CN106081104B - 一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，包括：一个压电驱动器，一体成型的机身和传动机构，两个翅膀，两个被动扭转铰链，以及辅助结构；压电驱动器在通电的情况下产生周期的往复振动；传动机构将压电驱动器的微小振动放大，转化为两个翅膀的拍打运动；两个翅膀的根部分别与一个被动扭转铰链连接，在气动力和惯性力的作用下，两个翅膀发生扭转，从而产生飞行所需要的升力。本发明微飞行器体积和重量达到昆虫尺度；在压电驱动器与翅膀之间，设计了一种柔性铰链放大的传动机构，与压电驱动器配合可以实现翅膀的高频率大幅度往复拍打运动；通过将传动机构与机身设计成一体，避免了传动机构和机身之间的装配，大大提高了装配精度。

Description

一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器

技术领域

本发明涉及微加工技术领域，具体地，涉及一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器。

背景技术

扑翼微飞行器是一种依靠翅膀复杂运动实现飞行的微型飞行器。在大尺度下，一般采用电机驱动，以刚性连杆或者齿轮箱作为传动装置，将电机的旋转运动转化为翅膀的往复式拍打运动。但是，随着尺度的缩小，表面力的影响相对于体积力会变得更加显著，电机驱动方式显得非常笨重和低效，传统机械结构中的“轴”和“齿轮”等传动方式效率低，加工难度大。在昆虫尺度，传功电机的尺寸和重量很难进一步缩小而实现真正意义上的“昆虫尺度”。

国内在扑翼微飞行器的研究方面产生一定的成果。公开号为102815399A、申请号为201210282453.9的中国专利，提供了一种仿蜂鸟扑翼微飞行器。公开号为101934861A、申请号为201010289254.1的中国专利，提供了一种压电仿昆虫微扑翼飞行器。

但是目前的扑翼微飞行器，如前述公开号为102815399A专利的飞行器，使用电机带动齿轮组，实现一对翅膀的拍打运动。这种飞行器的体积和重量都很大，不利于克服自身重力起飞，飞行姿态的调整也不够灵活。而且这种飞行器的翅膀不能产生有效的扭转运动，不利于升力的产生。如前述公开号为101934861A专利的飞行器，使用压电陶瓷制作的翅膀，在通电的情况下，压电陶瓷变形从而实现压电翅膀的拍打运动。虽然这种设计方式可以实现昆虫尺度，但是压电陶瓷的变形量很小，在没有放大机构帮助的前提下，翅膀的拍打运动会很小，不利于升力的产生；与公开号为102815399A专利的飞行器一样，这种飞行器的翅膀也不能产生有效的扭转运动，不利于升力的产生。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，该飞行器体积和重量都非常接近真实的飞行昆虫(翼展小于5cm，整机重量小于1g)；压电驱动器工作在共振状态，使得飞行器可以使用较小的能量实现较长的巡航时间；飞行器的翅膀可以实现高频率大幅度的往复拍打运动，同时还能实现扭转运动，从而大幅度提高气动升力。

为实现以上目的，本发明提供一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，包括：一个压电驱动器，包含机身的传动机构，两个翅膀，两个被动扭转铰链，以及辅助结构；其中：

所述传动机构与所述机身一体化成型，所述压电驱动器的尾端固定在所述机身上，所述压电驱动器的头部与所述传动机构相连，两个所述被动扭转铰链的一端分别与所述翅膀的根部固结，两个所述被动扭转铰链的另一端与所述传动机构固结；所述辅助结构用于将机身固定，为整个微飞行器提供支撑；

所述微飞行器以所述压电驱动器作为动力装置，所述压电驱动器往复上下振动，所述传动机构将所述压电驱动器的微小振动位移放大，转化为两个翅膀的往复拍打运动；通过控制所述压电驱动器的驱动电压和频率，调节两个翅膀的拍打幅值和拍打频率，且两个翅膀由一个所述压电驱动器控制，实现对称的拍打动作；微飞行器在***共振频率下工作，实现克服自身重力起飞。

优选地，所述的压电驱动器采用双晶片压电驱动器；压电驱动器以两片压电陶瓷作为变形层、一层碳纤维作为电极层、四层玻璃纤维作为结构层和绝缘层，其中：变形层分布于压电驱动器中部的上、下层；电极层分布于压电驱动器的中间层；结构层和绝缘层分布于压电驱动器的头部和尾端，用于承载及与机身绝缘；且电极层、结构层和绝缘层的本身含有环氧树脂胶，在高温高压作用下实现将变形层、电极层、结构层和绝缘层的七层材料粘接在一起。

优选地，所述的压电驱动器的尾部设有两个定位孔，用于与机身装配；所述的压电驱动器的头部纤细，用于***到传动机构上设置的方形槽中。

更优选地，所述的压电驱动器的尾部和压电驱动器的头部均采用玻璃纤维材料，起到支撑和电隔离的作用；所述的压电驱动器的中间为采用碳纤维材料的导电层。

优选地，所述的传动机构采用平面四连杆结构，平面四连杆结构包括连杆和铰链，其中：连杆由碳纤维材料构成；铰链采用柔性铰链，柔性铰链由“碳纤维-柔性薄膜-碳纤维”的三明治结构组成，体积小、质量轻、易加工、传动效率高，在小尺度下展现了很大的优势。

优选地，所述的翅膀的根部通过被动扭转铰链与传动机构相连；在气动力和惯性力的作用下，两个翅膀在两个被动扭转铰链的帮助下实现扭转运动，从而产生飞行所需要的升力。

优选地，所述的翅膀为一种仿昆虫的人工翅膀，由翅膀前缘、翅脉和翅膜三个部分组成，翅膜粘贴在翅膀前缘和翅脉上；其中：

所述翅膀前缘和翅脉均采用高模量的碳纤维材料，用于提高所述翅膀的强度和刚度；所述翅膜采用超薄的高分子膜，以降低所述翅膀的重量。

更优选地，所述的翅膀前缘和翅脉的布置均沿碳纤维的纤维方向，从而大大提高所述翅膀在各个方向的刚度和强度。

优选地，所述的被动扭转铰链采用柔性铰链，由“碳纤维-柔性薄膜-碳纤维”的三明治结构组成。

优选地，所述的微飞行器尺寸属于昆虫尺度，微飞行器的翼展小于5cm，微飞行器的整机重量小于1g。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明使用双晶片压电驱动器作为驱动装置，微飞行器体积和重量达到昆虫尺度；在双晶片压电驱动器与翅膀之间，设计了传动机构(是一种柔性铰链放大机构)，与双晶片压电驱动器配合可以实现翅膀的高频率大幅度往复拍打运动；传动机构与机身设计成一体化的结构，避免了微尺度下传动机构与机身之间的装配，降低了装配误差，保证了传动机构特征尺寸的准确性；翅膀的根部设计了被动扭转铰链，在气动力和惯性力的作用下，翅膀可以实现扭转运动，从而有利于产生飞行所需要的升力。

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为本发明一实施例的整体结构的正等轴测图；

图2为本发明一实施例中飞行器尾部的正等轴测图；

图3为本发明一实施例中飞行器头部的正等轴测图；

图4为本发明一实施例中压电驱动器的正等轴测图；

图5为本发明一实施例中柔性铰链的剖视图；

图6为本发明一实施例中右翅膀的主视图；

图中：

1为压电驱动器，2为传动机构，3为机身，4、5为翅膀，6、7为被动扭转铰链，8、9、10、11为辅助结构，12为压电驱动器尾端，13为压电驱动器头部，14为方孔，15为平面四连杆结构，16、17、18为柔性铰链，19、20为压电陶瓷，21为碳纤维，22、23、24、25为玻璃纤维，26为定位孔，27为碳纤维，28为柔性薄膜，29为碳纤维，30为翅膀前缘，31、32为翅脉，33为翅膜，34为翅膀根部。

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、图2、图3所示，一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，包括：一个压电驱动器1，一传动机构2，机身3，两个翅膀4、5，两个被动扭转铰链6、7，以及辅助结构8、9、10、11，其中：

所述传动机构2与所述机身3一体化成型，从而避免了微尺度下传动机构2与机身3之间的装配，降低了装配误差，保证了传动机构2特征尺寸的准确性；所述压电驱动器1通过压电驱动器尾端12固定在机身3上，压电驱动器1通过压电驱动器头部13与传动机构2上设置的方孔14相连；被动扭转铰链6、7的一端分别与翅膀4、5固结，被动扭转铰链6、7的另一端固结于传动机构2；辅助结构8、9、10、11用于将机身3固定，从而为整个所述微飞行器提供支撑。

所述微飞行器以所述压电驱动器1作为动力装置，所述压电驱动器1往复上下振动，所述传动机构2将所述压电驱动器1的微小振动位移放大，转化为两个翅膀4、5的往复拍打运动；通过控制所述压电驱动器1的驱动电压和频率，调节两个翅膀4、5的拍打幅值和拍打频率，且两个翅膀4、5由一个所述压电驱动器1控制，实现对称的拍打动作；微飞行器在***共振频率下工作，实现克服自身重力起飞。

作为一优选实施方式，所述传动机构2采用平面四连杆结构15，平面四连杆结构15的铰链采用柔性铰链16。

作为一优选实施方式，所述被动扭转铰链6、7分别采用柔性铰链17、18。

如图4所示，为所述压电驱动器1的正等轴测图。所述压电驱动器1为双晶片压电驱动器，以两片压电陶瓷19、20作为变形层、一层碳纤维21作为电极层、四层玻璃纤维22、23、24、25作为结构层和绝缘层，其中：所述变形层分布于压电驱动器1中部的上下层；所述电极层分布于压电驱动器1的中间层；所述结构层和绝缘层分布于压电驱动器1的头部和尾端，用于承载和与机身3绝缘。由于碳纤维21和玻璃纤维22、23、24、25本身含有环氧树脂胶，在高温高压作用下可将两片压电陶瓷19、20、一层碳纤维21、四层玻璃纤维22、23、24、25的七层材料粘接在一起。

压电驱动器尾端12设有两个定位孔26，用于与机身3装配；压电驱动器头部13比较纤细，压电驱动器头部13***到传动机构2的方孔14中，从而实现与传动机构2的连接；所述压电驱动器尾端12和压电驱动器头部13均采用玻璃纤维材料，起到支撑和电隔离的作用。

作为一优选实施方式，所述压电驱动器1中：

所述压电陶瓷19、20，即变形层采用PZT-5H(PbZrTiO₃)材料；

所述碳纤维21，即电极层采用40微米厚的高模量碳纤维预浸料；

所述玻璃纤维22、23、24、25，即结构层和绝缘层采用120微米厚的高模量玻璃纤维预浸料。

如图5所示，为本实施例所述柔性铰链的剖视图。所述柔性铰链16、17、18均由“碳纤维27-柔性薄膜28-碳纤维29”的三明治结构组成，其中：

碳纤维27、29作为刚性结构层，柔性薄膜28作为柔性变形层。

作为一优选实施方式，所述碳纤维27、29采用60微米或者80微米厚的高模量碳纤维预浸料；所述柔性薄膜28采用7.5微米厚的聚酰亚胺膜。

如图6所示，为本实施例所述右翅膀的主视图(左翅膀4与右翅膀5结构对称)。所述翅膀4、5均由翅膀前缘30、翅脉31、32和翅膜33三个部分组成，所述翅膜33粘贴在所述翅膀前缘30和所述翅脉31、32之上；其中：

所述翅膀前缘30和所述翅脉31、32均采用高模量的碳纤维材料，且走向均沿碳纤维的纤维方向；所述翅膜33采用超薄的高分子膜。

作为一优选实施方式，所述翅膀4、5中：

翅膀前缘30和翅脉31、32均采用60微米厚的高模量碳纤维预浸料；

翅膜33采用1.5微米厚的聚酯膜材料。

所述翅膀4、5的重量均小于1毫克。

本实施例中，所述翅膀4、5通过翅膀根部34分别与被动扭转铰链6、7连接。

***运作时，接入一定频率和幅值的正弦偏置信号，由双通道压电陶瓷驱动电源对信号进行功率放大，使得压电驱动器1产生机械振动；通过调整信号的幅值调整翅膀4、5的拍打幅度，通过调整信号的频率找到***的共振频率点，此时***发生共振，翅膀4、5拍打幅值可达到最大值；翅膀4、5高速拍打的同时，在被动扭转铰链6、7的作用下，翅膀4、5发生扭转运动，产生飞行所需要的升力。

本实施例所述微飞行器的体积和重量都非常接近真实的飞行昆虫(翼展小于5cm，整机重量小于1g)；压电驱动器1工作在共振状态，使得所述微飞行器可以使用较小的能量实现较长的巡航时间；所述微飞行器的翅膀4、5可以实现高频率大幅度的往复拍打运动，同时还能实现扭转运动，从而大幅度提高气动升力。

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 (8)

1.一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，包括：一个压电驱动器，包含机身的传动机构，两个翅膀，两个被动扭转铰链，以及辅助结构；其中：

所述传动机构与所述机身一体化成型，所述压电驱动器的尾端固定在所述机身上，所述压电驱动器的头部与所述传动机构相连，两个所述被动扭转铰链的一端分别与所述翅膀的根部固结，两个所述被动扭转铰链的另一端与所述传动机构固结；所述辅助结构用于将机身固定，为整个微飞行器提供支撑；

所述微飞行器以所述压电驱动器作为动力装置，所述压电驱动器往复上下振动，所述传动机构将所述压电驱动器的微小振动位移放大，转化为两个翅膀的往复拍打运动；通过控制所述压电驱动器的驱动电压和频率，调节两个翅膀的拍打幅值和拍打频率，且两个翅膀由一个所述压电驱动器控制，实现对称的拍打动作；微飞行器在***共振频率下工作，实现克服自身重力起飞；

所述的压电驱动器采用双晶片压电驱动器；压电驱动器以两片压电陶瓷作为变形层、一层碳纤维作为电极层、四层玻璃纤维作为结构层和绝缘层，其中：变形层分布于压电驱动器中部的上、下层；电极层分布于压电驱动器的中间层；结构层和绝缘层分布于压电驱动器的头部和尾端，用于承载及与机身绝缘；且电极层、结构层和绝缘层的本身含有环氧树脂胶，在高温高压作用下实现将变形层、电极层、结构层和绝缘层的七层材料粘接在一起；

所述的传动机构采用平面四连杆结构，平面四连杆结构包括连杆和铰链，其中：连杆由碳纤维材料构成；铰链采用柔性铰链，柔性铰链由“碳纤维-柔性薄膜-碳纤维”的三明治结构组成。

2.根据权利要求1所述的一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，所述的压电驱动器的尾部设有两个定位孔，用于与机身装配；所述的压电驱动器的头部纤细，用于***到传动机构上设置的方形槽中。

3.根据权利要求2所述的一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，所述的压电驱动器的尾部和压电驱动器的头部均采用玻璃纤维材料，起到支撑和电隔离的作用；所述的压电驱动器的中间为采用碳纤维材料的导电层。

4.根据权利要求1所述的一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，接入一正弦偏置信号，由双通道压电陶瓷驱动电源对信号进行功率放大，使得压电驱动器产生机械振动；通过调整信号的幅值调整翅膀的拍打幅度，通过调整信号的频率找到***的共振频率点，此时***发生共振，翅膀拍打幅值达到最大值；翅膀高速拍打的同时，所述的翅膀的根部通过被动扭转铰链与传动机构相连，在气动力和惯性力的作用下，两个翅膀在两个被动扭转铰链的帮助下实现扭转运动，从而产生飞行所需要的升力。

5.根据权利要求4所述的一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，所述的翅膀为一种仿昆虫的人工翅膀，由翅膀前缘、翅脉和翅膜三个部分组成，翅膜粘贴在翅膀前缘和翅脉上；其中：所述翅膀前缘和翅脉均采用高模量的碳纤维材料，用于提高所述翅膀的强度和刚度；所述翅膜采用超薄的高分子膜，以降低所述翅膀的重量。

6.根据权利要求5所述的一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，所述的翅膀前缘和翅脉的布置均沿碳纤维的纤维方向，从而大大提高所述翅膀在各个方向的刚度和强度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，所述的被动扭转铰链采用柔性铰链，由“碳纤维-柔性薄膜-碳纤维”的三明治结构组成。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器，其特征在于，所述的微飞行器尺寸属于昆虫尺度，微飞行器的翼展小于5 cm，微飞行器的整机重量小于1g。