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摘 要：扑翼机是一种能像鸟那样煽动翅膀飞行的机器，也是基于仿生学原理进行设计模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。它不但囊括了固定翼和旋翼飞行器的优点，而且还具有较好的隐蔽性和机动性。此外，扑翼飞行器具有特殊的空气动力学特性。研制扑翼机对未来航空业的发展很有必要，本文讲述了当今扑翼机的发展，介绍了扑翼机的实践研制过程，并对实践研制的经验进行了总结。
关键词：扑翼机 驱动机构 研究
一、扑翼机发展简史
扑翼机是一种能像鸟那样飞行的机器，也是基于仿生学原理进行设计模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。它不但囊括了固定翼和旋翼飞行器的优点，而且还具有较好的隐蔽性和机动性。此外，扑翼飞行器具有特殊的空气动力学特性。
对于扑翼飞行的设想由来已久。在西汉时期，就传说有人用大鸟的羽毛制作了两个特别大的翅膀，然后这人扇动着这两个翅膀从高处飞下，虽然他只飞了大约几百步远就命丧黄泉，但却是一种难能可贵的尝试。在之后的数千年中，在英国、阿拉伯、土耳其也有人做过类似的试验。不过，这几个人并不都是那么幸运。据说，除了一个土耳其人飞行了好几公里远外，另外的人要么摔断了腿，要么坠地而死，酿成了不少悲剧。直到15世纪，意大利的天才设计家达·芬奇设计了一种像鸟一样扑翼的机械，此机械装有翅膀，能用脚来进行扑动。这兴许是现代扑翼机的前身。1930年，一位意大利人制作了一个扑翼机模型并且进行过了试飞，该机全重约22.7千克，装有一台推力为0.37千瓦的发动机，这可以说是世界上第一种有发动机的扑翼飞机。
在形形色色的扑翼机的设计方案中，有的形如蝙蝠，具有薄膜似的扑动翼面；有的装有带缝隙和活门的扑动翼，具有类似飞鸟翅膀的作用。不少科学家、工程师和业余爱好者都在致力于扑翼机的研究工作。随着现代材料、动力、加工技术，特别是微机电技术（MEMS）的进步，国内外已经有许多院校、企业、科研机构等部门能够制造出接近实用的各类扑翼飞行器。这些飞行器从原理上可以分为仿鸟扑翼和仿昆虫扑翼，它们主要以微小型无人扑翼机为主，也不乏有大型载人扑翼机。这些扑翼飞机中所采用的仿鸟扑翼的扑动频率低，翼面积大，类似鸟类飞行，制造相对容易；另一些则是仿昆虫扑翼，这种扑翼扑动频率高，翼面积小，制造难度高，但可以实现悬停的优点。
二、通用扑翼机
大多数院校和企业等研制的扑翼机结构，它由减速齿轮组、扑翼机构、舵机、电机、接收机、电池等所组成。其扑翼机构采用的是最普遍的减速齿轮摇臂式扑翼驱动系统。一般而言，扑翼驱动机构是由机架、输入杆、左右翅膀杆和连接杆件组成的。机架为飞行器机身，输入杆连接扑翼机构动力源，连接杆件为除机架、输入杆和左右翅杆之外的杆件，左右翅膀杆为使机翼产生上下扑动的杆件。输入杆获得动力后，带动其他杆件，使左右翅膀杆产生扑动从而提供升力和推力。两个舵机的作用是控制水平尾翼和垂直尾翼的活动，和一般的固定翼飞机一样；电机为扑翼驱动机构提供足够的动力；在扑翼机结构中的“水平放物架”可以用来放置电池、电子调速器、接收机等零部件以及各种载荷。
三、扑翼机实践研制
现今，由于各类四旋翼航空模型和无人机在被广泛使用，并且又有结构简单、操纵容易等特点。所以笔者提出一种不同于市面上和各大院校所研发的别出心裁的设计，也为了满足消费者的求异心理，笔者设计了一架四扑翼遥控飞机——即想方设法把传统的四轴机的螺旋桨拆掉，并且在原来的四个马达上分别装上四个扑翼驱动器。笔者决定制作一台小型遥控扑翼机样机并进行试飞，以证明与四轴飞行器原理大致相同的扑翼飞行器的可行性。
由于网上只出售一种用于充电电容手抛玩具飞机所使用的双摇柄结构扑翼减速齿轮组，所以笔者直接选购四个网上出售的双摇臂式扑翼驱动减速齿轮组和塑料机翼薄膜组装到一台微型四旋翼遥控玩具的四个马达上，即可实现四轴机和传统仿生固定翼扑翼机的部分或全部功能。图1是笔者所设计并制作的扑翼试验样机的草图，它由电路板、电池、机臂、减震海绵和驱动机构组成。其中电路板是从一架微型四轴机玩具上取下来的，包含了接收器、电子调速器；机臂，负责连接电路板与驱动机构。为了抵消驱动机构运动时所产生的震动，用减震海绵连接驱动机构与机臂。驱动机构为淘宝网上常见的双摇臂减速齿轮组，它们在电动机的驱动下可以进行周期性上下摇动，使它们的安装插头上安装的作为机翼的塑料薄膜产生扑动，从而向下产生推力，当推力大于全机所受的重力时，飞机即可起飞。
该机的原理是这样的：向下扇动的扑翼机翼所产生的推力大于全机的重量，飞机即可升空，在飞机向某个方向飞行时，预计飞行方向的相对方向的两个或三个扑翼会加快扇动速度，在预计前进方向上产生外力，使飞机朝着那个方向移动，正如传统的四轴飞行器一样。由于这台样机没有螺旋桨，所以根本无法像传统的四周机一样加快对侧两个马达的转速来产生足够的扭矩使飞机原地旋转，况且增加新的部件又会增加全机重量。这架样机的制作目地本来就是验证新式结构的飞行可行性，即要验证飞机能否顺利起飞，所以可以取消飞机的原地旋转能力，因为这个功能与本次试验的最初目的无关。
由于一个包括四个机翼和一个齿轮组的驱动单元相对于作为载体的微型四轴机实在是过于庞大，笔者测得微型四轴机两个马达的间距为50毫米，而整个扑翼驱动单元在全周期内的伸缩范围在260毫米到275毫米之间，如果按照原来的构想来组装，四个扑翼驱动单元之间一定會发生冲突，无法安装，更无法正常运转。所以笔者在微型四轴机四个马达的位置安装了四个机臂，另外把马达与电路板连接的导线全部剪断，再用焊接的方式连接被剪断的部分，相当于延长了原来的导线，使四个扑翼驱动单元之间彼此各有一定的距离，使它们无论是安装还是运动都不发生冲突。通过运用三角函数公式的计算得知，大约要做出四个长度为130毫米的机臂才能使四个扑翼驱动单元所包括的16副机翼的活动不受彼此的影响。笔者使用了食堂的吸管作为机臂的材料；动力方面，推测四个马达大概能带动160克的质量，整机大概100克，用原来四轴机上的马达可能够用，不做变动。在组装完毕后，全机尺寸为280毫米×280毫米，使用四个小型空心杯电机作为动力，机架为原来微型四轴机所使用的电路板，驱动系统为从网上买到的双摇臂减速齿轮组，一共四个，带动十六个塑料薄膜机翼扇动产生升力。在组装完成之后，笔者立即开始了试飞。试制扑翼机为四旋翼结构，主要由驱动机构、减震海绵、机臂、电路板和电池组成。 四、小结
实际试飞的结果，不尽如人意，一共进行两次升空试验，其中第一次试验时飞机共留空2秒，第二次共留空1秒，两次都是从手掌上起飞（飞机重量很轻）后就迅速跌落，第二次甚至在空中发生解体散架，其中一个机臂从安装孔中脱落。通过该次实践，对扑翼机有如下经验总结：可能方向错误地安装了机翼；由于扑翼机固有的缺点就是消耗能量较大，电动机所放出的动能部分因为机械结构的相互摩擦而内能消耗，再加上驱动系统的推力很小，所以可以很容易地驅动固定翼飞机升空，而难以让非固定翼飞机升空。正因如此，其他院校和机构所研制过的扑翼飞机大多都是固定翼飞机；该样机的机架和机臂的质量相对于减速齿轮双摇臂式扑翼驱动系统所提供的升力来说，质量实在过大，所以根本无法实现升空，更无法飞行。
即使这台样机还有许多的弊端，但是笔者相信在它还可能会飞起来，它的弊端及克服与解决方法有：针对机翼煽动时无法提供较大的升力的问题，增大每个机翼的面积，并且减少机翼的数量，使用密度更小、强度也有所保证的材料，并且保证机翼的结构能让机翼在每一个周期的煽动时能产生更大的推力；针对机架部分（指那架试飞失败的样机的塑料管机臂和电路板的结合体）相对电机和作为驱动机构的双摇臂减速齿轮组所能提供的向下的推力来说既笨重又不够坚固，所以要用轻便且有一定强度的材料制作机架，让它不至于在空中被撕裂散架，针对动力不足，可以采用推重比足够大的无刷电机带动扑翼的驱动机构。总之，要想研制成功，不仅要消除上述的弊端，还要平衡好全机各部分重量和电机和驱动机构所产生的推力，并进行深入研究各种理论基础，勇于尝试，就能研制成功扑翼机。
本文分别介绍了现今扑翼机的发展情况，个人的扑翼机实践研制的过程、结果、实践总结以及改进方案。对今后的扑翼机研发提供了部分参考。
参考文献：
[1]肖天航，段文博，昂海松.仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究[J].空气动力学学报，2011（6）.
[2]蔡红明，昂海松，郑祥明.基于自适应逆的微型飞行器飞行控制系统[J].南京航空航天大学学报， 2011（2）.
[3]张亚锋，宋笔锋，马红萍等.仿生扑翼机构的优化设计[J].机械设计与研究，2008（4）.
[5]张明伟，方宗德，周凯等.微扑翼飞行器的仿生结构研究[J].机床与液压，2007（6）.
（作者单位：北京电子科技职业学院）
关键词：扑翼机 驱动机构 研究
一、扑翼机发展简史
扑翼机是一种能像鸟那样飞行的机器，也是基于仿生学原理进行设计模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。它不但囊括了固定翼和旋翼飞行器的优点，而且还具有较好的隐蔽性和机动性。此外，扑翼飞行器具有特殊的空气动力学特性。
对于扑翼飞行的设想由来已久。在西汉时期，就传说有人用大鸟的羽毛制作了两个特别大的翅膀，然后这人扇动着这两个翅膀从高处飞下，虽然他只飞了大约几百步远就命丧黄泉，但却是一种难能可贵的尝试。在之后的数千年中，在英国、阿拉伯、土耳其也有人做过类似的试验。不过，这几个人并不都是那么幸运。据说，除了一个土耳其人飞行了好几公里远外，另外的人要么摔断了腿，要么坠地而死，酿成了不少悲剧。直到15世纪，意大利的天才设计家达·芬奇设计了一种像鸟一样扑翼的机械，此机械装有翅膀，能用脚来进行扑动。这兴许是现代扑翼机的前身。1930年，一位意大利人制作了一个扑翼机模型并且进行过了试飞，该机全重约22.7千克，装有一台推力为0.37千瓦的发动机，这可以说是世界上第一种有发动机的扑翼飞机。
在形形色色的扑翼机的设计方案中，有的形如蝙蝠，具有薄膜似的扑动翼面；有的装有带缝隙和活门的扑动翼，具有类似飞鸟翅膀的作用。不少科学家、工程师和业余爱好者都在致力于扑翼机的研究工作。随着现代材料、动力、加工技术，特别是微机电技术（MEMS）的进步，国内外已经有许多院校、企业、科研机构等部门能够制造出接近实用的各类扑翼飞行器。这些飞行器从原理上可以分为仿鸟扑翼和仿昆虫扑翼，它们主要以微小型无人扑翼机为主，也不乏有大型载人扑翼机。这些扑翼飞机中所采用的仿鸟扑翼的扑动频率低，翼面积大，类似鸟类飞行，制造相对容易；另一些则是仿昆虫扑翼，这种扑翼扑动频率高，翼面积小，制造难度高，但可以实现悬停的优点。
二、通用扑翼机
大多数院校和企业等研制的扑翼机结构，它由减速齿轮组、扑翼机构、舵机、电机、接收机、电池等所组成。其扑翼机构采用的是最普遍的减速齿轮摇臂式扑翼驱动系统。一般而言，扑翼驱动机构是由机架、输入杆、左右翅膀杆和连接杆件组成的。机架为飞行器机身，输入杆连接扑翼机构动力源，连接杆件为除机架、输入杆和左右翅杆之外的杆件，左右翅膀杆为使机翼产生上下扑动的杆件。输入杆获得动力后，带动其他杆件，使左右翅膀杆产生扑动从而提供升力和推力。两个舵机的作用是控制水平尾翼和垂直尾翼的活动，和一般的固定翼飞机一样；电机为扑翼驱动机构提供足够的动力；在扑翼机结构中的“水平放物架”可以用来放置电池、电子调速器、接收机等零部件以及各种载荷。
三、扑翼机实践研制
现今，由于各类四旋翼航空模型和无人机在被广泛使用，并且又有结构简单、操纵容易等特点。所以笔者提出一种不同于市面上和各大院校所研发的别出心裁的设计，也为了满足消费者的求异心理，笔者设计了一架四扑翼遥控飞机——即想方设法把传统的四轴机的螺旋桨拆掉，并且在原来的四个马达上分别装上四个扑翼驱动器。笔者决定制作一台小型遥控扑翼机样机并进行试飞，以证明与四轴飞行器原理大致相同的扑翼飞行器的可行性。
由于网上只出售一种用于充电电容手抛玩具飞机所使用的双摇柄结构扑翼减速齿轮组，所以笔者直接选购四个网上出售的双摇臂式扑翼驱动减速齿轮组和塑料机翼薄膜组装到一台微型四旋翼遥控玩具的四个马达上，即可实现四轴机和传统仿生固定翼扑翼机的部分或全部功能。图1是笔者所设计并制作的扑翼试验样机的草图，它由电路板、电池、机臂、减震海绵和驱动机构组成。其中电路板是从一架微型四轴机玩具上取下来的，包含了接收器、电子调速器；机臂，负责连接电路板与驱动机构。为了抵消驱动机构运动时所产生的震动，用减震海绵连接驱动机构与机臂。驱动机构为淘宝网上常见的双摇臂减速齿轮组，它们在电动机的驱动下可以进行周期性上下摇动，使它们的安装插头上安装的作为机翼的塑料薄膜产生扑动，从而向下产生推力，当推力大于全机所受的重力时，飞机即可起飞。
该机的原理是这样的：向下扇动的扑翼机翼所产生的推力大于全机的重量，飞机即可升空，在飞机向某个方向飞行时，预计飞行方向的相对方向的两个或三个扑翼会加快扇动速度，在预计前进方向上产生外力，使飞机朝着那个方向移动，正如传统的四轴飞行器一样。由于这台样机没有螺旋桨，所以根本无法像传统的四周机一样加快对侧两个马达的转速来产生足够的扭矩使飞机原地旋转，况且增加新的部件又会增加全机重量。这架样机的制作目地本来就是验证新式结构的飞行可行性，即要验证飞机能否顺利起飞，所以可以取消飞机的原地旋转能力，因为这个功能与本次试验的最初目的无关。
由于一个包括四个机翼和一个齿轮组的驱动单元相对于作为载体的微型四轴机实在是过于庞大，笔者测得微型四轴机两个马达的间距为50毫米，而整个扑翼驱动单元在全周期内的伸缩范围在260毫米到275毫米之间，如果按照原来的构想来组装，四个扑翼驱动单元之间一定會发生冲突，无法安装，更无法正常运转。所以笔者在微型四轴机四个马达的位置安装了四个机臂，另外把马达与电路板连接的导线全部剪断，再用焊接的方式连接被剪断的部分，相当于延长了原来的导线，使四个扑翼驱动单元之间彼此各有一定的距离，使它们无论是安装还是运动都不发生冲突。通过运用三角函数公式的计算得知，大约要做出四个长度为130毫米的机臂才能使四个扑翼驱动单元所包括的16副机翼的活动不受彼此的影响。笔者使用了食堂的吸管作为机臂的材料；动力方面，推测四个马达大概能带动160克的质量，整机大概100克，用原来四轴机上的马达可能够用，不做变动。在组装完毕后，全机尺寸为280毫米×280毫米，使用四个小型空心杯电机作为动力，机架为原来微型四轴机所使用的电路板，驱动系统为从网上买到的双摇臂减速齿轮组，一共四个，带动十六个塑料薄膜机翼扇动产生升力。在组装完成之后，笔者立即开始了试飞。试制扑翼机为四旋翼结构，主要由驱动机构、减震海绵、机臂、电路板和电池组成。 四、小结
实际试飞的结果，不尽如人意，一共进行两次升空试验，其中第一次试验时飞机共留空2秒，第二次共留空1秒，两次都是从手掌上起飞（飞机重量很轻）后就迅速跌落，第二次甚至在空中发生解体散架，其中一个机臂从安装孔中脱落。通过该次实践，对扑翼机有如下经验总结：可能方向错误地安装了机翼；由于扑翼机固有的缺点就是消耗能量较大，电动机所放出的动能部分因为机械结构的相互摩擦而内能消耗，再加上驱动系统的推力很小，所以可以很容易地驅动固定翼飞机升空，而难以让非固定翼飞机升空。正因如此，其他院校和机构所研制过的扑翼飞机大多都是固定翼飞机；该样机的机架和机臂的质量相对于减速齿轮双摇臂式扑翼驱动系统所提供的升力来说，质量实在过大，所以根本无法实现升空，更无法飞行。
即使这台样机还有许多的弊端，但是笔者相信在它还可能会飞起来，它的弊端及克服与解决方法有：针对机翼煽动时无法提供较大的升力的问题，增大每个机翼的面积，并且减少机翼的数量，使用密度更小、强度也有所保证的材料，并且保证机翼的结构能让机翼在每一个周期的煽动时能产生更大的推力；针对机架部分（指那架试飞失败的样机的塑料管机臂和电路板的结合体）相对电机和作为驱动机构的双摇臂减速齿轮组所能提供的向下的推力来说既笨重又不够坚固，所以要用轻便且有一定强度的材料制作机架，让它不至于在空中被撕裂散架，针对动力不足，可以采用推重比足够大的无刷电机带动扑翼的驱动机构。总之，要想研制成功，不仅要消除上述的弊端，还要平衡好全机各部分重量和电机和驱动机构所产生的推力，并进行深入研究各种理论基础，勇于尝试，就能研制成功扑翼机。
本文分别介绍了现今扑翼机的发展情况，个人的扑翼机实践研制的过程、结果、实践总结以及改进方案。对今后的扑翼机研发提供了部分参考。
参考文献：
[1]肖天航，段文博，昂海松.仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究[J].空气动力学学报，2011（6）.
[2]蔡红明，昂海松，郑祥明.基于自适应逆的微型飞行器飞行控制系统[J].南京航空航天大学学报， 2011（2）.
[3]张亚锋，宋笔锋，马红萍等.仿生扑翼机构的优化设计[J].机械设计与研究，2008（4）.
[5]张明伟，方宗德，周凯等.微扑翼飞行器的仿生结构研究[J].机床与液压，2007（6）.
（作者单位：北京电子科技职业学院）