專利名稱：基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微型飛行器技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器。
背景技術(shù)：
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(xué)技術(shù)的發(fā)展，微飛行器(MAV)正在成為科技界的研究熱點(diǎn)。尤其是MEMS技術(shù)的發(fā)展為微小尺寸的飛行器的實(shí)現(xiàn)提供了可能。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局提出微飛行器基本指標(biāo)為飛行器的尺寸小于15cm，重量在IOg到IOOg之間，飛行時(shí)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(jī)動(dòng)和氣動(dòng)性能，其在小空間下具有體積小、質(zhì)量輕，很好的機(jī)動(dòng)和氣動(dòng)性能等優(yōu)勢，在軍、民用方面擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。因此微飛行器已經(jīng)成為科技界研究的熱點(diǎn)。國外在撲翼式微飛行器的研究方面產(chǎn)生一定的成果，一些撲翼微飛行器已實(shí)現(xiàn)飛行。美國加州理工與加州大學(xué)以及AeroVironment公司共同研制出微電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微蝙蝠， 可在攜帶一臺(tái)微型攝像機(jī)或聲音傳感器情況下實(shí)現(xiàn)無線電遙控飛行。美國佐治亞理工大學(xué)、英國劍橋大學(xué)及ETS實(shí)驗(yàn)室共同研制基于往復(fù)式化學(xué)肌肉驅(qū)動(dòng)，既能飛行又能爬行的仿生昆蟲機(jī)。另外，美國斯坦福研究中心和多倫多大學(xué)共同研制了一種基于電致伸縮聚合體人造肌肉驅(qū)動(dòng)的撲翼式微飛行器。美國哈佛大學(xué)研制出一種翼展3cm可實(shí)現(xiàn)沿軌道飛行的撲翼微飛行器。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前全世界范圍內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)飛行的最小尺寸的撲翼微飛行器就是哈佛大學(xué)的wood研制出的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的撲翼飛行器。壓電陶瓷有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是驅(qū)動(dòng)電壓要求過高，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)自帶電源自主飛行。國內(nèi)一些專利也提出一些撲翼飛行器的相關(guān)設(shè)計(jì)，但是加工方式需要采用常規(guī)的機(jī)械加工方法，難以達(dá)到小尺寸級(jí)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，利用MEMS技術(shù)獲得翼展小于3cm的撲翼式微飛行器，解決由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致所需電壓很大所帶來的難以實(shí)現(xiàn)自攜帶電源以及常規(guī)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)小尺寸的問題。電磁驅(qū)動(dòng)是利用通電導(dǎo)體在磁場中受力而獲得驅(qū)動(dòng)力，通過電磁力直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便靈活，輸出力大，可以避免了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的高電壓輸入要求，使飛行器實(shí)現(xiàn)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(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)彎曲和被動(dòng)扭轉(zhuǎn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)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(gè)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(gè)柔性鉸鏈夾在兩個(gè)胸腔之間形成“三明治”結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(huán)氧樹脂粘接在背甲上。所述的柔性鉸鏈用于產(chǎn)生彎曲變形和被動(dòng)扭轉(zhuǎn)，包括一個(gè)彎曲變形的柔性鉸鏈， 兩個(gè)被動(dòng)扭轉(zhuǎn)的柔性鉸鏈，都以聚酰亞胺薄膜為材料，以激光加工技術(shù)圖形化得到。本發(fā)明工作原理為基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器是采用電磁方式驅(qū)動(dòng)，撲翼微飛行器有一對翅膀，一個(gè)背甲，兩個(gè)翅膀分別通過柔性鉸鏈固定在背甲的兩端， 以便在撲動(dòng)過程中獲得被動(dòng)扭轉(zhuǎn)；一個(gè)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(qū)動(dòng)電流，控制兩個(gè)翅膀的撲動(dòng)；具體為螺旋線圈通入PWM電流，就會(huì)產(chǎn)生一定頻率的交變磁場，當(dāng)螺旋線圈通入電流時(shí)，螺旋線圈可以產(chǎn)生磁場吸引永磁體帶動(dòng)背甲產(chǎn)生向上的位移，進(jìn)而帶動(dòng)翅膀向下?lián)鋭?dòng)；當(dāng)螺旋線圈不通電流時(shí)，背甲會(huì)通過材料本身的回復(fù)力帶動(dòng)永磁體向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使翅膀產(chǎn)生向上撲動(dòng)。這樣對螺旋線圈保持通電、不通電的狀態(tài)， 就會(huì)使翅膀產(chǎn)生上下的撲動(dòng)。由于本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)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(shí)控制翅膀的撲動(dòng)幅度、以及撲
動(dòng)頻率。本發(fā)明上述的撲翼微飛行器需要設(shè)定一個(gè)初始的攻角，同時(shí)背甲與翅膀的連接處使用了柔性鉸鏈，保證在撲動(dòng)過程中空氣的作用使翅膀產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)，形成一定的攻角；翅膀上下?lián)鋭?dòng)過程中空氣會(huì)使翅膜產(chǎn)生柔性變形，因此也可以使有效攻角在不斷的變化，不但能產(chǎn)生向上的升力，還能產(chǎn)生向前的推力。本發(fā)明與現(xiàn)有撲翼微飛行器相比，使用MEMS微加工技術(shù)，尺寸更小，易于加工和裝配，翼展可以小于3cm;柔性鉸鏈的使用使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能高效的傳遞位移和力，并方便的實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)扭轉(zhuǎn)；使用電磁驅(qū)動(dòng)，可以方便的控制撲動(dòng)的角度以及撲動(dòng)頻率的大小，不需要很大的電源電壓，易實(shí)現(xiàn)自身攜帶電源，控制電路簡單，易實(shí)現(xiàn)控制集成微小化。


圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)軸測圖。圖2為本發(fā)明隱藏螺旋線圈的俯視圖。圖3為本發(fā)明胸腔的軸測圖。圖4為本發(fā)明柔性鉸鏈的軸測圖。圖5為本發(fā)明柔性鉸鏈與兩胸腔形成的“三明治”結(jié)構(gòu)的軸測圖。圖6為本發(fā)明翅膀與背甲之間的連接部分的俯視圖。圖7為本發(fā)明負(fù)責(zé)被動(dòng)扭轉(zhuǎn)的柔性鉸鏈的俯視圖。圖8為本發(fā)明翅膀結(jié)構(gòu)的俯視圖。
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圖9為本發(fā)明背甲結(jié)構(gòu)軸測圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)例作詳細(xì)說明，本實(shí)例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1和圖2所示，本實(shí)例包括胸腔1、圓柱形永磁體2、螺旋線圈3、左翅膀7、右翅膀4、背甲5、柔性鉸鏈6、9 ；其中翅膜14粘接在翅脈13的表面形成翅膀4、7整體結(jié)構(gòu)， 左翅膀7和右翅膀4分別通過柔性鉸鏈9粘接于背甲5的兩端，通過柔性鉸鏈6粘接在兩個(gè)胸腔1之間形成“三明治”結(jié)構(gòu)，背甲5粘接在柔性鉸鏈6上，螺旋線圈3粘接在其中胸腔1表面，圓柱形永磁體2固定在背甲5的中心位置。所述的翅膀包括翅脈和粘接于翅脈上的翅膜；其中翅脈為MEMS微加工方法以 SU-8光刻膠為材料制成，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的軸線與背甲的中心線重合。所述的柔性鉸鏈用于產(chǎn)生彎曲變形和被動(dòng)扭轉(zhuǎn)，包括一個(gè)彎曲變形的柔性鉸鏈6， 兩個(gè)被動(dòng)扭轉(zhuǎn)的柔性鉸鏈9，都以聚酰亞胺薄膜為材料，以激光加工技術(shù)圖形化得到。如圖3所示，所述的胸腔為MEMS微加工方法以SU_8光刻膠為材料制成，胸腔的兩部分的相對位置可以在設(shè)計(jì)的過程中有意識(shí)的在兩者之間用SU-8材料的細(xì)條結(jié)構(gòu)連接固定在一起，裝配完畢之后可以將細(xì)條去除；胸腔中間的開口處需要設(shè)計(jì)出一定的傾斜角，形成“外八”形狀，這是為了給翅膀的撲動(dòng)提供合適的自由區(qū)域，背甲安裝在該區(qū)域中，并能保證一定的自由度。如圖4所示，所述的柔性鉸鏈6連接兩個(gè)胸腔構(gòu)成背甲所需要的支點(diǎn)，同時(shí)柔性鉸鏈6與背甲5連接的部分需要保持?jǐn)嚅_，便于為背甲5的變形提供必要的自由度。如圖5所示，所述的柔性鉸鏈6與兩胸腔1形成的“三明治”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的裝配需要滿足必要的裝配精度，胸腔1和柔性鉸鏈6的外部設(shè)置為完全相同的形狀，裝配的時(shí)候只要將胸腔1與柔性鉸鏈6外沿重合即可。如圖6，7所示，所述的背甲5與左翅膀7 (或右翅膀4)相連接構(gòu)成被動(dòng)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以及柔性鉸鏈9的形狀。柔性鉸鏈9在翅膀4、7撲動(dòng)過程中會(huì)有被動(dòng)的彎曲，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的扭轉(zhuǎn)。柔性鉸鏈9選用聚酰亞胺薄膜作為材料，利用激光加工技術(shù)圖形化。在裝配的過程中，為保證一定的裝配精度，邊緣8與邊緣12對齊，邊緣11和左翅膀7 (或右翅膀4) 的邊緣10對準(zhǔn)即可。如圖8所示，所述的左翅膀7和右翅膀4包括翅脈13和翅膜14。翅脈13的形狀仿照昆蟲設(shè)計(jì)，主要起支撐、加固翅膜14的作用；翅膜14對飛行的空氣動(dòng)力有很大影響。 翅膜的材料選用聚酰亞胺薄膜，使用激光加工技術(shù)圖形化，然后用環(huán)氧樹脂將翅膜鋪在翅脈上。也可以將翅脈和翅膜一體化加工出來，翅脈為MEMS微加工方法以SU-8光刻膠為材料制成，翅膜為PARYLENE沉積工藝得到。如圖9所示，所述的背甲5結(jié)構(gòu)需要有優(yōu)良的彈性變形能力。背甲5選用的材料為SU-8光刻膠，采用SU-8微加工工藝實(shí)現(xiàn)。為保證圓柱形永磁體2安裝在背甲5的中心位置，在設(shè)計(jì)及加工的時(shí)候?qū)⒃谥行奈恢眉庸ひ粋€(gè)與圓柱形永磁體2相同尺寸的圓盤，在裝配過程中只要保證圓柱形永磁體2準(zhǔn)確的安放在圓盤處即可。
以上實(shí)施例詳細(xì)顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。 本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征在于，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(gè)翅膀分別通過一用于產(chǎn)生被動(dòng)扭轉(zhuǎn)的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，另一用于產(chǎn)生彎曲變形的柔性鉸鏈夾在兩個(gè)胸腔之間形成“三明治”結(jié)構(gòu)，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；當(dāng)螺旋線圈通入電流時(shí)，螺旋線圈產(chǎn)生磁場吸引圓柱形永磁體帶動(dòng)背甲產(chǎn)生向上的位移，進(jìn)而帶動(dòng)翅膀向下?lián)鋭?dòng)；當(dāng)螺旋線圈不通電流時(shí)，背甲會(huì)通過材料本身的回復(fù)力帶動(dòng)永磁體向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使翅膀產(chǎn)生向上撲動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征是，所述的背甲、翅脈以及胸腔均為MEMS微加工方法以SU8光刻膠為材料制成，其中胸腔的結(jié)構(gòu)或者選擇碳纖維材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征是，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；所述翅膜用環(huán)氧樹脂鋪在翅脈上，或者翅脈和翅膜為一體化結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征是，所述翅脈和翅膜為一體化結(jié)構(gòu)時(shí)，其中翅脈為MEMS微加工方法以SU-8光刻膠為材料制成，翅膜為PARYLENE沉積工藝得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征是，所述胸腔中間的開口處設(shè)有一傾斜角，形成“外八”形狀，給翅膀的撲動(dòng)提供合適的自由區(qū)域，背甲安裝在該區(qū)域中，并能保證一定的自由度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征是，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(huán)氧樹脂粘接在背甲上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征在于所述的柔性鉸鏈，材料選為聚酰亞胺薄膜，使用激光加工技術(shù)對聚酰亞胺薄膜進(jìn)行圖形化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征在于所述背甲的中心位置設(shè)有一個(gè)與圓柱形永磁體相同尺寸的圓盤，圓柱形永磁體安放在圓盤處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征是，所述的螺旋線圈中流入的電流信號(hào)為PWM信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，其特征是，所述飛行器的翼展長度小于3cm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于柔性鉸鏈的電磁驅(qū)動(dòng)式撲翼微飛行器，包括胸腔、圓柱形永磁體、螺旋線圈、翅膀、背甲、彎曲變形的柔性鉸鏈，兩個(gè)被動(dòng)扭轉(zhuǎn)的柔性鉸鏈。一對翅膀?qū)ΨQ安裝在背甲的兩端；兩個(gè)胸腔夾住柔性鉸鏈形成“三明治”結(jié)構(gòu)，背甲固定在柔性鉸鏈上面，背甲兩端對稱地位于胸腔的自由區(qū)域中；螺旋線圈固定安裝在胸腔上的中心位置；永磁體固定在背甲的中心處。本發(fā)明通過MEMS工藝加工實(shí)現(xiàn)翼展小于3cm的撲翼式微飛行器，利用通電螺旋線圈與永磁體之間磁場的相互作用而獲得驅(qū)動(dòng)力，結(jié)構(gòu)十分簡單、控制方便靈活、輸入電壓小、輸出力大、易于實(shí)現(xiàn)可攜帶操作。
文檔編號(hào)B64C33/00GK102328744SQ201110223769
公開日2012年1月25日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者劉武, 吳校生, 孟坤, 崔峰, 張衛(wèi)平, 李洪誼, 譚小波, 遲鵬程, 鄒才均, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)