基于气动肌肉驱动的飞行蝠鲼设计

DARPA推出“蝠鲼”无人潜航器项目来源：军事高科技在线作者：左珍珠美国国防部高级研究计划局(DARPA)是领导开发无人水下航行器(UUV)的机构之一。

近日，DRAPA授予美国军火巨头诺·格公司“蝠鲼”(Manta Ray)无人潜航器项目的第2阶段合同，将进行子系统测试，并演示验证全尺寸潜航器的集成、制造和水下测试。

01 项目背景进入21世纪后，全球海上安全形势变化呈现更快、更复杂、更具竞争性等特征。

维持海军能力是确保航行自由、全球贸易准入以及快速应对新兴威胁的基础。

由于螺旋桨驱动推进系统功率需求以及固定电池容量的限制，当前携带有效载荷的无人潜航器通常仅能完成时间有限的任务。

能源容量的限制，使得无人潜航器需要定期连接到载人主机平台、更大的无人潜航器或者港口进行充电。

所以，当前无人潜航器的发展趋势是实现较大有效载荷容量或者较长巡航时间。

但由于当前技术能力的局限，难以实现两者的兼顾。

“蝠鲼”UUV概念图海军的潜艇舰队和水下战是构成深海和海底探索精英小组的重要组成部分，也是美国海军研究办公室（ONR）目前寻求在水下战中取得优势的下一个前沿。

DARPA和ONR目前正在研发的技术将不再依赖高密度电池，也不会使用核能。

02 项目要求“蝠鲼”项目共有两个目标：一是为未来无人潜航器开辟一个设计空间，使之既能执行长期任务，又能承担巨大的有效载荷；二是推进其他有利于海军设计的关键技术，比如无人潜航器的低生命周期成本运行、长续航时间水下能量管理技术、生物污染减少技术、以及长时间导航赋能技术。

2019年5月13日，在“蝠鲼”项目提案日活动上，DARPA战术技术办公室（TTO）向潜在提案者介绍项目相关信息。

根据DARPA发布的信息，DARPA将向提案者提供所需解决方案的指导，帮助提案者开发“蝠鲼”初始概念并界定工作范围。

“蝠鲼”UUV概念图DARPA同时指出，“蝠鲼”无人潜航器需具备以下技术能力：① 技术能力：用于无人潜航器运行的新能源管理技术；新型低功耗水下威胁侦察和分类方法；考虑动态海洋环境，延长续航时间的任务管理方法。

仿蝠鲼潜水辅助系统设计构想1、设计目的本设计的目的是基于仿蝠鲼潜水辅助系统，具体采用现代技术手段对其进行升级和优化。

一方面，通过增加传感器元件，改善传感器观测空间，提高数据采集精度；另一方面，通过优化算法和改善数据处理速度，有效提高系统反应速度和稳定性，为潜水员提供更优质的潜水辅助服务。

2、设计方案2.1 系统组成本设计方案仿照蝠鲼潜水辅助系统，由传感器、控制电路、数据处理器、人机交互界面等主要部件构成。

（1）传感器：包括深度传感器、氧气传感器、水温传感器、气压传感器、加速度传感器等，其主要作用是采集与潜水有关的重要数据信息。

（2）控制电路：主要负责数据的采集、传输和控制，其设计需满足易于携带、优化能量消耗等要求。

（3）数据处理器：包括数据存储器，可为潜水员提供更高的数据处理速度和更大的存储容量，避免数据的丢失和遗漏。

（4）人机交互界面：设备的设计还应考虑到潜水员在海中的操作环境，为其提供更直观、人性化的信息显示和交互控制。

（1）数据采集优化：通过增加传感器元件的布局和联合设计、改善传感器工作环境等手段提高数据采集精度；（2）算法优化：采用更为优秀的数据处理算法，提高系统的反应速度和稳定性。

（4）人机交互界面优化：人机交互界面设计自然、简单、方便，能够显示潜水信息和掌握潜水状态。

3、数据显示优化的数据显示将能够充分显示潜水器件提供的诸如深度、温度、剩余气体、潜水时间等实时的海洋环境数据信息。

此外，还能通过温度、压力等传感器的协助，充分了解潜水员的疲劳度，从而及时提供各种辅助信息，以助潜水员获得更好的潜水体验。

4、结论总体来说，仿蝠鲼潜水辅助系统是一款功能全面且性能稳定的潜水设备，为广大潜水员提供了更好的潜水体验和更高的安全性能。

在本设计构想中，我们进一步在原有潜水辅助系统的基础上进行了开发和优化，从而提升了系统的效能和可用性，给潜水运动带来了新的发展契机。

仿生蝠鲼机器人的设计及仿真张世豪，王文亮，韩鹏，赵斌（中船（浙江）海洋科技有限公司,浙江舟山316000）摘要：以蝠鲼的躯干和胸鳍的结构与运动原理分析为基础，设计了一款仿生蝠鲼机器人。

在保留蝠鲼主要行为参数的前提下，简化了复杂的身体结构。

通过控制每个鱼鳍的两个自由度，较为准确地复现蝠鲼的运动状态。

建立仿生蝠鲼机器人的控制曲线及表面结构的三维模型，采用Adams软件对其进行机构运动仿真（包括运动、速度及转弯实验），通过仿真来验证机器人结构及运动控制系统的正确性。

关键词:水下机器人；仿生；蝠鲼；结构设计；仿真实验中图分类号:TP242文献标志码:A文章编号：1002-2333（2019）06-0147-05Design and Simulation of Bionic Manta Ray RobotZHANG Shihao,WANG Wenliang,HAN Peng,ZHAO Bin（CSSC（Zhejiang）Ocean Technology Co.,Ltd.,Zhoushan316000,China）Abstract:Based on the analysis of the trunk and pectoral fin structure and movement principle of manta ray,a bionic manta ray robot is designed.The complex body structure is simplified while preserving the main behavioral parameters of manta rays.By controlling the two degrees of freedom of each fin,the movement state of the manta ray is more accurately reproduced.The control curve of the bionic manta ray robot and the three-dimensional model of the surface structure are established.The Adams software is used to simulate the mechanism motion（including motion,velocity and turning experiments）,and the simulation is used to verify the correctness of the robot structure and motion control system. Keywords:underwater robot;bionics;manta ray;structural design;simulation experiment0引言随着海洋仿生机器人的迅猛发展，越来越多的机器人应用于海洋探测与海洋监控。

新型无人机气动设计与优化在当今科技飞速发展的时代，无人机已经成为了各个领域中不可或缺的重要工具。

从军事侦察、物流配送，到环境监测、影视拍摄，无人机的应用范围越来越广泛。

而在无人机的研发过程中，气动设计与优化是至关重要的环节，它直接影响着无人机的性能、稳定性和飞行效率。

无人机的气动设计主要涉及到机身外形、机翼形状、翼型选择、尾翼布局等多个方面。

一个合理的气动设计能够有效降低无人机的阻力，提高升力，从而实现更长的续航时间、更高的飞行速度和更好的操控性能。

在机身外形设计方面，需要考虑无人机的任务需求和飞行环境。

例如，对于需要高速飞行的无人机，机身应尽量采用流线型设计，以减少空气阻力；而对于需要长时间悬停的无人机，机身的稳定性和抗风能力则更为重要。

此外，机身的材料选择也会对气动性能产生影响，轻质高强度的材料可以减轻无人机的重量，提高飞行效率。

机翼形状的选择对于无人机的气动性能有着关键作用。

常见的机翼形状包括矩形翼、梯形翼、椭圆形翼等。

矩形翼结构简单，制造容易，但在高速飞行时阻力较大；梯形翼在一定程度上兼顾了低速和高速飞行的性能；椭圆形翼则在升力分布和阻力降低方面具有优势，但制造难度相对较高。

在实际设计中，需要根据无人机的具体任务和飞行速度要求来选择合适的机翼形状。

翼型的选择也是无人机气动设计的重要组成部分。

不同的翼型具有不同的升阻特性和失速特性。

常见的翼型如 NACA 系列翼型，具有良好的气动性能和广泛的应用。

通过对翼型的优化，可以进一步提高无人机的升力和降低阻力。

例如，采用弯度较大的翼型可以增加升力，但同时也会增加阻力；而采用薄翼型则可以降低阻力，但升力相对较小。

因此，在翼型选择时需要综合考虑各种因素，以达到最优的气动性能。

尾翼布局对无人机的稳定性和操控性有着重要影响。

常见的尾翼布局有常规尾翼、无尾翼和 V 型尾翼等。

常规尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，能够提供较好的稳定性和操控性，但也会增加一定的阻力；无尾翼设计可以减少阻力，但对飞行控制系统的要求较高；V 型尾翼则在一定程度上兼顾了稳定性和阻力降低的要求。

一种仿蝙蝠扑翼飞行器的设计作者：宋方会康与云褚涛来源：《科技视界》2016年第06期【摘要】设计制作了一款仿蝙蝠扑翼飞行器。

根据扑翼的工作方式，用电机驱动双摇杆-双连杆机构实现扑翼飞行；采用交叉十字法接将两个电磁舵机相连，保证微型扑翼机的灵活简约；选用6mm直径空心杯电机作为驱动电机，选用超小型双路双向有刷电子调速器；采用3D 快速打印成型技术打印机身，用聚乙烯材质做蒙皮，将扑翼机的重量控制在了20g以内，并通过了飞行实验。

【关键词】扑翼机；仿生；结构设计；控制系统1 仿蝙蝠扑翼机的结构设计1.1 两自由度扑翼机构设计蝙蝠在自由飞行过程中仅依靠双翅的扑动以及蝠身腹部控制攻角，来产生升力及推力飞行的，对仿蝙蝠扑翼微型飞行器而言，它的单侧扑翼机构为单自由度机构，为使扑翼机构运动准确，原动件的数量必须等于该机构的自由度的数量，即运动确定的条件是设计机构的自由度数与扑翼机驱动的数量相等[1-3]。

仿蝙蝠扑翼机的各构件只作平面运动，所以每个自由构件具有三个自由度。

机械机构虽然同时具有两种运动，但明确只有一个驱动支持，因此要求机构只具有一个自由度。

而每个平面低幅（转动副和移动副）各提供两个约束，每个平面高副只提供一个约束。

自由度的计算公式如式（1）[4]：其中，N—为构件数，包括机架；Pi—第i类运动副的数量；Ci—第i类运动副引入的约束数。

扑翼机构是一个5杆5副的闭环机构，圆柱副引入5个约束，球副引入3个约束，自由度由式（1）计算得：1.2 减速齿轮组设计仿蝙蝠扑翼机飞行工作时，扑动频率高，翼手拍打空气需要很大作用力，负载较大，微型直流电机无法直接驱动翼手拍打空气产生升力，且容易造成损坏。

因此采用齿轮减速器，用来降低转速和增大转矩，以满足拍打机翼的需要。

微型飞行器，完成飞行所需扭矩小，数量级低，因此两级展开式圆柱齿轮减速组中齿轮全部选用塑料齿轮或是用PLA3D打印材料。

这种齿轮组结构简单、应用广泛。

扑翼机的上下扑动是对称的往返运动，需要该机构实现翼手对称扑动拍打，在减速齿轮组中，连接摇杆的两个直齿轮对称放置。

条飞机设计中的仿生学原理条飞机设计中的仿生学原理涵盖了从动物的结构、形态、功能到生理特点的一系列设计理念，借鉴了自然界中的优秀设计。

本文将介绍条飞机设计中的几个主要仿生学原理，包括鱼类游泳的运动原理、鸟类的飞行原理、蝙蝠的翻飞原理和昆虫的机械特性，并以目前的条飞机设计作为具体示例进行分析和讨论。

首先，鱼类游泳的运动原理在条飞机设计中得到广泛应用。

鱼类的身体通常呈流线型，这种形状能够减少水的阻力，使鱼类在水中更加灵活迅捷地游动。

类似地，条飞机的外形设计也以流线型为基础，以减小空气阻力，提高飞机的空气动力学性能。

此外，鱼类尾鳍的摆动也是条飞机设计中的重要仿生学原理之一、飞机尾部的侧尾翼可以模拟鱼类的尾鳍，通过改变侧尾翼的倾角和位置，可以调整飞机的姿态和稳定性，实现更好的操纵性能。

其次，鸟类的飞行原理被广泛应用于条飞机设计中。

鸟类拥有轻巧的骨骼结构和坚韧的羽翼，使得它们可以在空中实现高效的飞行。

条飞机可以借鉴鸟类的翅膀结构和翅膀的形状，采用轻质材料和复杂的翼翱设计，以提高飞机的升力和降低重量。

此外，鸟类在飞行过程中通过翅膀的扑动和调整羽翼的倾斜角度来实现姿态的调整和操纵。

通过引入类似的机械结构和操纵系统，条飞机可以具备更好的操纵性能和空气动力学稳定性。

蝙蝠的翻飞原理也为条飞机设计提供了重要的参考。

蝙蝠能够在狭小的空间中快速转向和机动飞行，这得益于它们的翼膜和灵活的翼展。

条飞机可以借鉴蝙蝠的翅膀设计，使用柔性材料和特殊的翼膜结构，以实现更好的机动性和灵活性。

此外，蝙蝠在飞行过程中通过调整翼膜的张力和形状来进行操纵。

类似地，条飞机可以引入类似的机械结构和操纵系统，以实现高效的操纵和姿态调整。

最后，昆虫的机械特性为条飞机设计提供了灵感。

昆虫的机械结构非常复杂，包括复杂的骨骼结构、肌肉系统和各种感知器官。

条飞机可以借鉴昆虫的机械结构和功能特点，以实现更轻巧、高效的设计。

例如，昆虫的翅膀通常由多个翅脉支撑，并通过细小的肌肉系统实现翅膀的扑动。

从人类第一架飞机“飞行者一号”开始，飞机气动布局发展就与鸭式布局结下了百年的渊源。

一直以来，鸭式气动布局被视为优点和缺点同样突出的气动布局，让飞机设计者们既爱又恨。

似乎已经形成了这样一个观点，那就是鸭式布局作为一种“旁门左道”的航空技术，无法撼动常规布局在战斗机设计中的主流地位。

而中国歼二十的亮相和首飞无疑推翻了这个论调，采用鸭式布局同样可以攀登上最先进战斗机的巅峰。

“丑小鸭”：早期鸭式布局实践人类第一架飞机“飞行者一号”采用的就是鸭式布局。

在人类刚刚接触飞机设计的时候，非常自然的想到，在机头设置控制翼面，翼面上偏，飞机抬头，翼面下偏，飞机低头，从而实现飞机的俯仰控制。

但是在飞机技术发展过程中，航空先驱者们发现，鸭式布局这个看似简单直接的气动控制手段，在工程应用的时候带来相当多而且凭借当时技术手段基本无法解决的问题。

第一，鸭翼上偏在提供升力或者抬头力矩的同时，干扰了后面主翼的流场。

鸭翼上偏或者设计成平飞时也产生升力的时候，由于升力产生的本质就是鸭翼上下表面的压力差，鸭翼上表面形成的低压区碰巧在主翼的位置，而且部分低压区产生在主翼之下。

这样就相当于降低了主翼下表面压力，从而降低了主翼升力。

第二，鸭翼的攻角是飞机攻角与鸭翼偏转角度的叠加，鸭翼偏转角度稍大就会因为迎角过大而失速，飞机迅速失去抬头力矩。

这就相当于限制了飞机俯仰操纵能力，由此带来飞机最关键的盘旋性能的下降。

第三，鸭翼带来严重的非线性操纵问题。

鸭翼在进行俯仰操纵的时候，鸭翼的偏角与飞机的俯仰角速度有着非常复杂而且非线性的控制关系，只在小迎角范围内存在近似线性的控制关系。

这样复杂的控制律除非采用计算机进行控制否则飞行员只能在非常小的迎角范围内稳定控制飞机。

第四，鸭式布局给飞机的俯仰力矩很大，需要主翼襟翼提供相应的配平力矩。

俯仰力矩大本来对于强调高俯仰速率的战斗机是有益的，但是高俯仰力矩需要主翼襟翼有足够的力矩去配平。

一旦飞机迅速拉起迎角，如果襟翼不能遏制飞机的上扬趋势，飞机就会进入上扬发散，紧接着就是失速尾旋。

仿蝠鲼潜水辅助系统设计构想随着潜水运动的不断发展，潜水爱好者们对于潜水装备的要求也越来越高。

潜水辅助系统作为潜水装备的重要组成部分，其设计和功能也备受关注。

在这样的背景下，一款仿蝠鲼潜水辅助系统的设计构想引起了人们的兴趣。

仿蝠鲼潜水辅助系统的设计灵感来源于蝠鲼这种神奇的水下生物。

蝠鲼拥有独特的双翼结构，可以快速、灵活地在水下移动。

基于这种特点，仿蝠鲼潜水辅助系统以模仿蝠鲼的动作原理为基础，结合先进的科技和材料，旨在提供潜水者更加舒适、便捷、安全的潜水体验。

仿蝠鲼潜水辅助系统的设计构想包括一套先进的双翼结构。

这些双翼可以根据潜水者的动作和需求进行自由伸缩和折叠，使得潜水者可以在水下更加灵活地移动和操作。

这些双翼还可以根据水流的情况进行智能调节，提供更加稳定和平衡的潜水状态。

仿蝠鲼潜水辅助系统还包括智能控制系统。

这套系统可以通过潜水者的动作和指令进行智能识别和响应，从而调节双翼的伸缩和折叠，实现自动平衡和稳定。

智能控制系统还可以监测潜水者的健康状况和潜水环境的变化，提供实时的预警和保护。

仿蝠鲼潜水辅助系统还配备了多种传感器和监测装置。

这些装置可以实时监测水下的水质、水温、水深等环境参数，提供给潜水者参考和判断。

传感器和监测装置还可以监测潜水者的呼吸和身体指标，提供健康保护和紧急救援的支持。

仿蝠鲼潜水辅助系统还融合了虚拟现实技术。

潜水者可以通过头戴式显示装置，实时地获取水下的景象和信息，更加方便地进行导航和探索。

虚拟现实技术还可以提供沉浸式的潜水体验，增强潜水者的乐趣和安全感。

仿蝠鲼潜水辅助系统的设计构想融合了材料科学、生物学、机械工程、人机交互等多个领域的技术和理念。

其核心目标是为潜水者提供更加便捷、舒适、安全的潜水体验，促进潜水运动的发展和普及。

仿蝠鲼潜水辅助系统的设计构想仍然面临着许多挑战和难题。

如何实现双翼的智能伸缩和折叠，如何保证系统的稳定和安全，如何提供持久的电池续航等问题都需要经过深入的研究和开发。