專利名稱：雙翼式仿昆飛行器的制作方法
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，具體是一種雙翼式仿昆飛行
O
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。是20世紀(jì)90年代發(fā) 展起來的一種新型飛行器。具有體積小、重量輕、成本低、飛行靈活等特點。仿鳥和仿昆蟲 是目前撲翼微飛行器的兩種研究模式，仿鳥的飛行器尺寸較大，翅翼振動頻率小；仿昆蟲尺 寸較小，振動頻率高。研究撲翼微飛行器的目標(biāo)是盡可能縮小撲翼微飛行器的尺寸。目前，微型飛行器按飛行方式可以分為固定翼、旋翼和撲翼三類。當(dāng)翼展小于15cm 時，撲翼式飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優(yōu)勢，可微化程度高、隱蔽性好、飛行機動性高。 國外在撲翼式微飛行器的研究方面已做出了相關(guān)成果。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，Pornsin-Sirirak,T. N.，Tai，Y. C. &Kennon， Μ. (2001)Microbat :A Palm-Sized Electrically Powered Ornithopter. In Proceedings of NASA/JPL Workshop on Biomorphic Robotics。美國加州理工與加州大學(xué)以及航境公 司以微電機作為動力源，通過低摩擦輕型傳動機構(gòu)傳遞能量，研制出攜帶有一臺微型攝像 機或聲音傳感器，并借助無線電遙控飛行的微蝙蝠。但其尺寸大，需要較復(fù)雜的傳動機構(gòu)， 能耗比較大。

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，提供一種雙翼式仿昆飛行器，該飛行器的 每個翅膀由一個電磁驅(qū)動器采用電磁力直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便靈活，改變激勵脈沖 的頻率、時序和幅值，可以改變驅(qū)動力的變化頻率和作用方向，飛行器的主體結(jié)構(gòu)采用MEMS 工藝加工，易于實現(xiàn)飛行器的微型化。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括四個翅膀及其對應(yīng)的永磁體、螺 旋線圈和鐵芯、控制模塊、機體、四個背甲及其對應(yīng)的L形胸腔和柔性鉸鏈，其中四個翅膀 分別粘接于四個背甲的B端，螺旋線圈和鐵芯粘接于沿D端的L形胸腔表面，四個永磁體分 別粘接于螺旋線圈和鐵芯正對的背甲的表面，永磁體、鐵芯和螺旋線圈三者的軸線重合，四 個L形胸腔對稱固定設(shè)置于機體內(nèi)，柔性鉸鏈分別與L形胸腔和背甲相連，控制模塊安裝于 機體中心并分別與四個螺旋線圈相連接。所述的背甲、機體以及L形胸腔均為MEMS微加工方法以碳纖維為材料制成，具體 采用激光加工，選用不同厚度的碳纖維布，將其切割成背甲、機體和胸腔的形狀。所述的柔性鉸鏈為MEMS甩膠技術(shù)以聚酰亞胺為材料制成；具體通過在硅基體上 的犧牲層上甩聚酰亞胺，在聚酰亞胺層上甩SU8膠，光刻，RIE處理加工出矩形的柔性鉸鏈。所述的翅膀包括翅脈和設(shè)置于翅脈上的翅膜。所述的翅脈為MEMS微加工方法以SU8膠為材料制成，翅膜為PARYLENE沉積工藝得到。具體通過甩膠、光刻、顯影得到SU-8材料的翅脈結(jié)構(gòu)，將parylene-c材料沉積到翅 脈上形成翅膜，去除犧牲層后獲得完整的翅膀結(jié)構(gòu)。所述的控制模塊包括電源、控制芯片和驅(qū)動電路，其中控制芯片位于控制模塊 的中心，四個驅(qū)動電路對稱的分布在控制模塊的四個頂角，電源位于兩個相鄰驅(qū)動電路之 間并靠近控制芯片的電源電壓引線位置，電源與控制芯片的電源引線端相連，控制芯片產(chǎn) 生四路的方波脈沖信號并分別輸出至四個驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路放大各自方波信號 并各自輸出至對應(yīng)的螺旋線圈。所述的螺旋線圈的中心內(nèi)部設(shè)有一個導(dǎo)磁的鐵芯，該鐵芯提高通電線圈的磁場強 度，進而大幅度提高永磁體受到的電磁驅(qū)動力。本發(fā)明的工作原理是采用電磁方式驅(qū)動，仿照蜻蜓的雙翼結(jié)構(gòu)。為增大電磁驅(qū)動 力，永磁體和螺旋線圈構(gòu)成了一個簡單的電磁驅(qū)動器。每個翅膀由一個電磁驅(qū)動器同時驅(qū) 動，螺旋線圈內(nèi)輸入方波脈沖電流，具體為當(dāng)螺旋線圈電流為正向電流，螺旋線圈產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場相異，吸引永 磁體向下運動，由于存在柔性鉸鏈，背甲向下彎曲變形，進而帶動在該背甲上的翅膀向下?lián)?動；當(dāng)螺旋線圈電流為反向電流，螺旋線圈產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場相同，排斥永 磁體向上運動，背甲向上彎曲變形，進而帶動背甲上的翅膀向上撲動。四個翅膀的撲動方式 可以通過對與其連接的螺旋線圈電流的改變進行單獨的控制，簡單而且方便。雙翼式撲翼微飛行器需要設(shè)定一個初始的攻角，電磁驅(qū)動力及永磁體的重力對背 甲的施加位置將使背甲扭轉(zhuǎn)，可以使翅膀產(chǎn)生一定的攻角；同時翅膀向下?lián)鋭舆^程中翅脈 產(chǎn)生柔性變形，翅膀也可產(chǎn)生一定的被動扭轉(zhuǎn)，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，具有如下優(yōu)點翅膀飛行器結(jié)構(gòu)仿照蜻蜓的雙 翅結(jié)構(gòu)設(shè)計成雙翼，有助于提高升力和推力；使用MEMS微加工技術(shù)，實現(xiàn)的尺寸更小；翅膀 的頻率可以在比較大的范圍變化，控制簡單方便；電磁驅(qū)動，不需要很大的電源電壓，易實 現(xiàn)自身攜帶電源；控制電路簡單，易實現(xiàn)控制集成微小化；利用永磁體和背甲的安裝位置 和材料的選擇，能夠比較簡單的滿足雙翼在翅膀過程中拍動和扭轉(zhuǎn)動作要求；四個翅膀分 別用一個電磁驅(qū)動器控制，易協(xié)調(diào)各個翅膀撲動方式；機械結(jié)構(gòu)比較簡單，加工容易，有利 于實現(xiàn)整體微型化。


圖1為本發(fā)明整體軸測圖。圖2為本發(fā)明前半部分軸測圖。圖3為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)軸測圖。圖4為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)主視圖。圖5為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)左視圖。圖6為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)俯視圖。圖7為翅膀的主視圖。圖8為控制模塊示意。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1-6所示，本實施例包括四個翅膀1及其對應(yīng)的永磁體2、鐵芯3和螺旋線 圈4、控制模塊5、機體6、四個背甲7及其對應(yīng)的L形胸腔8和柔性鉸鏈9，其中四個翅膀 1分別粘接于四個背甲7的B端，螺旋線圈4和鐵芯3粘接于沿D端的L形胸腔8表面，四 個永磁體2分別粘接于螺旋線圈4和鐵芯3正對的背甲7的表面，永磁體2、鐵芯3和螺旋 線圈4三者的軸線重合，四個L形胸腔8固定設(shè)置于機體6內(nèi)，對稱分布在機體6矩形區(qū)四 個直角的位置，控制模塊4安裝于機體中心靠前位置并與螺旋線圈4相連。所述的機體6、背甲7以及L形胸腔8均為MEMS微加工方法以碳纖維為材料制成。 采用激光加工，選用不同厚度的碳纖維布，將其切割成機體6、背甲7和胸腔8的形狀。所述的柔性鉸鏈9為MEMS甩膠技術(shù)以聚酰亞胺為材料制成。在硅基體上的犧牲 層上甩聚酰亞胺，在聚酰亞胺層上甩SU8膠，光刻，經(jīng)過RIE處理加工成柔性鉸鏈9。如圖7所示，所述的翅膀1包括翅脈10和翅膜11，翅膜11設(shè)置于翅脈10表面。所述的翅脈10為MEMS微加工方法以SU8膠為材料制成，翅膜11為PARYLENE沉 積工藝得到。甩膠、光刻、顯影得到SU-8材料的翅脈10結(jié)構(gòu)，將parylene-c材料沉積到翅 脈10上形成翅膜11，去除犧牲層，最終獲得具有翅脈10和翅膜11的翅膀1。如圖8所示，所述的控制模塊5包括電源12、控制芯片13、四個驅(qū)動電路14，其 中控制芯片13位于控制模塊的中心，四個驅(qū)動電路14對稱的分布在控制模塊13的四個 邊角的位置，電源12位于兩個相鄰驅(qū)動電路之間并靠近控制芯片13的電源電壓引線位置， 電源12與控制芯片13的電源引線端相連，控制芯片13產(chǎn)生四路的方波脈沖信號并分別輸 出至四個驅(qū)動電路14的輸入端，驅(qū)動電路14放大各自方波信號并各自輸出至對應(yīng)的螺旋 線圈4。本裝置的結(jié)構(gòu)仿照蜻蜓的雙翅結(jié)構(gòu)，易助于提高雙翼式撲翼微飛行器飛行時的升 力和推力。本裝置的每一個翅膀分別由一個電磁驅(qū)動器控制，在飛行過程中，可以方便地控 制前對翅膀和后對翅膀之間撲動的相位差，以最大程度滿足飛行器的飛行需要，還可以調(diào) 節(jié)左對翅膀與右對翅膀之間的撲動關(guān)系，以實現(xiàn)雙翼式撲翼微飛行器的轉(zhuǎn)彎動作。本裝置 設(shè)計需要一個攻角，可以利用電磁驅(qū)動力及永磁體的重力對背甲力的施加位置實現(xiàn)。本裝 置的組件結(jié)構(gòu)簡單，相同結(jié)構(gòu)的組件較多，容易利用MEMS微加工方法批量完成。本裝置采 用電磁力直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，電磁驅(qū)動的控制電路簡單，容易達(dá)到電路的集成化，同時電 磁驅(qū)動控制信號為方波，簡單易實現(xiàn)，可按飛行要求改變方波脈沖的頻率、時序和幅值。
權(quán)利要求
一種雙翼式仿昆飛行器，其特征在于，包括四個翅膀及其對應(yīng)的永磁體和螺旋線圈、控制模塊、機體、四個背甲及其對應(yīng)的L形胸腔和柔性鉸鏈，其中四個翅膀分別粘接于四個背甲的B端，螺旋線圈和鐵芯粘接于沿D端的L形胸腔表面，四個永磁體分別粘接于螺旋線圈和鐵芯正對的背甲的表面，永磁體、鐵芯和螺旋線圈三者的軸線重合，四個L形胸腔固定設(shè)置于機體內(nèi)，柔性鉸鏈分別與L形胸腔和背甲相連，控制模塊安裝于機體中心并分別與四個螺旋線圈相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙翼式仿昆飛行器，其特征是，所述的背甲、機體以及L形胸 腔均為MEMS微加工方法以碳纖維為材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙翼式仿昆飛行器，其特征是，所述的柔性鉸鏈材料為MEMS 甩膠技術(shù)以聚酰亞胺為材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙翼式仿昆飛行器，其特征是，所述的翅膀包括翅脈和設(shè)置 于翅脈上的翅膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙翼式仿昆飛行器，其特征是，所述的翅脈為MEMS微加工方 法以SU8膠為材料制成，翅膜為PARYLENE沉積工藝得到。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙翼式仿昆飛行器，其特征是，所述的控制模塊包括電源、 控制芯片和驅(qū)動電路，其中控制芯片位于控制模塊的中心，四個驅(qū)動電路對稱的分布在 控制模塊的四個頂角，電源位于兩個相鄰驅(qū)動電路之間并靠近控制芯片的電源電壓引線位 置，電源與控制芯片的電源引線端相連，控制芯片產(chǎn)生四路的方波脈沖信號并分別輸出至 四個驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路放大各自方波信號并各自輸出至對應(yīng)的螺旋線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙翼式仿昆飛行器，其特征是，所述的螺旋線圈的中心內(nèi)部 設(shè)有一個導(dǎo)磁的鐵芯。
全文摘要
一種微型飛行器技術(shù)領(lǐng)域的雙翼式仿昆飛行器，包括四個翅膀及其對應(yīng)的永磁體和螺旋線圈、控制模塊、機體、四個背甲及其對應(yīng)的L形胸腔和柔性鉸鏈，四個翅膀分別粘接于四個背甲的B端，螺旋線圈和鐵芯粘接于沿D端的L形胸腔表面，四個永磁體分別粘接于螺旋線圈和鐵芯正對的背甲的表面，永磁體、鐵芯和螺旋線圈三者的軸線重合，四個L形胸腔固定設(shè)置于機體內(nèi)，柔性鉸鏈分別與L形胸腔和背甲相連，控制模塊安裝于機體中心并分別與四個螺旋線圈相連接。本發(fā)明每個翅膀由一個電磁驅(qū)動器采用電磁力直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便靈活，改變激勵脈沖的頻率、時序和幅值，可以改變驅(qū)動力的變化頻率和作用方向，飛行器的主體結(jié)構(gòu)采用MEMS工藝加工，易于實現(xiàn)飛行器的微型化。
文檔編號A63H27/28GK101947389SQ201010503078
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者劉武, 吳校生, 孟坤, 崔峰, 張衛(wèi)平, 李洪誼, 遲鵬程, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)