CN102328744A - 基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，包括：胸腔、圆柱形永磁体、螺旋线圈、翅膀、背甲、弯曲变形的柔性铰链，两个被动扭转的柔性铰链。一对翅膀对称安装在背甲的两端；两个胸腔夹住柔性铰链形成“三明治”结构，背甲固定在柔性铰链上面，背甲两端对称地位于胸腔的自由区域中；螺旋线圈固定安装在胸腔上的中心位置；永磁体固定在背甲的中心处。本发明通过MEMS工艺加工实现翼展小于3cm的扑翼式微飞行器，利用通电螺旋线圈与永磁体之间磁场的相互作用而获得驱动力，结构十分简单、控制方便灵活、输入电压小、输出力大、易于实现可携带操作。

Description

基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器

技术领域

本发明涉及的是一种微型飞行器技术领域的装置，具体是一种基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器。

背景技术

扑翼式微飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器。近年来随着科学技术的发展，微飞行器（MAV）正在成为科技界的研究热点。尤其是MEMS技术的发展为微小尺寸的飞行器的实现提供了可能。美国国防高级研究计划局提出微飞行器基本指标为：飞行器的尺寸小于15cm，重量在10g到100g之间，飞行时间为20-60min，飞行速度为25-70km/h。扑翼式微飞行器具有一般航空飞行器无法比拟的机动和气动性能，其在小空间下具有体积小、质量轻，很好的机动和气动性能等优势，在军、民用方面拥有十分广阔的应用前景。因此微飞行器已经成为科技界研究的热点。

国外在扑翼式微飞行器的研究方面产生一定的成果，一些扑翼微飞行器已实现飞行。美国加州理工与加州大学以及AeroVironment公司共同研制出微电机驱动的微蝙蝠，可在携带一台微型摄像机或声音传感器情况下实现无线电遥控飞行。美国佐治亚理工大学、英国剑桥大学及ETS实验室共同研制基于往复式化学肌肉驱动，既能飞行又能爬行的仿生昆虫机。另外，美国斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制了一种基于电致伸缩聚合体人造肌肉驱动的扑翼式微飞行器。美国哈佛大学研制出一种翼展3cm可实现沿轨道飞行的扑翼微飞行器。

经过对现有技术的检索发现，目前全世界范围内成功实现飞行的最小尺寸的扑翼微飞行器就是哈佛大学的wood研制出的基于压电陶瓷驱动的扑翼飞行器。压电陶瓷有一个很大的缺点，就是驱动电压要求过高，几乎不可能实现自带电源自主飞行。国内一些专利也提出一些扑翼飞行器的相关设计，但是加工方式需要采用常规的机械加工方法，难以达到小尺寸级别。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，利用MEMS技术获得翼展小于3cm的扑翼式微飞行器，解决由压电陶瓷驱动导致所需电压很大所带来的难以实现自携带电源以及常规加工技术难以实现小尺寸的问题。电磁驱动是利用通电导体在磁场中受力而获得驱动力，通过电磁力直接驱动，结构简单，控制方便灵活，输出力大，可以避免了压电陶瓷驱动的高电压输入要求，使飞行器实现自带电源成为可能，使扑翼飞行器更加微小化；采用柔性铰链为主体的传动机构，实现弯曲和被动扭转。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：胸腔、翅膀、背甲、柔性铰链、圆柱形永磁体以及螺旋线圈，其中：两个翅膀分别通过柔性铰链固定在背甲的两端，圆柱形永磁体在背甲的中心位置，另一个柔性铰链夹在两个胸腔之间形成“三明治”结构，背甲固定在夹于两胸腔之间的柔性铰链上，螺旋线圈粘接在胸腔上。

所述的翅脉、背甲及胸腔均为MEMS微加工方法以SU-8光刻胶为材料制成。其中胸腔的结构也可以选择碳纤维材料。

所述的翅膀包括翅脉和粘接于翅脉上的翅膜；其中：翅膜以聚酰亚胺薄膜为材料，以激光加工工艺图形化得到。

所述的圆柱形永磁体轴线与背甲的中心线重合，圆柱形永磁体通过环氧树脂粘接在背甲上。

所述的柔性铰链用于产生弯曲变形和被动扭转，包括一个弯曲变形的柔性铰链，两个被动扭转的柔性铰链，都以聚酰亚胺薄膜为材料，以激光加工技术图形化得到。

本发明工作原理为：基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器是采用电磁方式驱动，扑翼微飞行器有一对翅膀，一个背甲，两个翅膀分别通过柔性铰链固定在背甲的两端，以便在扑动过程中获得被动扭转；一个永磁体固定在背甲中心处；背甲固定在夹于两胸腔之间的柔性铰链上；螺旋线圈固定在胸腔中心位置处，提供交变磁场；螺旋线圈需要外接PWM驱动电流，控制两个翅膀的扑动；具体为：螺旋线圈通入PWM电流，就会产生一定频率的交变磁场，当螺旋线圈通入电流时，螺旋线圈可以产生磁场吸引永磁体带动背甲产生向上的位移，进而带动翅膀向下扑动；当螺旋线圈不通电流时，背甲会通过材料本身的回复力带动永磁体向下运动，进而使翅膀产生向上扑动。这样对螺旋线圈保持通电、不通电的状态，就会使翅膀产生上下的扑动。

由于本发明的驱动器是基于通电螺旋线圈与永磁体磁场的相互作用，因此通过改变螺旋线圈脉冲电流的大小、相位以及频率，可以方便的同时控制翅膀的扑动幅度、以及扑动频率。

本发明上述的扑翼微飞行器需要设定一个初始的攻角，同时背甲与翅膀的连接处使用了柔性铰链，保证在扑动过程中空气的作用使翅膀产生一定程度的扭转，形成一定的攻角；翅膀上下扑动过程中空气会使翅膜产生柔性变形，因此也可以使有效攻角在不断的变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力。

本发明与现有扑翼微飞行器相比，使用MEMS微加工技术，尺寸更小，易于加工和装配，翼展可以小于3cm；柔性铰链的使用使得传动机构能高效的传递位移和力，并方便的实现了被动扭转；使用电磁驱动，可以方便的控制扑动的角度以及扑动频率的大小，不需要很大的电源电压，易实现自身携带电源，控制电路简单，易实现控制集成微小化。

附图说明

图1为本发明整体结构轴测图。

图2为本发明隐藏螺旋线圈的俯视图。

图3为本发明胸腔的轴测图。

图4为本发明柔性铰链的轴测图。

图5为本发明柔性铰链与两胸腔形成的“三明治”结构的轴测图。

图6 为本发明翅膀与背甲之间的连接部分的俯视图。

图7 为本发明负责被动扭转的柔性铰链的俯视图。

图8为本发明翅膀结构的俯视图。

图9为本发明背甲结构轴测图。

具体实施方式

下面对本发明的实例作详细说明，本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实例包括：胸腔1、圆柱形永磁体2、螺旋线圈3、左翅膀7、右翅膀4、背甲5、柔性铰链6、9；其中：翅膜14粘接在翅脉13的表面形成翅膀4、7整体结构，左翅膀7和右翅膀4分别通过柔性铰链9粘接于背甲5的两端，通过柔性铰链6粘接在两个胸腔1之间形成“三明治”结构，背甲5粘接在柔性铰链6上，螺旋线圈3粘接在其中胸腔1表面，圆柱形永磁体2固定在背甲5的中心位置。

所述的翅膀包括翅脉和粘接于翅脉上的翅膜；其中：翅脉为MEMS微加工方法以SU-8光刻胶为材料制成，翅膜以聚酰亚胺薄膜为材料，以激光加工工艺图形化得到。

所述的圆柱形永磁体的轴线与背甲的中心线重合。

所述的柔性铰链用于产生弯曲变形和被动扭转，包括一个弯曲变形的柔性铰链6，两个被动扭转的柔性铰链9，都以聚酰亚胺薄膜为材料，以激光加工技术图形化得到。

如图3所示，所述的胸腔为MEMS微加工方法以SU-8光刻胶为材料制成，胸腔的两部分的相对位置可以在设计的过程中有意识的在两者之间用SU-8材料的细条结构连接固定在一起，装配完毕之后可以将细条去除；胸腔中间的开口处需要设计出一定的倾斜角，形成“外八”形状，这是为了给翅膀的扑动提供合适的自由区域，背甲安装在该区域中，并能保证一定的自由度。

如图4所示，所述的柔性铰链6连接两个胸腔构成背甲所需要的支点，同时柔性铰链6与背甲5连接的部分需要保持断开，便于为背甲5的变形提供必要的自由度。

如图5所示，所述的柔性铰链6与两胸腔1形成的“三明治”结构，该结构的装配需要满足必要的装配精度，胸腔1和柔性铰链6的外部设置为完全相同的形状，装配的时候只要将胸腔1与柔性铰链6外沿重合即可。

如图6，7所示，所述的背甲5与左翅膀7（或右翅膀4）相连接构成被动扭转结构以及柔性铰链9的形状。柔性铰链9在翅膀4、7扑动过程中会有被动的弯曲，从而实现被动的扭转。柔性铰链9选用聚酰亚胺薄膜作为材料，利用激光加工技术图形化。在装配的过程中，为保证一定的装配精度，边缘8与边缘12对齐，边缘11和左翅膀7（或右翅膀4）的边缘10对准即可。

如图8所示，所述的左翅膀7和右翅膀4包括：翅脉13和翅膜14。翅脉13的形状仿照昆虫设计，主要起支撑、加固翅膜14的作用；翅膜14对飞行的空气动力有很大影响。翅膜的材料选用聚酰亚胺薄膜，使用激光加工技术图形化，然后用环氧树脂将翅膜铺在翅脉上。也可以将翅脉和翅膜一体化加工出来，翅脉为MEMS微加工方法以SU-8光刻胶为材料制成，翅膜为PARYLENE沉积工艺得到。

如图9所示，所述的背甲5结构需要有优良的弹性变形能力。背甲5选用的材料为SU-8光刻胶，采用SU-8微加工工艺实现。为保证圆柱形永磁体2安装在背甲5的中心位置，在设计及加工的时候将在中心位置加工一个与圆柱形永磁体2相同尺寸的圆盘，在装配过程中只要保证圆柱形永磁体2准确的安放在圆盘处即可。

以上实施例详细显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征在于，包括：胸腔、翅膀、背甲、柔性铰链、圆柱形永磁体以及螺旋线圈，其中：两个翅膀分别通过一用于产生被动扭转的柔性铰链固定在背甲的两端，圆柱形永磁体在背甲的中心位置，另一用于产生弯曲变形的柔性铰链夹在两个胸腔之间形成“三明治”结构，背甲固定在夹于两胸腔之间的柔性铰链上，螺旋线圈粘接在胸腔上；当螺旋线圈通入电流时，螺旋线圈产生磁场吸引圆柱形永磁体带动背甲产生向上的位移，进而带动翅膀向下扑动；当螺旋线圈不通电流时，背甲会通过材料本身的回复力带动永磁体向下运动，进而使翅膀产生向上扑动。

2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的背甲、翅脉以及胸腔均为MEMS微加工方法以SU8光刻胶为材料制成，其中胸腔的结构或者选择碳纤维材料。

3.根据权利要求1或2所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的翅膀包括翅脉和粘接于翅脉上的翅膜；其中：翅膜以聚酰亚胺薄膜为材料，以激光加工工艺图形化得到；所述翅膜用环氧树脂铺在翅脉上，或者翅脉和翅膜为一体化结构。

4.根据权利要求3所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述翅脉和翅膜为一体化结构时，其中翅脉为MEMS微加工方法以SU-8光刻胶为材料制成，翅膜为PARYLENE沉积工艺得到。

5.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述胸腔中间的开口处设有一倾斜角，形成“外八”形状，给翅膀的扑动提供合适的自由区域，背甲安装在该区域中，并能保证一定的自由度。

6.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的圆柱形永磁体轴线与背甲的中心线重合，圆柱形永磁体通过环氧树脂粘接在背甲上。

7.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征在于：所述的柔性铰链，材料选为聚酰亚胺薄膜，使用激光加工技术对聚酰亚胺薄膜进行图形化。

8.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征在于：所述背甲的中心位置设有一个与圆柱形永磁体相同尺寸的圆盘，圆柱形永磁体安放在圆盘处。

9.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的螺旋线圈中流入的电流信号为PWM信号。

10.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述飞行器的翼展长度小于3cm。

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