一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器

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。本发明结构简单，重量轻，更容易微型化；且本发明的能量转化效率较高。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域与微型飞行器技术领域相结合的装置，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。

背景技术

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的中国发 明专利）。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的中国发明专利）。

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-Scale Robot”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：（1）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：存储的电能驱动器的机械能； 驱动器的机械能翅膀的机械能；翅膀的机械能飞行器的机械能。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。

发明内容

本发明解决的技术问题：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。

本发明的技术解决方案：本发明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，本发明的翼展通常小于5cm，经MEMS工艺微型化后， 本发明的翼展可以小于1cm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”。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）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。对于本发明，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，本发明的翅 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，本发明的扑翼 结构能够实现大幅值的复杂三维扑动，与真实飞行昆虫相似，气动效率也较高。

（2）结构简单。本发明提供的基于结构静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器，其中排 梁结构在静电场中的自激振动频率始终保持在一阶固有频率附近，且能够自动跟随一阶固有 频率的变化而变化，不需要任何复杂的交流发生和频率跟随装置。另一方面，排梁结构的自 激振动可以直接驱动扑翼进行大幅度的扑翼运动，而不需要额外的位移放大和变换机构。本 发明提出的简单驱动原理和结构，在降低驱动器重量、提高推重比的同时，也有利于飞行器 的进一步微型化。理论上，利用现有的MEMS加工工艺，本发明的翼展可以小于1cm甚至 1mm。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴测图；

图2为本发明的胸腔骨架轴测图；

图3为本发明的胸腔骨架、排梁结构以及电极整体配合的前视图（剖视）；

图4为本发明的胸腔骨架和排梁结构局部配合的轴测图；

图5为本发明工作时排梁结构的振动过程（俯视）与翅膀的拍动过程（右视）。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器的一个实施例 子，包括：胸腔骨架1，排梁结构2，翅膀3，电极4，机身5，配套电路6，电池7，脚支 架8。其中，排梁结构2和翅膀3构成扑翼结构，胸腔骨架1为排梁结构2和电极4提供支 撑，下端与机身5相连。机身5上集成有电池7及配套电路6，配套电路6的输出端为两电 极4提供可调直流电压。机身5下端连接脚支架8，脚支架8可为作为飞行器的天线和平衡 装置。

如图2所示，胸腔骨架1为绝缘体，以防止电极短路，其主要特征包括两个带孔支撑梁 9和两对电极支架10，带孔支撑梁9位于电极支架10正中间，二者保持平行，其中，两个 带孔支撑梁9将排梁结构双端简支，即在排梁结构的两端限制其水平和竖直方向的位移，但 不限制其弯曲和扭转运动。带孔支撑梁9上的两个孔作为排梁结构2的支撑点以及升力的传 递点。电极支架10允许电极绕其轴线旋转，以实现不同的电极夹角和间距，用来改变扑翼 运动的状态。

如图3和图4所示，排梁结构2包括四根长导电微梁平行排列，并用两根短导电微梁 11进行连接与定型，排梁结构2的两个端部粘帖有翅膀3。其中，四根长导电微梁截面可以 是任意形状（由于圆形截面的摩擦和碰撞损耗较小，本实例取圆形），长度30-50mm（本实 例取40mm），直径30-60μm（本实例取60μm），间距0.5-1mm（本实例取0.7mm）。两 根短导电微梁11截面可是任意形状（本实例取圆形），长度3-4mm（本实例取3.5mm），直 径30-60μm（本实例取30μm），间距25-30mm（本实例取27mm）。排梁结构2两端分 别穿过两个带孔支撑梁9，两个孔可以限制排梁结构2在竖直方向的位移，并将翅膀的升力 传导至机身上。排梁结构2在水平方向的位移，则通过短导电微梁11和带孔支撑梁9的配 合来限制（梁长大于孔长）。排梁结构2与翅膀3可采用柔性铰链连接，以加大翅膀3拍动 时的被动扭转，从而改善攻角、提高升力。

本发明的微型扑翼飞行器的驱动原理是：采用直流电压驱动，基于排梁结构2在静电场 中的自激振动，来驱动翅膀进行复杂的大幅扑动，具体为：将电池7及配套电路6产生的可 调直流电压的正、负极分别接在两个电极4上，此时两电极4之间会产生一个稳定静电场； 在该静电场中，排梁结构2因静电感应效应而受到静电力，并克服结构的弹性回复力产生偏 移；当直流电压进一步增大时，静电力和偏移也随之增大，直到弹性回复力无法与静电力保 持平衡时，排梁结构2发生失稳（pull-in）而与电极4发生碰撞；由于排梁结构2固定在绝 缘的胸腔骨架1上，既没有与任何电极相连也没有接地，处于电势浮动状态，因此排梁结构 2与电极4的碰撞并没有导致短路；与上述碰撞过程同时进行的是电极4对排梁结构2的充 电和放电过程（使排梁结构2的电势与电极4的电势相同，若碰撞的是正电极，则是充电过 程，若碰撞的是负电极，则是放电过程），由于排梁结构2的电容很小，这一充放电过程可 以瞬间完成；碰撞和充放电完成后，由于异性相斥原理，排梁结构2所受的静电力将反向， 静电力与回复力共同驱动排梁结构2向反方向运动，直到与另一个电极4发生碰撞并进行充 放电；如此反复，上述排梁结构2和电极4的碰撞和充放电过程，就可以使排梁结构2形成 稳定的大幅振动，如图5中的A所示（俯视图）。在排梁结构2的大幅振动的带动下，本发 明中的翅膀不仅能够产生大幅的扑动，还能够产生主动扭转运动，如图5中的B所示（右视 图）。所述的主动扭转运动也被自然界飞行昆虫所用，其对提高扑翼运动的升力至关重要。

本发明中，胸腔骨架1、机身5、脚支架8的制备材料可以是各种非导电轻质材料，如 塑料、轻木等；排梁结构2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，横截面也可以为多种形状，如矩形、圆形、椭圆形等；翅膀3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。电极4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；配套电路6和电池7可 以通过集成电路技术微型化，并集成在机身上。

总之，本发明中的扑翼结构能够在直流电压驱动下产生自激振动，同时其大幅、复杂的 扑翼运动符合自然界昆虫飞行的高升力机制；本发明舍弃了以往扑翼飞行器所必需的交流驱 动结构和传动结构，结构十分简单，大大降低了扑翼飞行器的重量，更容易微型化，让制成 翼展小于1cm甚至1mm的扑翼飞行器成为可能；再加上采用静电力作为驱动力，相比压电 驱动等现有驱动原理，本发明的能量转化效率较高。

本发明示详细阐述属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发 明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明 技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。