一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器制造技术

一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器，包括：胸腔骨架、排梁结构、翅膀、电极、机身、电源及配套电路、脚支架；胸腔骨架用于支撑排梁结构和电极；排梁结构由多个导电微梁并排组成，其两端各粘帖一个翅膀后构成扑翼结构；扑翼结构在胸腔骨架中呈双端简支状态，位于两电极之间，并与电极保持平行；胸腔骨架下方连接机身，机身上集成有电池及配套电路；所述电源及配套电路为两电极提供可调直流电压；机身下方连接脚支架，脚支架作为飞行器的天线和平衡装置。本发明专利技术结构简单，重量轻，更容易微型化；且本发明专利技术的能量转化效率较高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器，包括：胸腔骨架、排梁结构、翅膀、电极、机身、电源及配套电路、脚支架；胸腔骨架用于支撑排梁结构和电极；排梁结构由多个导电微梁并排组成，其两端各粘帖一个翅膀后构成扑翼结构；扑翼结构在胸腔骨架中呈双端简支状态，位于两电极之间，并与电极保持平行；胸腔骨架下方连接机身，机身上集成有电池及配套电路；所述电源及配套电路为两电极提供可调直流电压；机身下方连接脚支架，脚支架作为飞行器的天线和平衡装置。本专利技术结构简单，重量轻，更容易微型化；且本专利技术的能量转化效率较高。【专利说明】—种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器
本专利技术涉及的是一种微机电
与微型飞行器
相结合的装置，具体是一种基于静电场中结构的自激振动原理、采用直流电压驱动的微型扑翼飞行器。
技术介绍
采用扑翼飞行方式的微型飞行器，比固定翼和旋翼的气动效率高，机动性好，更容易实现快速起飞、加速、悬停等功能，适合在丛林、街道、室内等狭小空间内执行任务。扑翼飞行器的机动性、续航时间等重要飞行指标和其采用何种驱动系统密切相关，因此，对扑翼飞行器驱动系统的探索、研究和发展一直是学术界、工业界关注的热点问题。扑翼飞行器的驱动系统一般由驱动器、传动机构、翅膀三部分组成。随着微纳米加工技术的进步，飞行器的体积逐步缩小，其扑翼运动的方式更接近昆虫，驱动器选择也在发生变化。体积偏大的飞行器，尚可以采用技术成熟、输出旋转运动的电机作为驱动器，再通过传动机构将旋转运动转换为带一定轨迹的往复振动(比如申请号为200810008165.8的中国专利技术专利)。然而随着体积的减小，电机的性能以及传动机构的效率因尺度效应而急剧下降。目前，昆虫尺寸量级的扑翼飞行器(翼展小于5cm)多采用基于新型驱动原理的直线型微驱动器，如压电陶瓷驱动器、电磁驱动等(比如申请号为201010289254.1和申请号为201310167268.X的中国专利技术专利)。昆虫尺寸量级的扑翼飞行器，主要用于在室内、洞穴等狭窄空间执行任务，需要完成各种机动动作，且可携带能源有限，这就要求微驱动器应该具有较大的输出功率以及能量转换效率。目前，直线型微驱动原理主要包括热驱动、形状记忆合金(SMA)驱动、静电驱动、人造肌肉驱动、压电陶瓷驱动等。其中，热驱动和SMA驱动的驱动速度很慢，远达不到昆虫几十甚至几百赫兹的振翅频率，且能量转换效率极低，不适合用作扑翼飞行器；静电驱动的驱动位移和驱动力都很小，人造肌肉驱动的配套系统重量很大，导致二者产生的升力都远不能克服自身结构的重量，只适用于对推重比要求不高的爬行机械；压电陶瓷驱动的总体性能较为均衡，是现阶段最热门的微扑翼驱动原理。2013年，哈弗大学的Wood等人发表在 SCIENCE 杂志上的 “Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-ScaleRobot”报道了一种基于压电驱动的昆虫尺寸量级的微型扑翼飞行器，并首次实现了可控飞行。该飞行器的不足在于，其高压交流电源和控制电路由于结构复杂且重量大，无法集成在机身上而只能外置，从而导致扑翼飞行所需的能量和控制信号只能通过细铜线传导至飞行器上，即仅能实现风筝般的吊线飞行。根据目前的技术条件，要使上述基于压电驱动原理的扑翼飞行器实现携带电源及控制电路的长航时自由飞行，难度非常大，主要有以下两点原因:(I)压电陶瓷的能量转换效率低。扑翼飞行器所涉及的能量转化过程主要有三个阶段，包括:存储的电能I驱动器的机械能；驱动器的机械能I翅膀的机械能；翅膀的机械能I飞行器的机械能。各阶段的能量转化效率依次取决于:驱动器的能量转换效率；传动机构的传动效率；扑翼运动的气动效率。而由于工作原理限制，压电陶瓷驱动器的电-机械能量转换效率仅有10% — 30%，导致飞行器整体的能量转换效率很低。(2)结构复杂。压电陶瓷在上百伏的交流电压的激励下，也仅能输出幅值很小的直线运动(通常仅有几百微米)。而要产生高升力，需要进行大幅度的复杂扑翼运动，具体表现为翅膀在变换扑动方向时的弦向扭转，以及翼尖的8字形或椭圆形运动轨迹。因此，必须额外地配备交流发生与放大器、位移传感器、反馈电路以及位移放大结构(通常是四连杆机构)，以使整个扑翼结构始终处于大幅值的“受迫共振”状态，并实现翅膀复杂的运动轨迹。然而，上述复杂的配套系统，除了重量很大以外，还要消耗更多的能量，导致整个驱动系统的推重比和能量转换效率进一步降低。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题:克服现有技术的不足，提供一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器，其采用静电力作为驱动力，因此电-机械能量转换效率很高；且结构简单，易于进一步微型化。本专利技术的技术解决方案:本专利技术的基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器，具体包括:胸腔骨架，排梁结构，翅膀，电极，机身，电源及配套电路，脚支架。其中，胸腔骨架包括有两个带孔支撑梁和两个电极支架，分别用于支撑排梁结构和电极；排梁结构由多个导电微梁并排连接组成，其两端各粘帖一个翅膀后构成扑翼结构；扑翼结构的两端分别伸入所述两个带孔支撑梁的孔中，呈双端简支状态；两个电极分别安装于所述的两个电极支架上，两个电极将扑翼结构夹在中间，并与扑翼结构保持平行；机身位于胸腔骨架下方，其上集成有电池及配套电路，配套电路的输出端与所述的两个电极相连，为两个电极提供可调直流电压；脚支架位于机身下方，起到平衡作用，并可作为飞行器的天线。当直流电压施加在两电极上后，稳定的静电场会产生于两电极之间，此时所述的双端简支的排梁结构能够在静电场中产生自激振动，同时驱动翅膀实现复杂的三维扑动，与自然界中昆虫的扑翼运动相似。所述胸腔骨架、机身、脚支架的制备材料可以是各种非导电轻质材料，如塑料、轻木等；所述排梁结构的制备材料可以是各种导电材料，如硅、金、铝、铜、形状记忆合金等；所述的翅膀可以由包括聚酯薄膜和聚酰亚胺薄膜在内的薄膜材料经激光切割制成，或者由MEMS加工工艺得到。所述的电极可以由金属化薄膜经激光切割制成，或者通过MEMS加工工艺得到；所述的电池及配套电路通过集成电路技术微型化，并集成在机身上。由于驱动原理和结构十分简单，本专利技术的翼展通常小于5cm，经MEMS工艺微型化后，本专利技术的翼展可以小于Icm甚至1mm。经过理论计算和试验研究，当所述的排梁结构由2-5个圆柱形导电微梁并排连接构成、且导电微梁的长径比(长度与直径之比)为400?800左右、电极间距与导电微梁长度之比为0.05?0.15时，排梁结构能够在没有交流驱动信号的情况下，仅依靠直流电压，通过自身运动状态的反馈作用调节能量输入，始终保持在一阶固有频率附近的振动状态，并带动翅膀进行有轨迹的大幅扑动。从结构动力学角度来讲，所述排梁结构的振动现象属于一种静电场中的“自激振动”。本专利技术与现有技术相比的优点在于:(I)能量转换效率高。如前所述，微型扑翼飞行器的能量转化效率取决于驱动器的电-机械能转换效率、传动机构的传动效率、扑翼运动的气动效率。对于本专利技术，首先，其驱动器是利用电-机械能量转换效率很高(90%左右)的静电力作为驱动力；其次，本专利技术的翅膀直接由驱动器驱动，没有复杂的传动机构，因此传动效率同样很高；另外，本专利技术的扑翼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器，包括：胸腔骨架、排梁结构、翅膀、电极、机身、电源及配套电路、脚支架，其特征在于：所述的胸腔骨架包括有两个带孔支撑梁和两个电极支架；所述的排梁结构由多个导电微梁并排连接组成，其两端分别伸入所述的两个带孔支撑梁，处于双端简支状态；在排梁结构的两端各粘帖一个翅膀后构成扑翼结构；所述的电极有两个，分别安装在所述的两个电极支架上；排梁结构位于两电极之间，并与两电极保持平行；所述的机身位于胸腔骨架下方，其上集成有电池及配套电路；所述的电源及配套电路为两电极提供可调直流电压；所述的脚支架位于机身下方，作为飞行器的天线和平衡装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：闫晓军，漆明净，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：