[發明專利]基于柔性鉸鏈的電磁驅動式撲翼微飛行器

有效

• 申請號: 201110223769.6
• 申請日: 2011-08-05
• 公開（公告）號: CN102328744A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 張衛平;孟坤;陳文元;李洪誼;遲鵬程;鄒才均;吳校生;崔峰;劉武;譚小波
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B64C33/00
• 分類號: B64C33/00;B64C33/02
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及的是一種微型飛行器技術領域的裝置，具體是一種基于柔性鉸鏈的電磁驅動式撲翼微飛行器。

背景技術

撲翼式微飛行器是一種模仿鳥類或昆蟲飛行的微型飛行器。近年來隨著科學技術的發展，微飛行器（MAV）正在成為科技界的研究熱點。尤其是MEMS技術的發展為微小尺寸的飛行器的實現提供了可能。美國國防高級研究計劃局提出微飛行器基本指標為：飛行器的尺寸小于15cm，重量在10g到100g之間，飛行時間為20-60min，飛行速度為25-70km/h。撲翼式微飛行器具有一般航空飛行器無法比擬的機動和氣動性能，其在小空間下具有體積小、質量輕，很好的機動和氣動性能等優勢，在軍、民用方面擁有十分廣闊的應用前景。因此微飛行器已經成為科技界研究的熱點。

國外在撲翼式微飛行器的研究方面產生一定的成果，一些撲翼微飛行器已實現飛行。美國加州理工與加州大學以及AeroVironment公司共同研制出微電機驅動的微蝙蝠，可在攜帶一臺微型攝像機或聲音傳感器情況下實現無線電遙控飛行。美國佐治亞理工大學、英國劍橋大學及ETS實驗室共同研制基于往復式化學肌肉驅動，既能飛行又能爬行的仿生昆蟲機。另外，美國斯坦福研究中心和多倫多大學共同研制了一種基于電致伸縮聚合體人造肌肉驅動的撲翼式微飛行器。美國哈佛大學研制出一種翼展3cm可實現沿軌道飛行的撲翼微飛行器。

經過對現有技術的檢索發現，目前全世界范圍內成功實現飛行的最小尺寸的撲翼微飛行器就是哈佛大學的wood研制出的基于壓電陶瓷驅動的撲翼飛行器。壓電陶瓷有一個很大的缺點，就是驅動電壓要求過高，幾乎不可能實現自帶電源自主飛行。國內一些專利也提出一些撲翼飛行器的相關設計，但是加工方式需要采用常規的機械加工方法，難以達到小尺寸級別。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于柔性鉸鏈的電磁驅動式撲翼微飛行器，利用MEMS技術獲得翼展小于3cm的撲翼式微飛行器，解決由壓電陶瓷驅動導致所需電壓很大所帶來的難以實現自攜帶電源以及常規加工技術難以實現小尺寸的問題。電磁驅動是利用通電導體在磁場中受力而獲得驅動力，通過電磁力直接驅動，結構簡單，控制方便靈活，輸出力大，可以避免了壓電陶瓷驅動的高電壓輸入要求，使飛行器實現自帶電源成為可能，使撲翼飛行器更加微小化；采用柔性鉸鏈為主體的傳動機構，實現彎曲和被動扭轉。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：胸腔、翅膀、背甲、柔性鉸鏈、圓柱形永磁體以及螺旋線圈，其中：兩個翅膀分別通過柔性鉸鏈固定在背甲的兩端，圓柱形永磁體在背甲的中心位置，另一個柔性鉸鏈夾在兩個胸腔之間形成“三明治”結構，背甲固定在夾于兩胸腔之間的柔性鉸鏈上，螺旋線圈粘接在胸腔上。

所述的翅脈、背甲及胸腔均為MEMS微加工方法以SU-8光刻膠為材料制成。其中胸腔的結構也可以選擇碳纖維材料。

所述的翅膀包括翅脈和粘接于翅脈上的翅膜；其中：翅膜以聚酰亞胺薄膜為材料，以激光加工工藝圖形化得到。

所述的圓柱形永磁體軸線與背甲的中心線重合，圓柱形永磁體通過環氧樹脂粘接在背甲上。

所述的柔性鉸鏈用于產生彎曲變形和被動扭轉，包括一個彎曲變形的柔性鉸鏈，兩個被動扭轉的柔性鉸鏈，都以聚酰亞胺薄膜為材料，以激光加工技術圖形化得到。

本發明工作原理為：基于柔性鉸鏈的電磁驅動式撲翼微飛行器是采用電磁方式驅動，撲翼微飛行器有一對翅膀，一個背甲，兩個翅膀分別通過柔性鉸鏈固定在背甲的兩端，以便在撲動過程中獲得被動扭轉；一個永磁體固定在背甲中心處；背甲固定在夾于兩胸腔之間的柔性鉸鏈上；螺旋線圈固定在胸腔中心位置處，提供交變磁場；螺旋線圈需要外接PWM驅動電流，控制兩個翅膀的撲動；具體為：螺旋線圈通入PWM電流，就會產生一定頻率的交變磁場，當螺旋線圈通入電流時，螺旋線圈可以產生磁場吸引永磁體帶動背甲產生向上的位移，進而帶動翅膀向下撲動；當螺旋線圈不通電流時，背甲會通過材料本身的回復力帶動永磁體向下運動，進而使翅膀產生向上撲動。這樣對螺旋線圈保持通電、不通電的狀態，就會使翅膀產生上下的撲動。

由于本發明的驅動器是基于通電螺旋線圈與永磁體磁場的相互作用，因此通過改變螺旋線圈脈沖電流的大小、相位以及頻率，可以方便的同時控制翅膀的撲動幅度、以及撲動頻率。