猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构的制作方法

本发明属于仿生结构技术领域，具体涉及猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构。

背景技术：

鸟类翅膀负责产生飞行所需的几乎所有空气动力。猛禽翅膀由羽毛组成，可以折叠或展开以调节空气动力。羽毛的进化是为了平衡空气动力性能和机械完整性的要求，同时执行生态和行为功能。翅膀不对称的形状、长而灵活的后缘和坚硬的前缘，有助于初级飞羽承受迎面而来的空气阻力。近期以来，研究人员将注意力集中在羽毛的微观结构上。例如，利用机载和高速视频，研究了草原鹰在栖息过程中翅膀形状的恢复，包括气动弹性羽毛偏转的作用；不同种类的羽毛都有各自的特点，对海鸥、秋沙鸭、水鸭和猫头鹰的翅膀羽毛和翅膀的几何形状进行了研究。

飞羽（初级飞羽、次级飞羽以及覆羽）和鸟翼的连接以及相互之间的连接，依靠一些小韧带组织和肌肉组织。这些组织已被证实是通过协调收缩来发挥作用的，并且作用在羽毛上来辅助翅膀进行弯曲和伸展动作。此项研究逐渐受到关注，从羽毛附着位置以及尺骨上着生羽根的羽乳头开始，人们逐渐开展工作。后来的工作深入了解了飞羽与翅膀间主要肌肉的连接机制，以及大多数韧带中存在的弹性组织。

目前，对鸟翼上下表面羽毛的阵列方式研究甚少，本发明对此进行研究，并以此为仿生原型，优化仿生飞行器的性能。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，该结构以鸟翼上下表面羽毛的阵列方式为仿生原型，该结构营运在仿生飞行器上，能够降低仿生飞行器的飞行阻力，提高飞行效率。

本发明提供如下技术方案：猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于：包括背侧仿生羽毛阵列及腹侧仿生羽毛阵列,所述背侧仿生羽毛阵列及腹侧仿生羽毛阵列组合形成仿生羽毛，所述背侧仿生羽毛阵列包括背侧前端阵列、背侧腕骨阵列、背侧第一指骨阵列及背侧掌骨近端阵列，所述腹侧仿生羽毛阵列包括腹侧前端阵列、腹侧腕骨阵列、腹侧第一指骨阵列及腹侧掌骨近端阵列；

所述仿生羽毛设置在仿生机翼上，所述仿生机翼包括机翼肱骨、机翼桡骨、机翼尺骨、机翼腕骨、机翼掌骨及机翼第一指骨，所述仿生肌腱设置在机翼肱骨近端与机翼掌骨近端之间，所述仿生机翼上覆盖有仿生肌肉，所述仿生羽毛附着在仿生肌肉的表皮上。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述背侧前端阵列包括若干根安装在机翼背侧下边缘的次级仿生飞羽，若干根所述次级仿生飞羽沿着机翼背侧远端向机翼背侧近端依次排列，且次级仿生飞羽的尺寸逐渐变小，所述次级仿生飞羽的羽轴朝下设置，所述次级仿生飞羽羽根的基部位于机翼表面，且被仿生肌肉覆盖包裹，每根所述次级仿生飞羽的根部周围均附着有背侧仿生大覆羽、背侧仿生中覆羽、背侧仿生小覆羽，若干根所述次级仿生飞羽的根部与仿生肌腱之间的表皮上均布有若干根背侧仿生小覆羽，所述背侧仿生小覆羽向下并偏向机翼背侧远端方向设置,所述机翼背侧最上端边缘处设有若干根背侧仿生边缘小覆羽，若干根所述背侧仿生边缘小覆羽紧密排布，统一朝向机翼背侧远端方向，所述机翼背侧肘关节处的表皮上设有裸区一，该机翼背侧肘关节指的是仿生机翼的肱骨和尺骨、桡骨的交汇处。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于每根所述次级仿生飞羽及对应设置在其根部周围的背侧仿生大覆羽、背侧仿生中覆羽、背侧仿生小覆羽组合形成一个单元，所述背侧仿生大覆羽的羽根基部位于次级仿生飞羽羽根基部一侧的上方，并被仿生肌肉包裹，所述背侧仿生大覆羽羽毛的羽轴朝下设置，所述背侧仿生中覆羽位于次级仿生飞羽羽根基部的另一侧，所述背侧仿生中覆羽羽根的轴线与背侧仿生大覆羽羽根的轴线相平行。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述背侧掌骨近端阵列包括设置在机翼背侧掌骨下边缘的一排仿生初级飞羽，每根所述仿生初级飞羽羽根的基部一侧附着有一根背侧仿生掌骨大覆羽，另一侧附着有一根背侧仿生掌骨中覆羽，仿生初级飞羽羽根基部的上部附着有背侧仿生掌骨小覆羽,所述机翼背侧掌骨近端上边缘和第一指骨下边缘之间的衔接处设有裸区二，所述机翼背侧掌骨关节处的表皮上设有裸区三；

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述背侧腕骨阵列包括附着在机翼背侧腕骨上的仿生腕骨飞羽及沿着机翼背侧腕骨处从下往上依次安装的背侧仿生腕骨大覆羽、仿生腕骨中覆羽、背侧仿生腕骨小覆羽和背侧仿生边缘小覆羽，所述仿生腕骨飞羽羽轴轴径、羽轴长度均小于次级仿生飞羽，所述背侧仿生腕骨大覆羽、仿生腕骨中覆羽、背侧仿生腕骨小覆羽和背侧仿生边缘小覆羽羽毛均朝向机翼背侧的远端；背侧第一指骨阵列包括若干根附着在机翼背侧第一指骨上的背侧仿生指骨覆羽、仿生小翼羽，所述仿生小翼羽沿着机翼背侧第一指骨的下边缘设置，所述机翼背侧第一指骨的上边缘附着有若干根背侧仿生边缘小覆羽。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述腹侧前端阵列包括若干根安装在机翼腹侧下边缘的次级仿生飞羽，若干根所述次级仿生飞羽沿着机翼腹侧远端向机翼近端依次排列，且次级仿生飞羽的尺寸逐渐变小，所述次级仿生飞羽的羽轴朝下设置，所述次级仿生飞羽羽根的基部位于机翼腹侧表面，且被仿生肌肉覆盖包裹，每根次级仿生飞羽的根部周围均附着有腹侧仿生大覆羽、腹侧仿生中覆羽、腹侧仿生小覆羽，所述腹侧仿生小覆羽向下并偏向机翼远端方向设置，所述次级仿生飞羽羽根基部至机翼腹侧上端之间从下到上依次设有第一区域、第二区域、第三区域及第四区域，所述第一区域内、第三区域内均安装有若干根腹侧仿生小覆羽，所述第一区域内腹侧仿生小覆羽排布的密集度大于第三区域内腹侧仿生小覆羽排布的密集度，所述第四区域内安装有腹侧仿生边缘小覆羽，所述腹侧仿生边缘小覆羽朝向机翼腹侧远端方向设置，所述第一区域与腹侧仿生中覆羽相邻设置，所述第二区域为裸露的仿生肌肉，机翼腹侧肘关节处设有与第二区域相连接的裸区四，该机翼腹侧肘关节与机翼背侧肘关节为同一位置。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述次级仿生飞羽、腹侧仿生大覆羽、腹侧仿生中覆羽、腹侧仿生小覆羽组合形成一个单元，所述次级仿生飞羽羽毛的羽轴与腹侧仿生大覆羽羽毛的羽轴朝向相同，所述腹侧仿生中覆羽与次级仿生飞羽之间倾斜设置，所述腹侧仿生中覆羽羽毛的羽轴偏向机翼腹侧远端方向，所述腹侧仿生大覆羽、腹侧仿生中覆羽羽毛羽轴的直径及长度均小于背侧仿生大覆羽、背侧仿生中覆羽羽毛羽轴的直径及长度。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述腹侧腕骨阵列包括安装在机翼腹侧腕骨上的腹侧仿生腕骨小覆羽，所述腹侧仿生腕骨小覆羽为腹侧仿生小覆羽的延续，所述腹侧仿生腕骨小覆羽羽毛的羽轴朝向向下并偏向机翼腹侧远端方向设置，所述机翼腹侧腕骨下边缘安装有腹侧仿生腕骨大覆羽，所述腹侧第一指骨阵列包括安装在机翼腹侧第一指骨上边缘的腹侧仿生边缘小覆羽，所述机翼腹侧第一指骨上设有两块裸区五，所述机翼腹侧第一指骨的下边缘安装有腹侧仿生指骨覆羽。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述腹侧掌骨近端阵列包括若干根仿生初级飞羽，每根所述仿生初级飞羽羽毛羽根的周围安装有一根初级仿生大覆羽和一根初级仿生中覆羽，所述第二部分中的裸区在机翼掌骨位置处分成两束裸区六，两束裸区六之间安装有腹侧仿生掌骨小覆羽，所述机翼腹侧掌骨的上边缘安装有腹侧仿生边缘小覆羽，所述腹侧仿生边缘小覆羽、初级仿生大覆羽、初级仿生中覆羽及腹侧仿生掌骨小覆羽均朝向机翼腹侧远端方向设置。

所述的猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，其特征在于所述背侧仿生羽毛阵列及腹侧仿生羽毛阵列中的仿生次级羽毛通过旋转连接件固定在仿生机翼上，其余的羽毛均通过螺栓直接固定在仿生机翼上，所述旋转连接件包括第一连接管及第二连接管，所述第一连接管与第二连接管结构相同，相对设置，所述第一连接管之间第二连接管之间共同包覆有连接块，所述第一连接管与连接块之间、第二连接管与连接块之间分别通过柱状固定件一、柱状固定件二相连接，所述第一连接管通过螺栓一与对应的羽毛相固定，所述第二连接管通过螺栓二固定安装在仿生机翼上。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过以猛禽前臂中前臂、腕骨、第一指骨、掌骨部位的次级飞羽和覆羽的附着阵列为仿生原型，设计出适合仿生机翼使用的仿生羽毛阵列。仿生机翼翼区后缘分布着强大坚韧的仿生初级飞羽和仿生次级飞羽，飞行时依靠仿生初级飞羽鼓风前进，是飞行的主要动力来源，仿生次级飞羽具有调节仿生机翼升降的作用；仿生机翼翼区背侧及腹侧的前缘均依次分布着对应的仿生小覆羽、仿生中覆羽、仿生大覆羽，这些仿生覆羽整体呈覆瓦状将仿生飞羽基部掩盖，同其他部位的仿生覆羽一起，使机翼表面成为流线型，大大减小了飞行时的空气阻力；同时，仿生羽毛的覆盖也保护了机翼表面的仿生肌肉不受损伤。

附图说明

图1为仿生机翼的骨架结构示意图；

图2为仿生机翼背侧的仿生羽毛阵列布局图；

图3为本发明仿生机翼背侧次级仿生飞羽根部的仿生羽毛组合示意图；

图4为本发明旋转连接件的结构示意图；

图5为仿生机翼腹侧的仿生羽毛阵列布局图；

图6为本发明仿生机翼腹侧次级仿生飞羽根部的仿生羽毛组合示意图。

图中：附图标记1-18表示仿生次级羽毛；附图标记ⅰ-ⅱ表示仿生初级飞羽；19、背侧仿生大覆羽；20、背侧仿生中覆羽；21、背侧仿生小覆羽；22、背侧仿生边缘小覆羽；23、裸区一；24、仿生腕骨飞羽；25、背侧仿生腕骨大覆羽；26、仿生腕骨中覆羽；27、背侧仿生腕骨小覆羽；28、背侧仿生指骨覆羽；29、裸区二；30、裸区三；31、背侧仿生掌骨大覆羽；32、背侧仿生掌骨中覆羽；33、背侧仿生掌骨小覆羽；34、仿生小翼羽；37、旋转连接件；38、第一连接管；39、第二连接管；40、连接块；41、柱状固定件一；42、柱状固定件二；43、螺栓一；44、螺栓二；45、腹侧仿生大覆羽；46、腹侧仿生中覆羽；47、腹侧仿生小覆羽；48、裸区四；49、腹侧仿生边缘小覆羽；50、腹侧仿生腕骨小覆羽；51、腹侧仿生腕骨大覆羽；52、裸区五；53、腹侧仿生指骨覆羽；54、初级仿生大覆羽；55、初级仿生中覆羽；56、裸区六；57、腹侧仿生掌骨小覆羽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

请参阅图1-6，猛禽前臂区羽毛分布的仿生阵列结构，包括背侧仿生羽毛阵列及腹侧仿生羽毛阵列,背侧仿生羽毛阵列及腹侧仿生羽毛阵列组合形成仿生羽毛。

仿生机翼包括机翼肱骨、机翼桡骨、机翼尺骨、机翼腕骨、机翼掌骨及机翼第一指骨，仿生肌腱设置在机翼肱骨近端与机翼掌骨近端之间，仿生肌腱及机翼上覆盖一层仿生肌肉组织，仿生羽毛安装在仿生肌肉上，合理安排所有仿生羽毛的阵列方式，通过仿生肌肉的伸缩带动仿生羽毛运动。

背侧仿生羽毛阵列包括背侧前端阵列、背侧腕骨阵列、背侧第一指骨阵列及背侧掌骨近端阵列。

1）、背侧前端阵列布局

如图2所示为机翼背侧仿生羽毛阵列布局。以从下往上的顺序看，机翼的下边缘安装着一排仿生次级飞羽的羽根1-18，仿生次级飞羽1处于机翼最远端，其他羽根沿着机翼向近端依次排列并且逐渐变小，仿生次级飞羽18处于机翼最近端。羽根1-18的基部位于机翼表面，且被仿生肌肉覆盖包裹着，其附着仿生羽毛羽轴部位朝下。每一根仿生次级飞羽1-18的羽根基周围都附着着背侧仿生大覆羽19、背侧仿生中覆羽20、背侧仿生小覆羽21。在附着背侧仿生中覆羽20的部位往上直到仿生肌腱附近的所有表皮部分，背侧仿生小覆羽21成片的均匀分布着，这些背侧仿生小覆羽21都朝下并略微偏向机翼远端方向。最后，在最上端仿生肌腱附近着生着背侧仿生边缘小覆羽22，这些背侧仿生边缘小覆羽22位于机翼上边缘，并且排布紧密，统一朝向机翼远端方向。

此外，覆盖在机翼肘关节处的仿生肌肉23部分不安装仿生羽毛，因为该关节为了能够灵活转动，不宜安装仿生羽毛。

2）、一组仿生羽毛的组合方式:

将仿生次级飞羽1及其周围的一根背侧仿生大覆羽19、背侧仿生中覆羽20、背侧仿生小覆羽21作为一个单元，如图3所示为四者的组合图，在仿生次级飞羽1的一侧附着着背侧仿生大覆羽19，大覆羽的羽根基部点1在次级飞羽羽根基部点2的一边略偏上，并且被仿生肌肉包裹着，其着生羽毛的羽轴部分同样朝下。图中两条虚线是背侧仿生大覆羽19和仿生次级飞羽1的轴线延长线，其夹角为α，仿生大覆羽轴线略微偏向机翼远端方向。在次级飞羽羽根基部点2另一边，与背侧仿生大覆羽19相对的位置上附着着背侧仿生中覆羽20，背侧仿生中覆羽20的羽根轴线几乎与大覆羽平行。

并且背侧仿生大覆羽19的羽轴轴径明显比仿生次级飞羽1更小，羽轴长度也更短，背侧仿生中覆羽20的羽轴轴径比背侧仿生大覆羽19更小，羽轴长度也更短，以此类推，背侧仿生小覆羽21的羽轴轴径最小，羽轴最短，同时仿生小覆羽的数量最多。

3）、背侧腕骨阵列:

腕骨作为机翼骨架的中间衔接部位，附着着仿生腕骨飞羽24，如图2所示，其羽轴轴径比仿生次级飞羽1更小，羽轴长度更短，朝向和仿生次级飞羽1基本一致。沿着机翼腕骨从下往上在仿生肌肉上依次安装着背侧仿生腕骨大覆羽25、仿生腕骨中覆羽26、背侧仿生腕骨小覆羽27和背侧仿生边缘小覆羽22。覆羽都大致朝向机翼远端方向。

4）、背侧第一指骨阵列:

如图2所示，在机翼第一指骨的上边缘同样附着着背侧仿生边缘小覆羽22。机翼第一指骨体积相对较小，其的表面附着着少数几根背侧仿生指骨覆羽28，沿着其下边缘附着着仿生小翼羽34。

5）、背侧掌骨近端阵列:

如图2所示，仿生肌肉连接机翼掌骨近端上边缘和第一指骨下边缘，其衔接处有一块裸区二29，其上不安装仿生羽毛。机翼掌骨上边缘布满了密集的背侧仿生边缘小覆羽22。机翼掌骨上同样有一块不安装仿生羽毛的裸区三30。在机翼掌骨下边缘，安装一排仿生初级飞羽羽根，图中只表示出两根仿生初级飞羽ⅰ、ⅱ，仿生初级飞羽ⅰ羽根的基部一侧附着着一根背侧仿生掌骨大覆羽31，另一侧附着着一根背侧仿生掌骨中覆羽32，上部附着着背侧仿生掌骨小覆羽33。

以上1）、2）、3）、4）中的覆羽皆为次级覆羽，5）中所述覆羽为初级覆羽。

腹侧仿生羽毛阵列包括腹侧前端阵列、腹侧腕骨阵列、腹侧第一指骨阵列及腹侧掌骨近端阵列。

6）、腹侧前端仿生羽毛总体阵列布局：

如图4所示为机翼腹侧仿生羽毛阵列布局，图中的仿生次级飞羽1-18、仿生初级飞羽ⅰ-ⅱ、仿生小翼羽34，同为图2中所示仿生羽毛。与背侧相同，每一根仿生次级飞羽1-18的羽根基周围都附着着腹侧仿生大覆羽45、腹侧仿生中覆羽46、腹侧仿生小覆羽47。按照从下往上的顺序，依次分为四个部分，第一部分和安装仿生中覆羽的部位相邻，安装着较为密集的腹侧仿生小覆羽47，其朝向为向下略偏机翼近端方向；第二部分为裸区，不安装任何仿生羽毛；第三部分着生着较为稀疏的腹侧仿生小覆羽47，其朝向为向下略偏机翼远端方向；第四部分为机翼上边缘，安装着非常密集的腹侧仿生边缘小覆羽49，其朝向为机翼远端方向。其中第二部分与裸区四48相连。

由此可见，机翼腹侧比背侧的仿生羽毛更为稀疏，背侧仿生羽毛在仿生飞行器飞行中发挥的作用更大。

7）、一组仿生羽毛的组合方式:

如图5所示为次级仿生飞羽、腹侧仿生大覆羽45、腹侧仿生中覆羽46、腹侧仿生小覆羽47为一个单元的组合图，组合方式和背侧不同。图中两条平行的虚线为仿生次级飞羽和腹侧仿生大覆羽45的轴线延长线，即两者朝向相同，腹侧仿生中覆羽46与仿生次级飞羽的轴线夹角为β，腹侧仿生中覆羽46略偏向机翼远端方向。并且腹侧仿生大覆羽45、腹侧仿生中覆羽46的羽轴轴径明显小于背侧仿生大覆羽19、背侧仿生中覆羽20，其羽轴长度也明显较短。

8）、腹侧腕骨阵列:

如图4所示，机翼腕骨上只附着着少部分的腹侧仿生腕骨小覆羽50，为机翼腹侧仿生羽毛阵列布局中所述腹侧仿生小覆羽47的延续，其朝向为向下略偏翅膀远端方向。此外偏向机翼腕骨下边缘的部位附着着腹侧仿生腕骨大覆羽51。

9）、腹侧第一指骨阵列:

如图4所示，机翼第一指骨的上边缘安装着密集的腹侧仿生边缘小覆羽49，同样机翼第一指骨上有两块不安装任何仿生羽毛的裸区五52，在裸区五52的下端，即机翼第一指骨的下边缘，安装着少数腹侧仿生指骨覆羽53。

10）、腹侧掌骨近端阵列:

对机翼腹侧掌骨近端按照从下往上的顺序，机翼腹侧掌骨下边缘安装着一排仿生初级飞羽，图4中只表示出ⅰ、ⅱ两根仿生初级飞羽，仿生初级飞羽ⅱ羽根周围着生着一根初级仿生大覆羽54和一根初级仿生中覆羽55，其组合方式与图5中所述相同。腹侧仿生羽毛阵列布局中所述第二部分的裸区一直延伸，到达机翼腹侧掌骨后分成两束裸区六56，这两束裸区六56之间安装着少数腹侧仿生掌骨小覆羽57。在机翼腹侧掌骨的上边缘附着着密集的腹侧仿生边缘小覆羽49。机翼腹侧掌骨部位的所有腹侧仿生覆羽都朝向机翼远端方向。

以上6）、7）、8）、9）中的羽毛皆为仿生次级覆羽，10）中所述仿生覆羽为仿生初级覆羽。

背侧仿生羽毛阵列及腹侧仿生羽毛阵列中的仿生次级羽毛有绕z轴和x轴旋转两个旋转自由度的要求，所以通过旋转连接件37固定在仿生机翼上，其余的羽毛均通过螺栓直接固定在仿生机翼上，旋转连接件37包括第一连接管38及第二连接管39，第一连接管38与第二连接管39结构相同，相对设置，第一连接管38之间第二连接管39之间共同包覆有连接块40，第一连接管38与连接块40之间、第二连接管39与连接块40之间分别通过柱状固定件一41、柱状固定件二42相连接，第一连接管38通过螺栓一43与对应的羽毛相固定，第二连接管39通过螺栓二44固定安装在仿生机翼上。

仿生机翼翼区后缘分布着强大坚韧的仿生初级飞羽和仿生次级飞羽，飞行时通过仿生肌肉带动，依靠仿生初级飞羽鼓风前进，是飞行的主要动力来源，仿生次级飞羽设置有绕z轴和x轴旋转的两个旋转自由度，以调节机翼升降；仿生机翼翼区背侧及腹侧的前缘均依次分布着对应的仿生小覆羽、仿生中覆羽、仿生大覆羽，这些仿生覆羽整体呈覆瓦状将仿生初级飞羽和仿生次级飞羽的基部掩盖，通过对以上覆羽的排布位置、排布朝向以及排布区域的组合设置，同其他部位的仿生覆羽一起，使仿生机翼表面成为流线型，大大减小了飞行时的空气阻力；同时，仿生羽毛的覆盖也保护了仿生机翼表面的仿生肌肉不受损伤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。