图7 约翰•霍普金斯大学机械抓扣机构［12］

Fig.7 Mechanical grasping mechanism of Johns Hopkins University［12］

图8 耶鲁大学的模块化起落架机构［13］

Fig.8 Modularized landing gears mechanism of Yale University ［13］

图9 科罗拉多州立大学机械抓扣机构［14］

Fig.9 Mechanical grasping mechanism of Colorado State University［14］

图10 科罗拉多州立大学新型新稳态机械抓扣机构［15］

Fig.10 A new steady state mechanical grasping mechanism of Colorado State University［15］

悉尼大学Yu 等［16］提出一种具有2 个自由度的柔性机械抓取机构，可模仿鸟类的抓取和栖息，结构如图11 所示［16］。抓取机构的对称构形使得在抓取和栖息过程中，重心移动较小、对平台角动量的扰动较小，试验结果表明该机械抓取机构具有栖息和抓取能力。犹他大学Kitchen 等［17］研究了一种双钩固定装置，该装置通过2 个欠驱动钳口机械爪抓取并栖息到电力电缆，将电缆与充电线圈对齐，从电缆的电磁场中获取能量，结构如图12 所示［17］。阿卜杜勒•拉赫曼•新月会科学技术研究所Magesh 等［18］提出了一种基于形状记忆聚合物的伸缩式起落架用于无人机的栖息，并对栖息性能进行了测试，结果表明使用拉伸式卡爪可达到的最小拉力与普通卡爪相差了27.6%。这种新颖设计确保了曲率的最大期望变形，与普通夹持器相比差异为35.8%，结构如图13 所示［18］。

图11 悉尼大学的柔性机械抓取机构［16］

Fig.11 Compliant mechanical grasping mechanism of University of Sydney［16］

图12 犹他大学机械抓扣机构［17］

Fig.12 Mechanical grasping mechanism of University of Utah［17］

图13 阿卜杜勒•拉赫曼•新月会科学技术研究所机械抓取机构［18］

Fig.13 Mechanical grasping mechanism of Abdur Rahman Crescent Institute of Science and Technology［18］

洛桑联邦理工学院智能系统试验室Kovač等［19］提出了一种固定翼无人机栖息机构，该机构可使无人机栖息在天然和人造材料的墙壁上，并在各种基材上进行了110 次连续栖息，成功率100%，机构如图14 所示［19］。洛桑联邦理工学院工程学院Stewart 等［20］提出了一种用于固定翼无人机被动栖息的储能机构，包含能量回收的存储机构和用于栖息在水平杆上的爪子。试验验证了爪子在栖息期间重新获得5%的动能，同时表明该装置可在较宽的偏航角度范围内成功停靠，并实现了以7.4 m/s 的速度进行栖息，结构如图15 所示［20］。耶鲁大学工程与应用科学学院Backus 等［21］提出了一种可用于直升机的机械抓取机构，研究了设计和抓取参数如肌腱路线/滑轮比率等对完全驱动和欠驱动设计性能的影响。结果表明完全驱动设计对栖息应用效果更好，增加机构的宽度可改善栖息和抓取性能，结构如图16 所示［21］。

图14 洛桑联邦理工学院智能系统试验室栖息机构［19］

Fig.14 Perching mechanism of Laboratory of Intelligent Systems，Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne［19］

图15 洛桑联邦理工学院工程学院机械抓扣机构［20］

Fig.15 Mechanical grasping mechanism of School of Engineering， École Polytechnique Fédérale de Lausanne［20］

图16 耶鲁大学工程与应用科学学院机械抓扣机构［21］

Fig.16 Mechanical grasping mechanism of School of Engineering and Applied Science，Yale University［21］

2. 2 仿生机械抓扣式栖息机构

随着仿生学的发展，衍生出了仿生机械抓扣式栖息。人们通过观察鸟类的栖息，学习鸟类在各种复杂物体表面上的栖息活动，进行仿生机械设计。曼彻斯特大学Nagendran 等［22］首次提出了一种基于生物灵感的腿部着陆系统概念，利用机械杆件和弹簧阻尼器实现对鸟腿的仿生设计，进而实现无人机栖息着陆的功能，如图17 所示［22］。南洋理工大学机械与航空工程学院的Chi等［23］更系统地从鸟类栖息中获得灵感，进一步提出一种仿生自适应栖息机构的设计，结构如图18所示［23］，并将无人机的栖息序列概括为3 个阶段，预栖、栖息和去栖息，结果表明该栖息机构适用于大范围的栖息角度和直径目标。犹他大学的Doyle 等［24］提出了一种可被动栖息的仿生机械结构，如图19 所示［24］，整个机构由欠驱动的抓取脚和折叠的腿组成，借助无人机的重量转化为肌腱张力进而驱动脚来完成无人机栖息，结果表明无人机可被动地在多种表面栖息。新墨西哥州立大学的Xie 等［25］提出了一种由绳索驱动的腿部机构和绳索驱动的欠驱动的脚部组成的仿生机械抓取机构，如图20 所示［25］，并建立了脚趾执行力与各指骨接触力之间的关系模型，结果表明该设计对无人机仿生栖息技术具有基础性的贡献。

图17 曼彻斯特大学仿生机械腿［22］

Fig.17 Bird-inspired perching landing gear of University of Manchester［22］

图18 南洋理工大学机械与航空工程学院仿生机械爪 ［23］

Fig.18 Bio-inspired adaptive perching mechanism of School of Mechanical and Aerospace Engineering，Nanyang Technological University［23］

图19 犹他大学仿生机械抓扣机构［24］

Fig.19 Mechanical grasping mechanism of University of Utah［24］

图20 新墨西哥州立大学仿生机械抓扣机构［25］

Fig.20 Bio-inspired perching mechanism of New Mexico State University［25］

奥林工程学院Nadan 等［26-27］开发了一种混合经验-计算模型，并设计了欠驱动多节段脚机构，该机构既能使无人机抓取并栖息在树枝状物体上，同时该模型又能预测并量化抓取所施加的力，试验结果表明无人机可栖息在一系列目标物体上，结构如图21 所示［26-27］。奥克兰大学机械工程系新灵巧研究小组McLaren 等［28］提出了一种可被动关闭、自适应的机械手，结构如图22 所示［28］，该机械手最大抓持力56 N，能高速固定各种形状的物体，试验表明可以给无人机提供栖息能力并进行自主对接。重庆大学机械传动国家重点试验室Bai 等［29］借鉴鸟脚结构和运动规律，提出了一种适应性和承载能力强的变形无人机栖息机构，结构如图23 所示［29］，试验结果表明该结构能可靠地栖息在各种物体上，且无人机栖息能耗为悬停时的0.015 倍。斯坦福大学机械工程系Roderick 等［30］提出了一种仿生鸟腿的机构设计，能使无人机动态栖息在复杂的表面上并抓取不规则物体，结构如图24 所示［30］，结果表明该抓握机构能在不到50 ms 内环绕不规则的物体并栖息。

图21 奥林工程学院仿生机械腿［26-27］

Fig.21 Bird-inspired perching landing gear of Olin College of Engineering［26-27］

图22 奥克兰大学新灵巧研究小组仿生机械爪［28］

Fig.22 Bio-inspired adaptive perching mechanism of New Dexterity Research Group， University of Auckland［28］

图23 重庆大学机械传动国家重点试验室仿生机械抓扣机构［29］

Fig.23 Bird-inspired mechanical grasping mechanism of State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University［29］

图24 斯坦福大学机械工程系机械抓扣机构［30］

Fig.24 Mechanical grasping mechanism of Department of Mechanical Engineering，Stanford University［30］

2. 3 仿生针刺、微棘式栖息机构

仿生针刺、微棘式栖息是模仿生物的刚毛钩刺进目标栖息物粗糙表面，进而使无人机完成栖息。斯坦福大学机械工程系Roderick 等［31］对在高度不规则表面上栖息、移动和起飞的不同生物方案进行研究，提高了对表面接近和起飞空气动力学、栖息和附着接触动力学及表面运动理论分析。通过对动物俯仰着陆动作和表面附着技术的深入研究，为开发栖息在多样化和复杂表面的无人机提供设计指南。西北工业大学无人系统研究院昌敏等［32］概括了垂面栖息微型无人机的方案特点，并结合针刺式、微棘式这2 类典型垂面栖息方式阐释了不同栖息原理的着壁、栖息与复飞过程，为后续开展垂面栖息无人机的研究提供借鉴。南京航空航天大学机电学院倪勇等［33］提出适合各种复杂环境可扑翼飞行和爬行栖息的两栖机器人研究构想，为仿生两栖机器人的微型化和轻量化指出了发展方向。