CN207267531U - 一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，包括四个螺旋桨、四个转子机构、四个环形构件和四个贴片式压电换能器。四个环形构件与四个贴片式压电换能器呈正方形排布并制成一个整体。环形构件位于四个顶点，贴片式压电换能器位于四条边上，且贴片式压电换能器的中轴线穿过相邻两个环形构件的圆心。贴片式压电换能器由两片压电陶瓷片设置在一个变截面梁的前后表面构成。转子机构以一定预压力与环形构件的内圈接触。本实用新型通过激励压电换能器使每个圆环产生整体的类圆形运动，并通过摩擦作用带动转子机构与螺旋桨转动。两条对角线上的圆环运动轨迹分别为顺时针和逆时针，从而实现平衡扭矩并提供升力的目的。

Description

一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置

技术领域：

本实用新型涉及一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，属于压电作动技术领域。

背景技术：

四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，其结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩，而不需要专门的反扭矩桨。在执行近地面环境(如室内、城区和丛林等)的监视、侦察等任务时，四旋翼飞行器有其特有的优势。压电驱动本身具有体积小、质量轻、响应迅速、结构紧凑、无电磁干扰等良好的特点，很好的符合了微小型四旋翼飞行器对于微机电***(MEMS)中作动器的要求。将两者结合后四旋翼的结构会被简化，响应速度得到加快，可以获得更大的理论升力，续航能力也会有所提升，更容易达到高效的动力输出状态，为四旋翼完成更多样的飞行任务提供可能。

实用新型内容：

本实用新型为了解决现有技术的问题，提供一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，具有结构紧凑、结构形式简单灵活、升力重量比大、操纵性好等优点。

本实用新型采用如下技术方案：一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，包括螺旋桨、转子机构、环形构件和贴片式压电换能器，所述环形构件为刚性圆环，所述转子机构由设置有圆台的螺纹轴、开有通孔的锥形块、弹簧和螺母构成，螺纹轴穿过环形构件和锥形块上的通孔，使圆台接触环形构件内圈上部，锥形块接触环形构件内圈下部，所述弹簧设置于锥形块下方，所述螺旋桨的下部开有内螺纹盲孔，螺旋桨通过内螺纹盲孔与螺纹轴的上端通过螺纹相连，所述贴片式压电换能器由变截面梁和设置于变截面梁的前后表面上的压电陶瓷片组成。

进一步地，所述螺旋桨为自紧桨。

进一步地，所述螺旋桨、转子机构、环形构件和贴片式压电换能器的个数分别为四个，四个环形构件与四个贴片式压电换能器呈正方形排布并制成一个整体，所述环形构件位于四个顶点，贴片式压电换能器位于四条边上，所述贴片式压电换能器的中轴线穿过相邻两个环形构件的圆心。

进一步地，所述变截面梁与环形构件连接处截面积最小。

本实用新型还采用如下技术方案：一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置的工作方法，包括如下步骤：

(1).向与同一个环形构件相连的两个贴片式压电换能器分别施加两相具有π/2相位差的电信号，使这两个贴片式压电换能器产生在时间上具有90°相位差的同阶纵向振动，所述环形构件内圈的质点做微幅类圆运动，通过摩擦作用驱动与其接触的转子机构转动；

(2).相邻两个环形构件与共用的贴片式压电换能器的接触位置在空间上具有180°相位差，相邻两个环形构件的微幅类圆运动轨迹相反，一组对角线上的环形构件逆时针微幅运动，与这两个环形构件接触的转子机构上设置正桨螺旋桨；另一组对角线上的环形构件顺时针微幅运动，与这两个环形构件接触的转子机构上设置反桨螺旋桨，以实现平衡扭矩并提供升力。

本实用新型具有如下有益效果：本实用新型设计的贴片式压电驱动四旋翼飞行装置结构紧凑、易于装夹、噪音小，其中贴片式压电换能器结构形式简单灵活、简化整体结构、容易实现小型化。作为一种四旋翼飞行装置本身具有良好的对称性，通过自身结构平衡扭矩，便于实现旋翼的控制。

附图说明：

图1是本实用新型贴片式压电驱动四旋翼飞行装置的结构示意图。

图2是转子机构结构示意图。

图3(a)是贴片式压电换能器结构俯视图。

图3(b)是贴片式压电换能器结构主视图。

图4是压电陶瓷片极化的结构示意图。

图5是单个环形构件上两个纵向振动叠加的振动模态示意图。

图6是环形构件内表面质点的运动轨迹示意图。

图7是贴片式压电驱动四旋翼飞行装置的工作状态示意图。

其中：

1：螺旋桨；2：转子机构；2-1：螺纹轴；2-2：锥形块；2-3：弹簧；2-4：螺母；3：环形构件；4：贴片式压电换能器；4-1：变截面梁；4-2：压电陶瓷片。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型提供的贴片式压电驱动四旋翼飞行装置包括四个螺旋桨1、四个转子机构2、四个环形构件3和四个贴片式压电换能器4，螺旋桨1为自紧桨，下部开有一个内螺纹盲孔，螺旋桨1通过内螺纹盲孔与螺纹轴2-1的上端通过螺纹相连。贴片式压电换能器4由一根变截面梁4-1和两片压电陶瓷片4-2构成，两片压电陶瓷片4-2分别设置在变截面梁4-1的前后表面上，如图1所示。环形构件3为刚性圆环，四个环形构件 3与四个贴片式压电换能器4呈正方形排布并制成一个整体。环形构件3位于四个顶点，贴片式压电换能器4位于四条边上，且贴片式压电换能器4的中轴线穿过相邻两个环形构件3的圆心。变截面梁4-1与环形构件3连接处截面积最小，用于放大振幅。

转子机构2由设置有圆台的螺纹轴2-1、开有通孔的锥形块2-2、弹簧2-3和螺母2-4构成，螺纹轴2-1穿过环形构件3和锥形块2-2上的通孔，使圆台接触环形构件3内圈上部，锥形块2-2接触环形构件3内圈下部；弹簧2-3设置于锥形块2-2下方，通过调节弹簧2-3下方的螺母2-4可以调节转子机构2与环形构件3之间的预压力，如图2所示。

安装状态下，环形构件3与转子机构2间无间隙。环形构件3振动时，其作用于锥形块2-2的力在轴向的分量使弹簧2-3进一步压缩，环形构件3和锥形块2-2在垂直方向之间出现间隙。在转子机构2工作过程中，环形构件内圈与锥形块2-2在水平方向依旧保持接触，内圈与锥形块的实际接触仍然是一个圆，即接触圆，接触圆的半径由环形构件的椭圆运动振幅和弹簧2-3的刚度确定。

贴片式压电换能器4的主体是一根变截面梁4-1，在横截面积最大处的前后表面通过环氧树脂胶对称地粘贴一对纵振压电陶瓷片4-2，每根变截面梁4-1左右与环形构件3 连接处的截面积最小，根据变幅杆放大振幅和振速的原理，此设计用于放大两个环形构件部分的振幅，如图3(a)、3(b)所示。所有压电陶瓷片4-2的极化方向相同，在厚度方向极化，如图4所示。对飞行装置不相邻的两组压电陶瓷片4-2分别施加两相具有π/2相位差的同频电信号。

以施加的第一电信号为正弦信号，第二电信号为余弦信号为例，为了获取较大的振速，所激励的纵向振动都是一阶纵振。如图5所示，以单个环形构件为对象，激励与之相连的两个贴片式压电换能器4产生在时间上具有90°相位差的同频一阶纵振模态，由于两个贴片式压电换能器在空间上具有90°相位差，环形构件3将产生水平方向的位移和垂直方向的位移。在一个周期T中，环形构件3内表面的质点做微幅椭圆运动，当T ∈(0，T/4)时，两个贴片式压电换能器同时伸长，质点的水平位移分量和垂直位移分量同时正向增大；当T∈(T/4，T/2)时，正弦信号的贴片式压电换能器产生的垂直位移分量正向增大，余弦信号的贴片式压电换能器产生的水平位移分量负向增大；当T∈ (T/2，3T/4)时，两个贴片式压电换能器同时缩短，质点的水平位移分量和垂直位移分量同时负向增大；当T∈(3T/4，T)时，正弦信号的贴片式压电换能器产生的垂直位移分量负向增大，余弦信号的贴片式压电换能器产生的水平位移分量正向增大，环形构件3上的质点在一个周期内的位移分量叠加成椭圆轨迹。如图6所示。理想的振型是贴片式压电换能器纵向振动，而环形构件不变形，尽可能的利用整***移，转子机构的螺纹轴在摩擦作用下将会产生与上述椭圆轨迹同方向的延圆周方向的绕自身轴旋转的运动。然而，环形构件是弹性体，在贴片式压电换能器作用下，除了产生整***移外，还会有局部变形。设计的目标是工作频率尽可能远离环形构件的振动模态，使刚性圆环自身的弹性变形尽可能小。

以整个贴片式压电驱动四旋翼飞行装置为对象，由于装置本身为整体的正方形排布，且施加在不相邻的贴片式压电换能器上的电信号完全相同，因此整个机构对角线上的两个螺旋桨为同向旋翼，任意相邻的两个螺旋桨为反向旋翼，如图7所示，此种结构正好用于克服旋翼本身的反作用扭矩。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，其特征在于：包括螺旋桨(1)、转子机构(2)、环形构件(3)和贴片式压电换能器(4)，所述环形构件(3)为刚性圆环，所述转子机构(2)由设置有圆台的螺纹轴(2-1)、开有通孔的锥形块(2-2)、弹簧(2-3)和螺母(2-4)构成，螺纹轴(2-1)穿过环形构件(3)和锥形块(2-2)上的通孔，使圆台接触环形构件(3)内圈上部，锥形块(2-2)接触环形构件(3)内圈下部，所述弹簧(2-3)设置于锥形块(2-2)下方，所述螺旋桨(1)的下部开有内螺纹盲孔，螺旋桨(1)通过内螺纹盲孔与螺纹轴(2-1)的上端通过螺纹相连，所述贴片式压电换能器(4)由变截面梁(4-1)和设置于变截面梁(4-1)的前后表面上的压电陶瓷片(4-2)组成。

2.如权利要求1所述的贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，其特征在于：所述螺旋桨(1)为自紧桨。

3.如权利要求1所述的贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，其特征在于：所述螺旋桨(1)、转子机构(2)、环形构件(3)和贴片式压电换能器(4)的个数分别为四个，四个环形构件(3)与四个贴片式压电换能器(4)呈正方形排布并制成一个整体，所述环形构件(3)位于四个顶点，贴片式压电换能器(4)位于四条边上，所述贴片式压电换能器(4)的中轴线穿过相邻两个环形构件(3)的圆心。

4.如权利要求1所述的贴片式压电驱动四旋翼飞行装置，其特征在于：所述变截面梁(4-1)与环形构件(3)连接处截面积最小。