《輕質壓電/離子聚合物混合驅動的仿生撲翼飛行器研究》是依託南京航空航天大學，由吉愛紅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：輕質壓電/離子聚合物混合驅動的仿生撲翼飛行器研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：吉愛紅
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
傳統的驅動器（如電機驅動）不能完全滿足微型仿生撲翼飛行器的高靈活性、高冗餘度和高負載/體重比的要求。本項目以研製微型仿生撲翼飛行器的飛行翼撲翼與姿態調整驅動器為目標，研究LPC（Lightweight Piezo-Composite輕質壓電複合材料）和IPMC（Ionic Polymer Metallic Composite離子聚合物金屬複合材料）製備工藝與性能最佳化技術，設計微型撲翼飛行器撲翼機構與驅動裝置，研究用LPC驅動飛行翼撲翼運動；將IPMC嵌入飛行翼，主動調整飛行翼的撲翼姿態，實現LPC和IPMC混合驅動仿生撲翼飛行器。該項目的研究屬於微型仿生撲翼機器人的核心技術。
結題摘要
項目開展了LPC（輕質壓電複合材料）和IPMC（離子聚合物金屬複合材料）的建模與製備技術研究。為研究IPMC的輸出性能，研製了IPMC材料性能測試平台。研製了IPMC控制系統，用於IPMC的驅動控制。以兩種不同振翅方式（間接振動和直接振動）的四種昆蟲（蜻蜓、獨角仙、竹象蟲和黃蜂）作為研究對象，通過生物解剖實驗觀察與飛行相關的肌肉對翅膀撲翼的驅動控制。蜻蜓撲翼形式為直接振翅，其他三種昆蟲為間接振翅；蜻蜓控制振翅的肌肉主要以背腹肌為主，間接振翅的昆蟲以背腹肌與背縱肌為主。昆蟲飛行運動學與動力學測試系統用於測試昆蟲飛行時的升力、推力，並同步記錄其飛行姿態。結合高速攝像系統的觸發方式，最終實現了高速攝像系統與力學測試系統的同步採集。竹象蟲飛行時的振翅頻率為64±3Hz，升力、推力隨時間呈現明顯的周期性變化，升力在每個周期內都會出現兩次波峰；升力大小與振翅頻率無顯著關係；竹象蟲兩側翅尖相對於身體的運動軌跡基本上形成一個閉合的“8”字形。比較三種不同目的昆蟲飛行翅撲翼運動軌跡，分析翅膀在撲翼過程中的變形，以確定仿昆蟲撲翼飛行器設計的仿生對象。蜻蜓的撲翼頻率為22±3HZ，獨角仙的撲翼頻率為30±5HZ，鳴鳴蟬的撲翼頻率為39±6HZ；蜻蜓撲翼軌跡為“8”字形，獨角仙撲翼軌跡為類“8”字形，鳴鳴蟬撲翼軌跡為橢圓形；分析了翅膀在撲翼過程中的變形，發現了在下撲和仰旋階段翅膀形狀近似為傘狀，這種傘狀效應能有效提高升力。開展仿蟬前翅翼的有限元建模，進行結構靜態力學分析。使用環氧/碳纖維預浸料作為翅脈以及聚醯亞胺薄膜作為翅膜進行高溫固化，製作仿昆蟲柔性翼。用金屬離子聚合物（IPMC）嵌入仿昆蟲柔性翼中，作為柔性翼在撲翼過程中主動變形的驅動器，IPMC材料的尺寸由製作的柔性翼決定。模擬竹象蟲的振翅方式，設計了四連桿仿撲翼裝置IBSS-MAV-I。在進一步研究的基礎上，採用雙曲柄雙搖桿結構進行撲翼機構的改進設計，製作了仿昆蟲撲翼裝置IBSS-MAV-II。
