一種基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，包括：機(jī)身骨架、電池、振動懸臂梁、磁鐵對、位移放大機(jī)構(gòu)、直流?交流轉(zhuǎn)換/信號收發(fā)電路、柔性連接、翅膀。其中：機(jī)身骨架用于支撐機(jī)體并為其他部件提供固定點(diǎn)；振動懸臂梁為平板式設(shè)計，在電流和磁場的作用下產(chǎn)生振動，用于驅(qū)動位移放大機(jī)構(gòu)；放大機(jī)構(gòu)采用杠桿原理設(shè)計，將振動懸臂梁自由端的振動轉(zhuǎn)化為翅膀的大幅值拍動；翅膀通過柔性連接與位移放大機(jī)構(gòu)輸出端連接，柔性連接使翅膀在拍動中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)以符合高升力機(jī)理。本發(fā)明中的微型撲翼飛行器能在幾伏的交流電壓下實現(xiàn)翅膀的高頻大幅值拍動，翅膀拍動動作符合自然界昆蟲振翅的高升力軌跡。
【專利說明】
一種基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域與微型飛行器技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合的裝置，具體是一種基于載交流導(dǎo)體在磁場中受洛倫茲力激振產(chǎn)生強(qiáng)迫振動，進(jìn)而驅(qū)動仿生翅膀撲動的微型撲翼飛行器。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)微型飛行器的特征尺寸從米級過渡厘米級時，基于仿生學(xué)原理，采用撲翼飛行方式的微型撲翼飛行器優(yōu)勢逐漸凸顯。在厘米級尺寸下，撲翼飛行氣動效率高，機(jī)動性好，更容易實現(xiàn)快速起飛、加速、懸停等機(jī)動動作，適合在叢林、街道、室內(nèi)等狹小空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，采用此種飛行方式的微型飛行器在軍事及民用方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在微型撲翼飛行器的設(shè)計研制中，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇決定了飛行器的關(guān)鍵性能，因此，對撲翼飛行器驅(qū)動系統(tǒng)的探索、研究和發(fā)展一直是學(xué)術(shù)界、工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
[0003]撲翼飛行器的驅(qū)動系統(tǒng)一般由驅(qū)動器、傳動機(jī)構(gòu)、翅膀三部分組成。體積偏大的飛行器，尚可以采用技術(shù)成熟、輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)作為驅(qū)動器，再通過傳動機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為帶一定軌跡的往復(fù)振動。然而隨著體積的減小，電機(jī)的性能以及傳動機(jī)構(gòu)的效率因尺度效應(yīng)而急劇下降。目前，昆蟲尺寸量級的撲翼飛行器(翼展小于5cm)多采用基于新型驅(qū)動原理的直線型微驅(qū)動器，如壓電陶瓷驅(qū)動器、電磁驅(qū)動和靜電驅(qū)動等。
[0004]目前，微驅(qū)動原理主要包括熱驅(qū)動、形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動、靜電驅(qū)動、人造肌肉驅(qū)動、壓電陶瓷驅(qū)動等。其中，熱驅(qū)動和SMA驅(qū)動的驅(qū)動速度很慢，遠(yuǎn)達(dá)不到昆蟲幾十甚至幾百赫茲的振翅頻率，且能量轉(zhuǎn)換效率極低，不適用于驅(qū)動體積較小的撲翼飛行器。目前，在昆蟲尺寸微型撲翼飛行器領(lǐng)域，具有研究基礎(chǔ)的主要有靜電驅(qū)動和壓電驅(qū)動兩種驅(qū)動方式。靜電驅(qū)動的驅(qū)動位移/力很小，人造肌肉驅(qū)動的配套系統(tǒng)重量很大，導(dǎo)致二者產(chǎn)生的升力都遠(yuǎn)不能克服自身結(jié)構(gòu)的重量，只適合對推重比要求不大的爬行機(jī)械，采用此驅(qū)動原理的微型撲翼結(jié)構(gòu)目前只能實現(xiàn)翅膀和振動部件的上升驗證。壓電陶瓷驅(qū)動的總體性能較為均衡，是現(xiàn)階段最熱門的撲翼驅(qū)動原理，目前Harvard大學(xué)的Wood等人發(fā)表在SCIENCE雜志上的 “Controlled Flight of a B1logically Inspired, Insect-Scale Robot，，報道了 ——種基于壓電驅(qū)動的昆蟲尺寸大小的微型撲翼飛行器，并首次實現(xiàn)了可控飛行。不過該飛行器的不足在于，高壓交流電源和控制電路由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量大，均未集成在機(jī)身上，而是通過細(xì)銅線將能量和控制信號傳導(dǎo)到飛行器上，實現(xiàn)如風(fēng)箏般的吊線飛行。
[0005]基于目前的技術(shù)條件，要使基于壓電陶瓷或靜電驅(qū)動原理的撲翼飛行器實現(xiàn)攜帶電源和控制電路的長時間自由飛行，難度非常大，其主要原因在于驅(qū)動電壓太高和驅(qū)動器輸出性能不全面。
[0006]驅(qū)動電壓高。微型撲翼飛行器的基本能量轉(zhuǎn)換形式是將電能轉(zhuǎn)化為，若采用電池作為儲能介質(zhì)，電池輸出的電壓有限，而壓電陶瓷的工作電壓為數(shù)百伏，靜電驅(qū)動的工作電壓為數(shù)千伏，因而需要增設(shè)復(fù)雜的升壓電路，將電池輸出的低電壓升高至壓電陶瓷或靜電驅(qū)動器的工作電壓。增設(shè)升壓電路，一方面增加了結(jié)構(gòu)重量，另一方面存在能量損失，不利于微型撲翼飛行器的自主長時間飛行。
[0007]驅(qū)動器性能不全面。采用靜電驅(qū)動方式，驅(qū)動器雖然輸出位移大，但輸出力較小，若想實現(xiàn)厘米級翅膀的高頻大幅值拍動，必須對翅膀的面積進(jìn)行限制，在撲翼飛行中，振翅頻率、幅值和翅膀面積與氣動升力成正比例關(guān)系，因而，靜電驅(qū)動難以兼顧振翅頻率、幅值和翅膀面積，所產(chǎn)生的氣動力較低。對于壓電驅(qū)動方式，由于壓電驅(qū)動器輸出位移較小，因而對位移放大機(jī)構(gòu)的制備提出了很高的要求(需要很高的放大比)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明就是圍繞微型撲翼飛行器在未來國防和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，針對現(xiàn)有微型撲翼飛行器存在驅(qū)動電壓過高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜或驅(qū)動力不足等問題，基于載交流導(dǎo)體在磁場中受洛倫茲力激發(fā)的強(qiáng)迫振動，提出一種翼展不超過3.5厘米的昆蟲尺寸量級的微型撲翼飛行器。本發(fā)明采用電磁場中載交流導(dǎo)體受到的洛倫茲力為驅(qū)動力，驅(qū)動電壓較低，在數(shù)伏電壓下即可工作，同時驅(qū)動器輸出的力大，可驅(qū)動厘米級仿生翅翼的高頻拍動，驅(qū)動器的輸出位移大，無需復(fù)雜的位移放大機(jī)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，包括:機(jī)身骨架、電池、振動懸臂梁、磁鐵對、位移放大機(jī)構(gòu)、直流-交流轉(zhuǎn)換/信號收發(fā)電路、柔性連接、翅膀。其中:機(jī)身骨架用于支撐機(jī)體并為其他部件提供固定點(diǎn)；電池為整個飛行器提供電能;振動懸臂梁為平板式設(shè)計，穿過磁鐵對并在電流和磁場的作用下產(chǎn)生振動，用于驅(qū)動位移放大機(jī)構(gòu);磁鐵對包含兩塊相對放置的平板永磁鐵，提供永磁場;放大機(jī)構(gòu)采用杠桿原理設(shè)計，柔性連接作為支點(diǎn)和鉸鏈，將振動懸臂梁自由端的振動轉(zhuǎn)化為翅膀的大幅值拍動;機(jī)身骨架上集成直流-交流、控制電路，用于將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時接受處理控制信號;翅膀通過柔性連接與位移放大機(jī)構(gòu)輸出端連接，柔性連接使翅膀在拍動中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)以符合高升力機(jī)理。
[0010]更進(jìn)一步的，相對放置永磁鐵對中間形成穩(wěn)定的磁場，振動懸臂梁沿梁方向通以交流電，振動懸臂梁穿過磁鐵對并受到洛倫茲力，從而激發(fā)振動。
[0011]更進(jìn)一步的，微型撲翼飛行器的驅(qū)動部件為振動懸臂梁，懸臂梁自由端穿過永磁鐵對并與位移放大機(jī)構(gòu)連接，位移放大機(jī)構(gòu)輸出端用于連接兩側(cè)翅膀。
[0012]更進(jìn)一步的，振動懸臂梁為雙層結(jié)構(gòu)，一層為單向碳纖維板材作為支撐材料，一層為錫箔紙用于導(dǎo)電，兩者通過高溫粘接。
[0013]更進(jìn)一步的，所述的機(jī)身骨架的制備材料為單向碳纖維，成型加工方式為激光切害所述的翅膀由支撐骨架和薄膜制成，其中支撐骨架的材料為單向碳纖維，薄膜材料可以選用My Iar薄膜或PET薄膜;所述位移放大機(jī)構(gòu)包括支撐骨架和柔性連接，其中支撐骨架材料為單向碳纖維，柔性連接材料為聚酰亞胺高溫薄膜;所述的永磁體為平板式，材料為釹鐵硼強(qiáng)磁;直流-交流、控制電路和電池通過集成電路技術(shù)微型化，并集成在機(jī)身上。
[0014]更進(jìn)一步的，由于驅(qū)動原理和結(jié)構(gòu)十分簡單，本發(fā)明的翼展通常小于3.5cm。
[00?5] 經(jīng)過理論計算和試驗研究，當(dāng)所述的振動懸臂梁長度為10-20mm，寬度為lmm-2mm，厚度為0.1-0.2mm，振動懸臂梁能在數(shù)伏電壓下激發(fā)穩(wěn)定大幅值的振動，振動懸臂梁自由端的振幅通過位移放大機(jī)構(gòu)，帶動翅膀進(jìn)行大幅值拍動;在翅膀與位移連接處設(shè)置柔性連接結(jié)構(gòu)，使翅膀在拍動過程中滿足高升力的氣動機(jī)理。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017](I)驅(qū)動電壓低。本發(fā)明利用載交流導(dǎo)體在磁場中受洛倫茲力激發(fā)的強(qiáng)迫振動驅(qū)動位移放大機(jī)構(gòu)和翅膀，只需在數(shù)伏的電壓下即可工作，無需增設(shè)升壓電路，簡化了結(jié)構(gòu)，減少了結(jié)構(gòu)自重，提高了能量利用效率。
[0018](2)驅(qū)動器性能均衡。本發(fā)明以振動懸臂梁為驅(qū)動器，振動懸臂梁的制備材料為碳纖維板，擁有較好的剛度，振動中輸出力較大，能夠驅(qū)動厘米級翅膀高頻大幅值拍動；同時振動懸臂梁的自由端輸出位移較大，無需放大倍數(shù)過高的放大機(jī)構(gòu)，便于制造和微型化。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的微型撲翼飛行器整體結(jié)構(gòu)正面示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的微型撲翼飛行器整體結(jié)構(gòu)背面示意圖；
[0021 ]圖3為本發(fā)明的振動懸臂梁與磁鐵對示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明的位移放大機(jī)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明的仿生昆蟲翅膀與柔性連接示意圖。
[0024]圖中附圖標(biāo)記的含義為:I為機(jī)身骨架，2為電池，3為振動懸臂梁，4為磁鐵對，5為位移放大機(jī)構(gòu)，6為直流-交流轉(zhuǎn)換/信號收發(fā)電路，7為柔性連接，8為翅膀。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0026]如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供一種基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器的一個實施例子，包括:機(jī)身骨架1、電池2、振動懸臂梁3、磁鐵對4、位移放大機(jī)構(gòu)5、直流-交流轉(zhuǎn)換/信號收發(fā)電路6、柔性連接7、翅膀8。其中:機(jī)身骨架I用于支撐機(jī)體并為其他部件提供固定點(diǎn)；電池2為整個飛行器提供電能;振動懸臂梁3為平板式設(shè)計，穿過磁鐵對4并在電流和磁場的作用下產(chǎn)生振動，用于驅(qū)動位移放大機(jī)構(gòu)5;磁鐵對4包含兩塊相對放置的平板永磁鐵，提供永磁場;放大機(jī)構(gòu)5采用杠桿原理設(shè)計，柔性鏈接7作為支點(diǎn)和鉸鏈，將振動懸臂梁的微小振動轉(zhuǎn)化為翅膀的大幅值拍動;機(jī)身骨架I上集成直流-交流、控制電路，用于將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時接受處理控制信號;翅膀8通過柔性連接7與位移放大機(jī)構(gòu)5輸出端連接，柔性連接使翅膀在拍動中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)以符合高升力機(jī)理。
[0027]本發(fā)明的微型撲翼飛行器的驅(qū)動原理是基于載交流振動懸臂梁3在磁鐵對4中受到周期性洛倫茲力而激發(fā)的強(qiáng)迫振動。如圖1所示，磁鐵對包含兩塊相對放置的永磁鐵，在永磁鐵之間會形成穩(wěn)定的磁場，載流導(dǎo)體通過磁場空間時，導(dǎo)體會受到洛倫茲力的作用，由于振動懸臂梁沿梁方向載有周期性變化的交流電，因而振動懸臂梁在磁鐵對中的部分會受到周期性洛倫茲力的激振，當(dāng)交流電頻率等于振動懸臂梁的一階固有頻率的時候，振動懸臂梁處于共振狀態(tài)，振動懸臂梁自由端可以輸出周期性位移。如圖1、2所示，振動懸臂梁的自由端與位移放大機(jī)構(gòu)連接，位移放大結(jié)構(gòu)采用杠桿原理，其中柔性連接可作為支點(diǎn)和鉸鏈，將振動懸臂梁自由端的振幅轉(zhuǎn)化為翅膀的高頻大幅值拍動。為了實現(xiàn)有效升力的產(chǎn)生，翅膀振動需滿足一定的軌跡，因而在位移放大機(jī)構(gòu)和翅膀之間增設(shè)柔性連接結(jié)構(gòu)，使翅膀在拍動過程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生高升力。
[0028]如圖3所示，振動懸臂梁3固定在機(jī)身骨架末端固定在機(jī)身骨架I上，磁鐵對固定在兩側(cè)機(jī)身骨架I上，振動懸臂梁3自由端穿過磁鐵對4，振動懸臂梁自由端可以輸出振動幅值。其中，振動懸臂梁長度為10-20mm(本實例選取15mm)，寬度為(本實例選取1.5mm),厚度為0.1-0.2mm(本實例選取0.111mm)；磁鐵對采用兩塊相對放置永磁鐵，兩者分別固定在磁鐵對的兩側(cè)，磁鐵對再固定于機(jī)身骨架，本實例中，永磁鐵的長度為5mm，寬度為3mm，厚度為0.7mm;機(jī)身骨架I采用碳纖維材料制成，本實例中碳纖維的厚度選用0.1mm。
[0029]如圖4所示，本發(fā)明位移放大機(jī)構(gòu)5采用杠桿原理設(shè)計，振動懸臂梁3自由端與放大機(jī)構(gòu)底板固定連接，振動懸臂梁在振動過程帶動位移放大機(jī)構(gòu)底板運(yùn)動，位移放大機(jī)構(gòu)與兩側(cè)機(jī)身骨架連接，此時位移放大機(jī)構(gòu)中的柔性連接部分作為一個支點(diǎn)和鉸鏈，帶動翅膀繞支點(diǎn)拍動。本實例中，位移放大機(jī)構(gòu)采用碳纖維材料與聚酰亞胺薄膜制成，碳纖維厚度為60μπι，柔性連接采用聚酰亞胺薄膜支撐，厚度為12μπι。
[0030]如圖5所示，翅膀通過柔性連接與位移放大機(jī)構(gòu)連接，本實例中翅膀長度為12mm，最大寬度為6.5mm，翅膀采用碳纖維與Mylar薄膜制成，碳纖維厚度為60ym，Mylar薄膜厚度為2.5μπι，柔性連接采用聚酰亞胺薄膜支撐，厚度為12μπι。
[0031 ]本發(fā)明未詳細(xì)闡述的屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
[0032]以上所述，僅是本發(fā)明的實施例子，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明原理和技術(shù)實質(zhì)對以上實施例子所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，其特征在于:包括機(jī)身骨架、電池、振動懸臂梁、磁鐵對、位移放大機(jī)構(gòu)、直流-交流轉(zhuǎn)換/信號收發(fā)電路、柔性連接和翅膀，其中: 機(jī)身骨架用于支撐機(jī)體并為其他部件提供固定點(diǎn)； 電池為整個飛行器提供電能； 振動懸臂梁為平板式設(shè)計，穿過磁鐵對并在電流和磁場的作用下產(chǎn)生振動，用于驅(qū)動位移放大機(jī)構(gòu)； 磁鐵對包含兩塊相對放置的平板永磁鐵，提供永磁場； 放大機(jī)構(gòu)采用杠桿原理設(shè)計，將振動懸臂梁的微小振動轉(zhuǎn)化為翅膀的大幅值拍動，位移放大機(jī)構(gòu)中的柔性鏈接作為轉(zhuǎn)動的支點(diǎn)和鏈接； 機(jī)身骨架上集成直流-交流、控制電路，用于將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時接受處理控制信號； 翅膀通過柔性連接與位移放大機(jī)構(gòu)輸出端連接，柔性連接使翅膀在拍動中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)以符合高升力機(jī)理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，其特征在于:相對放置永磁鐵對中間形成穩(wěn)定的磁場，振動懸臂梁沿梁方向通以交流電，振動懸臂梁穿過磁鐵對并受到洛倫茲力，從而激發(fā)振動。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，其特征在于:微型撲翼飛行器的驅(qū)動部件為振動懸臂梁，懸臂梁自由端穿過永磁鐵對并與位移放大機(jī)構(gòu)連接，位移放大機(jī)構(gòu)輸出端用于連接兩側(cè)翅膀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，其特征在于:振動懸臂梁為雙層結(jié)構(gòu)，一層為單向碳纖維板材作為支撐材料，一層為錫箔紙用于導(dǎo)電，兩者通過高溫粘接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，其特征在于:所述的機(jī)身骨架的制備材料為單向碳纖維，成型加工方式為激光切割;所述的翅膀由支撐骨架和薄膜制成，其中支撐骨架的材料為單向碳纖維，薄膜材料可以選用My Iar薄膜或PET薄膜；所述位移放大機(jī)構(gòu)包括支撐骨架和柔性連接，其中支撐骨架材料為單向碳纖維，柔性連接材料為聚酰亞胺高溫薄膜;所述的永磁體為平板式，材料為釹鐵硼強(qiáng)磁;直流-交流、控制電路和電池通過集成電路技術(shù)微型化，并集成在機(jī)身上。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于基于洛倫茲力驅(qū)動的微型撲翼飛行器，其特征在于:由于驅(qū)動原理和結(jié)構(gòu)十分簡單，翼展通常小于3.5cm。
【文檔編號】B64C33/02GK106081103SQ201610632966
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月4日 公開號201610632966.6, CN 106081103 A, CN 106081103A, CN 201610632966, CN-A-106081103, CN106081103 A, CN106081103A, CN201610632966, CN201610632966.6
【發(fā)明人】閆曉軍, 劉志偉, 漆明凈, 楊藝, 黃大偉, 張小勇
【申請人】北京航空航天大學(xué)