[发明专利]电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微型飞行器技术领域的装置，具体是电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器。

背景技术

扑翼微飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器。仿鸟和仿昆虫是目前扑翼微飞行器的两种研究模式，仿鸟的飞行器尺寸较大，翅翼振动频率小；仿昆虫尺寸较小，振动频率高。

目前，微型飞行器按飞行方式可以分为固定翼、旋翼和扑翼三类。固定翼微飞行器与旋翼微飞行器是固定翼飞机和旋翼飞机微型化的产物，各有其优点，但它们高能耗、低机动性、低灵活性和稳定性差的缺点也日益凸现出来。纵观自然界的飞行生物，无一例外均采用扑翼的飞行方式，扑翼飞行是生物进化的最优飞行方式。扑翼微飞行器在机动性、稳定性及低能耗等方面可与蜻蜓、蜜蜂或蜂鸟等飞行生物相媲美。于是人们又开始着眼于扑翼飞行器的研究。经过近20年来研究者们的共同努力，扑翼微飞行器在仿生学飞行机理、能源和驱动、运动和控制、通信和传感等方面都取得了很大的进展。

加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学的T.Nick Pornsin-Sirirak等人在2000年发表在NASA/JPL Workshop on Biomorphic Robotics上的“Microbat:A Palm-Sized Electrically Powered Ornithopter”提出了一种微型蝙蝠，它由电池驱动微型电动机，通过齿轮机构、双连杆机构驱动类似蜻蜓的机翼作上下扑动。

目前，国内提出了一些仿昆虫扑翼飞行器的相关设计，但是一般尺寸较大，需要较复杂的传动机构，通常采用传统的机械加工方法，难以达到小尺寸级别。

经过对现有技术的检索发现，公开号为101948008A（申请号：201010289527.2）的中国发明专利申请，该专利申请提供了一种仿昆虫微型扑翼飞行器。但是由于该飞行器的上拍、下拍扇翅运动的完成都是靠柔性横梁的弯曲带动的，而柔性横梁两侧都通过柔性铰链与内侧骨架相连，其实质是一个超静定结构，因此拍打幅值比较小；采用柔性铰链、圆形刚度圈以及翅痣实现被动旋转，大大增加了飞行器的质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种单翅长度小于3cm，基于激光切割等MEMS微加工技术加工的电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，该飞行器采用传统的四连杆传动机构，大大提高了飞行器的传动效率，较小的输入位移就可以获得较大的拍打幅值；通过调整电磁驱动器中永磁体和螺旋线圈的位置，能够使得飞行器的重心和升力中心重合，消除两者不重合带来的翻转效应等负面影响，进而获得更好的飞行稳定性；采用柔性铰链和阻挡块的简单结构，可以在扑动过程中因惯性力和气动力的相互作用获得一定程度的被动扭转；胸腔、背甲以及机体均采用了碳纤维-聚酰亚胺-碳纤维的“三明治”结构，通过激光切割对碳纤维和聚酰亚胺薄膜图形化后，通过真空袋技术将其胶接叠合在一起，再通过折叠装配加工获得，大大提高了装配精度，并且易于实现飞行器的微型化。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电磁驱动式仿昆虫扑翼微飞行器，包括：翅膀、胸腔、背甲、机体、柔性铰链、圆柱形永磁体以及螺旋线圈。其中，两个翅膀分别通过柔性铰链连接在背甲的两端，阻挡块粘结在翅膀上，翅膀、背甲、阻挡块一起形成“阻挡”结构，背甲刚性连接在胸腔上，圆柱形永磁铁粘在胸腔下部的中心位置，螺旋线圈粘在与永磁体正对的机体的上部中心位置，装配时使螺旋线圈和永磁体分别位于翅膀的上下两侧，并使两者轴线重合，这样可以使得整个飞行器的重心与升力中心重合。胸腔固定在机体上。所述胸腔、背甲、柔性铰链和机体构成四连杆机构。

优选地，所述螺旋线圈固定在机体上，提供交变磁场；螺旋线圈内输入方波电流，就会产生交变磁场，当螺旋线圈通入正向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相异，吸引永磁体带动胸腔产生向上的位移，胸腔、背甲和柔性铰链进而带动翅膀向下扑动，当螺旋线圈通入反向电流时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相同，吸引永磁体带动胸腔产生向下的位移，胸腔、背甲和柔性铰链进而带动翅膀向上扑动。

优选地，所述的翅膀包括翅脉和胶粘于翅脉上的翅膜，其中：翅脉和翅膜分别选用碳纤维和聚酰亚胺薄膜，通过MEMS微加工技术得到。

优选地，所述的胸腔、背甲以及机体均采用碳纤维-聚酰亚胺-碳纤维的“三明治”结构，通过激光切割对碳纤维和聚酰亚胺薄膜图形化后，通过真空袋技术将其胶接叠合在一起，再通过折叠装配获得。

优选地，所述的柔性铰链选用聚酰亚胺薄膜，使用激光切割对聚酰亚胺薄膜进行图形化。