摘要：鸟类和蝙蝠等飞行脊椎动物在悬停、起飞和降落等低空速状态下，往往采用与昆虫或蜂鸟不同的飞行策略。它们通过大幅变形翅膀、调整前后扫掠幅度，在上拍阶段折叠翅膀以减少阻力，并在下拍阶段充分伸展、向前扫动以产生足够升力。这种被称为“非对称悬停”的运动模式，尤其在雀形目鸟
鸟类和蝙蝠等飞行脊椎动物在悬停、起飞和降落等低空速状态下，往往采用与昆虫或蜂鸟不同的飞行策略。它们通过大幅变形翅膀、调整前后扫掠幅度，在上拍阶段折叠翅膀以减少阻力，并在下拍阶段充分伸展、向前扫动以产生足够升力。这种被称为“非对称悬停”的运动模式，尤其在雀形目鸟类和一些中小型蝙蝠中较为常见，其划动平面明显前倾，与昆虫或蜂鸟近乎水平的对称扑动方式存在显著差异。
目前，大多数仿生扑翼飞行机器人的设计仍主要基于昆虫或蜂鸟的对称悬停模式，难以有效模仿鸟类在低速状态下的机动特性。尽管已有一些无人机通过引入后掠翼或可折叠机翼来提升巡航或滑翔性能，但在低速飞行尤其是自主起飞方面，仍面临运动学实现与驱动设计的双重挑战。现有鸟类仿生机器人往往需要借助跳跃或弹射等辅助方式实现起飞，且多依赖单自由度翼拍机制，无法复现生物翅膀的多自由度协调运动。
▍受鸟类低速飞行机制启发，提出RoboFalcon2.0
面对上述难题，来自西北工业大学航空学院的研究团队，受飞行脊椎动物在慢速飞行和非常规悬停状态下的翅膀拍动模式启发，在前期开发的巡航飞行机器人RoboFalcon基础上，提出新一代机器人RoboFalcon2.0。
该机器人采用一套可重构驱动机构，能够实现扑动-后掠-折叠（FSF）三者耦合的翼运动，较好地模拟鸟类在低速飞行中的翅膀动作。通过风洞测试与流体力学仿真，团队系统分析了该运动模式在升力、推力和俯仰力矩方面的表现，并进一步通过动力学仿真和实际飞行实验，验证了机器人在起飞和低速前飞过程中的可控性与稳定性。
实验结果表明，RoboFalcon2.0能够在不借助外部辅助的情况下实现自主起飞，并在低空速条件下保持稳定飞行。其仿生翼运动在产生升力的同时还能提供抬头力矩，有助于实现俯仰配平，展现出良好的飞行控制潜力。这一成果表明，基于鸟类低速飞行策略的机器人翼设计，有望为扑翼飞行器在起降、悬停和低速机动等关键场景中的性能提升提供新的技术路径。
近日，该研究成果的相关论文已以“Flapping-wing robot achieves bird-style self-takeoff by adopting reconfigurable mechanisms”为题发表在《Science Advances》杂志上。
▍RoboFalcon2.0的设计与实现
据机器人大讲堂了解，RoboFalcon2.0平台以中型鸟类如游隼为仿生对象，翼展1.2米，总重约800克，翼载荷为3.64千克/平方米，最高扑动频率可达7.5赫兹，扑动幅度为85度。
RoboFalcon2.0采用蝙蝠翼式的多连杆机翼结构，由肱骨、桡骨和腕骨三段骨架及聚酯纤维蒙皮组成，能够在飞行中实现沿展向的折叠变形，以调整翼面形状与面积。机体主体由碳纤维复合材料构成，为整个驱动与传动系统提供结构支撑。动力来自无刷直流电机，经两级齿轮减速器传递至翼根的锥形摇杆机构（CRM），驱动翅膀实现基本扑动。
该平台的核心创新在于集成了两套解耦机构——折叠分离器与后掠分离器，二者协同CRM工作，将单一的旋转输入分解为扑动、折叠与后掠三个自由度的复合运动，从而实现飞行脊椎动物在低速状态下所采用的扑动-后掠-折叠（FSF）翼运动模式。
折叠分离器通过多连杆系统将CRM的转动转换为机翼周期性折叠动作，并允许通过独立伺服电机限制机翼最大展开范围，实现在上行阶段进行翼面内收、下行阶段根据控制需求保持展开或局部折叠。其运动相位较扑动滞后约90度。
后掠分离器则借助球铰连杆和曲轴机构，将扑动转化为机翼前后方向的扫掠运动，扫掠幅度可由伺服电机连续调节，范围在5至25度之间。该运动与扑动同步且相位差约为180度，使得翼在最高点时后掠最大，最低点时前扫最大。
通过CRM与两套分离机构的配合，RoboFalcon2.0能够在全翼展扑动过程中独立调节折叠与后掠幅度，实现倾斜角可变的扑动平面，模拟鸟类在起飞与低速飞行中的典型翼运动模式。
▍风洞实验与计算流体力学分析
通过风洞实验与计算流体力学（CFD）方法，研究团队对RoboFalcon2.0扑翼机器人在不同飞行状态下的气动特性进行了系统分析，重点考察了机翼后掠幅度变化对升力、推力和俯仰力矩的影响。
实验在三种典型飞行状态下展开，包括零空速大仰角起飞姿态、中等空速与低速前飞状态。团队测量了最小、中等和最大三种后掠幅度下的气动参数，并借助CFD模拟揭示了流场结构与压力分布的变化机制。
风洞实验结果表明，增大后掠幅度在较高扑动频率下有助于提升升力，尤其在低速起飞状态下效果更为明显。推力量值受后掠调整的影响较小，而俯仰力矩则随之后掠增加呈现显著上升，从低速时跨越正负区间逐渐转为持续正值，显示出在起飞阶段进行俯仰控制的潜力。
CFD模拟显示，后掠运动增强了前缘涡的强度，尤其在低空速条件下，低压区扩大从而提高了气动载荷。同时，后掠使压力中心前移，延长了气动力矩臂，两者共同作用导致俯仰力矩增大。这一发现在低速起飞中具有重要意义，因传统控制面在此时效率较低，而后掠调节为俯仰控制提供了新途径。
基于实验与模拟数据，团队在MuJoCo动力学环境中对起飞过程进行了仿真。机器人能够通过调节后掠幅度实现从地面起飞并初步稳定飞行，但在速度提升后出现俯仰发散，表明纯翼面调节在高速条件下存在局限，需结合尾翼或其他控制面实现全状态稳定。此外，团队还在不同缩比模型上进行了低速飞行仿真，发现在更大尺寸平台上该控制策略可在更高空速下生效，而缩小模型则容易出现俯仰振荡，说明平台尺度对控制效果具有明显影响。
以上结果综合表明，可重构后掠机构为扑翼机器人的低速飞行与起飞控制提供了有效手段，但其应用效果受到飞行速度与平台尺寸的共同制约。
▍实飞实验与飞行控制能力验证
通过实际飞行测试，研究团队对RoboFalcon2.0扑翼机器人的起飞与飞行控制能力进行了验证。测试在室内环境进行，机器人通过系留绳固定于高处，可在近似球形的空间内实现自由起降，以保障飞行安全。机器人以45度仰角立于地面模拟鸟类起飞姿态，搭载基于STM32 F765的飞行控制器，实时采集姿态、空速、功耗及扑翼频率等数据。
实验包含两种重心配置下的多次起飞测试。在默认重心设置中，机器人能够成功离地并完成初期加速，飞行轨迹呈S形，俯仰控制可在速度低于3米/秒时有效维持。但随着空速提升，姿态逐渐发散，显示纯翼面调节在较高速度下存在局限。该状态下最大扑翼频率约7赫兹，瞬时功耗达到400瓦。
为进一步改善高速飞行稳定性，团队将重心前移进行调整。在这一配置下，机器人起飞后能更快进入前飞加速状态，未出现明显俯仰失稳，空速最高达到6米/秒，实现了更接近鸟类的连续起飞动作，功耗与扑翼频率与默认状态相近。
实验结果显示，基于FSF（扑动-后掠-折叠）翼运动的设计在低速条件下可提供有效的升力及俯仰操控能力，使机器人能够实现受控离地及初期飞行，但在高速状态下仍需借助气动面或其他方式进行配平。从能量角度分析，米级扑翼机器人的起飞过程功耗较高，与现存其他扑翼机器人及自然飞行动物相比尚不具备显著能效优势，但其成功实现稳定起飞对拓展该类机器人的任务范围与实用价值具有积极意义。
总的来说，在系留飞行测试中，RoboFalcon2.0表现出可靠的自主起飞与低速控制能力，验证了其仿生翼运动设计的有效性，为扑翼机器人在起降阶段的操作策略提供了实践依据。
参考文章：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx0465#
来源：机器人大讲堂