的基础上，采用双曲柄双摇杆结构进行扑翼机构的改进设计，制作了仿昆虫扑翼装置IBSS-MAV-II。

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