CN103274049A - 电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，其中：两个翅膀分别通过柔性铰链连接在背甲的两端，翅膀、背甲、阻挡块一起形成“阻挡”结构，背甲刚性连接在胸腔上，圆柱形永磁铁粘在胸腔下部的中心位置，螺旋线圈粘在与永磁体正对的机体的上部中心位置，装配时使螺旋线圈与永磁体分别位于翅膀上下两侧，并使螺旋线圈与永磁体轴线重合。本发明采用传统的四连杆传动机构，大大提高了飞行器的传动效率，通过调整重心使其与升力中心重合可以获得更好的飞行稳定性，采用柔性铰链和阻挡块的简单结构，可以在扑动过程中因惯性力和气动力的相互作用获得一定程度的被动扭转，通过折叠装配，提高装配精度，易于实现飞行器的微型化。

Description

电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器

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，具体是电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器。

背景技术

扑翼微飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器。仿鸟和仿昆虫是目前扑翼微飞行器的两种研究模式，仿鸟的飞行器尺寸较大，翅翼振动频率小；仿昆虫尺寸较小，振动频率高。

目前，微型飞行器按飞行方式可以分为固定翼、旋翼和扑翼三类。固定翼微飞行器与旋翼微飞行器是固定翼飞机和旋翼飞机微型化的产物，各有其优点，但它们高能耗、低机动性、低灵活性和稳定性差的缺点也日益凸现出来。纵观自然界的飞行生物，无一例外均采用扑翼的飞行方式，扑翼飞行是生物进化的最优飞行方式。扑翼微飞行器在机动性、稳定性及低能耗等方面可与蜻蜓、蜜蜂或蜂鸟等飞行生物相媲美。于是人们又开始着眼于扑翼飞行器的研究。经过近20年来研究者们的共同努力，扑翼微飞行器在仿生学飞行机理、能源和驱动、运动和控制、通信和传感等方面都取得了很大的进展。

加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学的T.Nick Pornsin-Sirirak等人在2000年发表在NASA/JPL Workshop on Biomorphic Robotics上的“Microbat:A Palm-Sized ElectricallyPowered Ornithopter”提出了一种微型蝙蝠，它由电池驱动微型电动机，通过齿轮机构、双连杆机构驱动类似蜻蜓的机翼作上下扑动。

目前，国内提出了一些仿昆虫扑翼飞行器的相关设计，但是一般尺寸较大，需要较复杂的传动机构，通常采用传统的机械加工方法，难以达到小尺寸级别。

经过对现有技术的检索发现，公开号为101948008A（申请号：201010289527.2）的中国发明专利申请，该专利申请提供了一种仿昆虫微型扑翼飞行器。但是由于该飞行器的上拍、下拍扇翅运动的完成都是靠柔性横梁的弯曲带动的，而柔性横梁两侧都通过柔性铰链与内侧骨架相连，其实质是一个超静定结构，因此拍打幅值比较小；采用柔性铰链、圆形刚度圈以及翅痣实现被动旋转，大大增加了飞行器的质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种单翅长度小于3cm，基于激光切割等MEMS微加工技术加工的电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，该飞行器采用传统的四连杆传动机构，大大提高了飞行器的传动效率，较小的输入位移就可以获得较大的拍打幅值；通过调整电磁驱动器中永磁体和螺旋线圈的位置，能够使得飞行器的重心和升力中心重合，消除两者不重合带来的翻转效应等负面影响，进而获得更好的飞行稳定性；采用柔性铰链和阻挡块的简单结构，可以在扑动过程中因惯性力和气动力的相互作用获得一定程度的被动扭转；胸腔、背甲以及机体均采用了碳纤维-聚酰亚胺-碳纤维的“三明治”结构，通过激光切割对碳纤维和聚酰亚胺薄膜图形化后，通过真空袋技术将其胶接叠合在一起，再通过折叠装配加工获得，大大提高了装配精度，并且易于实现飞行器的微型化。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，包括：翅膀、胸腔、背甲、机体、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连接在背甲的两端，阻挡块粘结在翅膀上，翅膀、背甲、阻挡块一起形成“阻挡”结构，背甲刚性连接在胸腔上，圆柱形永磁铁粘在胸腔下部的中心位置，螺旋线圈粘在与永磁体正对的机体的上部中心位置，装配时使螺旋线圈和永磁体分别位于翅膀的上下两侧，并使两者轴线重合，这样可以使得整个飞行器的重心与升力中心重合。胸腔固定在机体上。所述胸腔、背甲、柔性铰链和机体构成四连杆机构。

优选地，所述螺旋线圈固定在机体上，提供交变磁场；螺旋线圈内输入方波电流，就会产生交变磁场，当螺旋线圈通入正向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相异，吸引永磁体带动胸腔产生向上的位移，胸腔、背甲和柔性铰链进而带动翅膀向下扑动，当螺旋线圈通入反向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相同，吸引永磁体带动胸腔产生向下的位移，胸腔、背甲和柔性铰链进而带动翅膀向上扑动。

优选地，所述的翅膀包括翅脉和胶粘于翅脉上的翅膜，其中：翅脉和翅膜分别选用碳纤维和聚酰亚胺薄膜，通过MEMS微加工技术得到。

优选地，所述的胸腔、背甲以及机体均采用碳纤维-聚酰亚胺-碳纤维的“三明治”结构，通过激光切割对碳纤维和聚酰亚胺薄膜图形化后，通过真空袋技术将其胶接叠合在一起，再通过折叠装配获得。

优选地，所述的柔性铰链选用聚酰亚胺薄膜，使用激光切割对聚酰亚胺薄膜进行图形化。

优选地，所述的圆柱形永磁铁用环氧树脂胶粘在胸腔下部，其轴线与胸腔的中心线重合，螺旋线圈用环氧树脂胶粘在与永磁体正对的机体的上部中心位置。

优选地，所述飞行器的单翅长度小于3cm。

本发明工作原理为：电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器采用电磁驱动仿昆虫扑翼微飞行器。其中，螺旋线圈固定在机体上，提供交变磁场；螺旋线圈内输入一定频率的方波电流，就会产生一定频率的交变磁场，当螺旋线圈通入正向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相异，吸引永磁体带动胸腔产生向上的位移，胸腔、背甲、柔性铰链和机体构成的四连杆机构进而带动翅膀向下扑动，当螺旋线圈通入反向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相同，排斥永磁体带动胸腔产生向下的位移，胸腔、背甲、柔性铰链和机体构成的四连杆机构进而带动翅膀向上扑动。两个翅膀分别通过柔性铰链连接在背甲的两端，并通过阻挡块与背甲与翅膀连接处形成“阻挡”结构，可以在扑动过程中因惯性力和气动力的相互作用获得一定程度的被动扭转。

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，可以方便控制翅膀的扑动幅度、以及扑动频率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用传统的四连杆传动机构，大大提高了飞行器的传动效率，较小的输入位移就可以获得较大的输出幅值；通过调整电磁驱动器中永磁体和螺旋线圈的位置，能够使得飞行器的重心和升力中心重合，消除两者不重合带来的翻转效应等负面影响，进而获得更好的飞行稳定性；采用柔性铰链和阻挡块的简单结构，可以在扑动过程中因惯性力和气动力的相互作用获得一定程度的被动扭转，不仅减轻了重量，而且可以获得合适的气动攻角；胸腔、背甲以及机体采用激光切割、真空袋技术和折叠装配等MEMS微加工技术加工获得，不仅大大提高了装配精度，而且易于实现飞行器的微型化，单翅长度可以小于3cm；使用电磁驱动，驱动电压小，输出位移大，响应速度快，控制电路简单，易于实现集成化；使用柔性铰链，不仅可以减少机构摩擦，而且可以方便的实现被动扭转。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体结构轴测图。

图2为本发明胸腔碳纤维结构的轴测图。

图3为本发明胸腔聚酰亚胺结构的轴测图。

图4为本发明胸腔碳纤维与聚酰亚胺结构形成的“三明治”结构的轴测图。

图5为本发明左右背甲的轴测图。

图6为本发明胸腔与背甲形成的“三明治”结构的轴测图。

图7为本发明机体碳纤维结构的轴测图。

图8为本发明机体聚酰亚胺结构的轴测图。

图9为本发明机体碳纤维与聚酰亚胺结构形成的“三明治”结构的轴测图。

图10为本发明负责被动扭转的柔性铰链的俯视图。

图11为本发明翅膀结构的俯视图。

图中：左翅膀1、左背甲2、螺旋线圈3、机体4、右背甲5、右翅膀6、圆柱形永磁体7、胸腔8、柔性铰链9、阻挡块10、翅脉11、翅膜12、柔性铰链13、14、15。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，包括：左翅膀1、左背甲2、螺旋线圈3、机体4、右背甲5、右翅膀6、圆柱形永磁体7、胸腔8、柔性铰链9；其中：翅膜12粘接在翅脉11的表面形成左翅膀1、右翅膀6整体结构，左翅膀1和右翅膀6分别通过柔性铰链9连接于两个左背甲2和两个右背甲5，阻挡块10粘结在左翅膀1（右翅膀6）上，翅膀、背甲、阻挡块一起形成“阻挡”结构，左背甲2和右背甲5都与胸腔8刚性连接，随胸腔进行上下拍打运动，螺旋线圈3用环氧树脂胶粘接与永磁体7正对的在机体4的上部中心位置，圆柱形永磁体7用环氧树脂胶粘在胸腔8下部的中心位置。装配时使螺旋线圈3与永磁体7分别位于左翅膀1、右翅膀6的上下两侧，并使螺旋线圈3与永磁体7的轴线重合，从而使得整个飞行器的重心与升力中心重合。胸腔8用环氧树脂固定在机体4上。所述胸腔8、左背甲2和右背甲5、柔性铰链9和机体4构成四连杆机构。

本实施例中，所述的柔性铰链用于产生弯曲变形和被动扭转，包括四连杆机构连接处三对弯曲变形的柔性铰链13、14、15，如图4所示，一对被动扭转的柔性铰链9，都以聚酰亚胺薄膜，以激光切割图形化得到。

如图2、3、4所示，所述的胸腔8由两个图2中所示的碳纤维结构与一个图3中所示的聚酰亚胺结构组成了碳纤维-聚酰亚胺-碳纤维的“三明治”结构，通过激光切割对碳纤维和聚酰亚胺薄膜图形化后，通过真空袋技术将其胶接叠合在一起，再通过折叠装配最终形成图4中的结构，并且由柔性铰链13、14、15形成了等效的四杆机构，从而使胸腔8在驱动力作用下进行上下的往复振动，带动左翅膀1、右翅膀6进行上下扑动。

如图5、6所示，所述的左背甲2和右背甲5如图6所示，采用“三明治”结构，与胸腔、机体一起成型，左背甲2、右背甲5和胸腔8之间刚性连接，使左背甲2和右背甲5在胸腔8的带动下产生上下拍打运动，进而带动与左背甲2和右背甲5连接的左翅膀1、右翅膀6上下拍动。

如图7、8、9所示，所述的机体4由两个图7中所示的碳纤维结构与一个图8中所示的聚酰亚胺结构组成形成“三明治”结构，与胸腔、机体一起成型，最终形成图9中的“三明治”结构，机体4用以固定螺旋线圈3，其与胸腔8的连接部分用以形成胸腔等效四杆机构的机架，以支撑胸腔8的运动。

如图10所示，所述的左背甲2（或右背甲5）、阻挡块10与左翅膀1（或右翅膀6）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选用聚酰亚胺薄膜，利用激光切割图形化后，再与图形化的碳纤维一起成型得到胸腔8、背甲和机体4，大大提高了装配精度。

如图11所示，本实施例中，所述的左翅膀1、右翅膀6均包括翅脉和胶粘于翅脉上的翅膜，其中：翅脉和翅膜分别选用碳纤维和聚酰亚胺薄膜，通过激光切割等MEMS微加工技术得到。翅脉11的形状仿照昆虫设计，主要起支撑、加固翅膜12的作用；翅膜12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，使用激光切割图形化，然后用环氧树脂将翅膜铺在翅脉上。

本发明采用传统的四连杆传动机构，大大提高了飞行器的传动效率，较小的输入位移就可以获得较大的输出幅值，通过调整电磁驱动器中永磁体和螺旋线圈的位置，能够使得飞行器的重心和升力中心重合，消除两者不重合带来的翻转效应等负面影响，进而获得更好的飞行稳定性，采用柔性铰链和阻挡块的简单结构，实现了翅膀的被动扭转，采用MEMS微加工技术一起成型获得，提高了装配精度，易于实现飞行器的微型化，而且可以方便的实现被动扭转。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，其特征在于，包括：翅膀、胸腔、背甲、机体、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连接在背甲的两端，阻挡块粘结在翅膀上，翅膀、背甲、阻挡块一起形成“阻挡”结构，背甲刚性连接在胸腔上，圆柱形永磁铁粘在胸腔下部的中心位置，螺旋线圈粘在与永磁体正对的机体的上部中心位置，装配时使螺旋线圈与永磁体分别位于翅膀的上下两侧，且螺旋线圈与永磁体的轴线重合以使整个飞行器的重心与升力中心重合，胸腔固定在机体上，所述胸腔、背甲、柔性铰链和机体构成四连杆机构。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，其特征是，所述螺旋线圈固定在机体上，提供交变磁场；螺旋线圈内输入方波电流，就会产生的交变磁场，当螺旋线圈通入正向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相异，吸引永磁体带动胸腔产生向上的位移，胸腔、背甲和柔性铰链进而带动翅膀向下扑动，当螺旋线圈通入反向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相同，排斥永磁体带动胸腔产生向下的位移，胸腔、背甲和柔性铰链进而带动翅膀向上扑动。

3.根据权利要求1或2所述的电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，其特征是，所述的翅膀包括翅脉和胶粘于翅脉上的翅膜，其中：翅脉和翅膜分别选用碳纤维和聚酰亚胺薄膜，通过MEMS微加工技术得到。

4.根据权利要求1或2所述的电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，其特征是，所述的胸腔、背甲以及机体均采用碳纤维-聚酰亚胺-碳纤维的“三明治”结构，通过激光切割对碳纤维和聚酰亚胺薄膜图形化后，通过真空袋技术将其胶接叠合在一起，再通过折叠装配获得。

5.根据权利要求1或2所述的电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，其特征是，所述的柔性铰链选用聚酰亚胺薄膜，使用激光切割对聚酰亚胺薄膜进行图形化。

6.根据权利要求1或2所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的圆柱形永磁铁用环氧树脂胶粘在胸腔下部，其轴线与胸腔的中心线重合，螺旋线圈用环氧树脂胶粘在与永磁体正对的机体的上部中心位置。

7.根据权利要求1或2所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述飞行器的单翅长度小于3cm。

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