可变共振频率电磁驱动式双驱动微扑翼飞行器

摘要

本发明提供了一种可变共振频率电磁驱动式双驱动微扑翼飞行器，包括：两个直流电机，两个电流变扭转材料，直流电机固定件，两个翅膀固定件，以及两个包含被动扭转铰链的翅膀。直流电机带动翅膀拍打的过程中，电流变扭转材料在不同附带电荷或电势下表现出不同的扭转刚度，进而获得不同的共振频率。本发明所述飞行器可控性高，使飞行器以不同频率拍打都能共振获得最大拍打角成为了可能，同时两个直流电机分别独立控制一个翅膀，使飞行姿态多样化，能适应不同的环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型飞行器技术领域的装置，具体地，涉及一种能改变翅膀拍打 共振频率，并且两个翅膀独立驱动的电磁驱动式微扑翼飞行器。

背景技术

扑翼式飞行器是一种采用翅膀的复杂运动实现飞行的微型飞行器。由于尺度效应， 在小尺度下电磁驱动器能提供的功率十分有限，而翅膀拍打时由于惯性，改变速度方向 需要做大量功。目前普遍使用的一种方法是将扑翼飞行器的翅膀与驱动器之间添加弹簧 机制使其具有一定的刚度，刚度的大小设计成能使飞行器共振频率与所需要的共振频率 正好一致，进而以这一频率拍打，即可使飞行器共振，无需克服惯性力做功。另外，一 般的微飞行器为了结构尽量简化，通常使用一个驱动器控制两个翅膀，使两个翅膀只能 执行同样的拍打规律。

国内在微扑翼式飞行器的研究方面产生一定的成果。公开号为102328744A、申请 号为201110223769.6的中国专利，提供了一种基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼微飞行 器。

但是目前飞行器，如前述公开号为102328744A专利的飞行器，由于尺度太小的影 响，飞行最佳效果都只能在翅膀共振频率的情况下实现。通过手动调整翅膀位置以获得 较为理想的共振频率仅在实验过程中可行，由于加工等不稳定因素，这一方案在批量生 产时不可采用，且很难对共振频率进行精确的控制。当以别的频率拍打时，飞行器将会 因为拍打频率与共振频率不同而拍打幅值过小，导致无法正常飞行。另一方面，由于飞 行器的两个翅膀只受一个驱动器控制，因此两个翅膀的拍打规律完全相同，在飞行过程 中仅有一种飞行状态，使得微飞行器的适应能力极差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可变共振频率电磁驱动式双驱 动微扑翼飞行器，该飞行器可控性高，使飞行器以不同频率拍打都能共振获得最大拍打 角成为了可能，同时两个电机分别独立控制一个翅膀，使飞行姿态多样化，能适应不同 的环境。

为实现以上目的，本发明提供一种可变共振频率电磁驱动式双驱动微扑翼飞行 器，包括：两个直流电机、两套电流变扭转材料、两个包含被动扭转铰链的翅膀、一个 直流电机固定件和两个翅膀固定件，其中：两个直流电机并列放置并通过直流电机固定 件连接固定；两个直流电机与两个翅膀分别通过一个翅膀固定件连接固定；两个电流变 扭转材料的一端分别与直流电机固定件固结、另一端分别与两个翅膀固定件固结。

本发明使用直流电机作为驱动器，直流电机直接带动翅膀拍打，翅膀与直流电机之 间并联扭转机制，因而系统的共振频率的平方与系统等效刚度成反比。在这个系统中， 等效刚度与电流变扭转材料的刚度有关。通过调整电流变扭转材料含有的电荷量，电流 变扭转材料将表现出不同的扭转刚度，从而起到改变共振频率的效果。改变电机往复转 动的频率与共振频率相同，即可在该频率下以最大拍打角拍打翅膀。两个翅膀由两个直 流电机分别独立控制，通过输入电机的电信号的不同，能够完成两个翅膀不同的拍打动 作。

优选地，所述直流电机固定件包括底座、顶部和用于连接底座与顶部的竖直圆杆， 底座的左、右两侧面为凹形，两个直流电机分别与底座的左、右两侧凹形处固结；竖直 圆杆的一端固定于底座上表面的中心处、另一端与顶部的中心垂直连接；顶部的左、右 延伸端末端为半圆形，半圆与直流电机同轴并在直流电机的正上方。

优选地，所述直流电机固定件的底座左、右两侧凹形的半径与所述直流电机的机 身半径相同，所述直流电机固定件的顶部的延伸端末端位于所述直流电机正上方与所 述直流电机同轴。

优选地，所述翅膀固定件由上半部分和下半部分组成，下半部分为一圆柱形，在圆 柱形的下表面沿圆心设有一圆形凹槽，该圆形凹槽与直流电机的转轴相匹配；上半部分 为一三角形结构，其与下半部分的上表面有一45°的斜角，该45°斜角面用于与翅膀固结。

所述电流变扭转材料为圆柱体扭转材料，圆柱体的上表面与直流电机固定件的顶部 延伸端的下表面固结，圆柱体的下表面与翅膀固定件的下半部分的上表面固结。

所述包含被动扭转铰链的翅膀中包括由被动扭转结构，所述被动扭转结构由两个矩 形块以及两个矩形块之间的间隙构成，两个矩形块之间的间隙作为柔性铰链提供翅膀被 动扭转的自由度，在与空气的相互作用下发生类似于昆虫的绕着x轴的转动，形成翅膀 扑动过程中的攻角。

优选地，所述飞行器使用直流电机作为驱动器，直流电机直接带动翅膀拍打，翅膀 与直流电机之间并联电流变扭转材料，因而系统的共振频率的平方与系统等效刚度成反 比；在该系统中，等效刚度与电流变扭转材料的刚度有关，通过调整电流变扭转材料含 有的电荷量或电势，电流变扭转材料将表现出不同的扭转刚度，从而起到改变共振频率 的效果；改变直流电机往复转动的频率与共振频率相同，即可在该频率下以最大拍打角 拍打翅膀；两个翅膀由两个直流电机分别独立控制，通过输入直流电机的电信号的不同， 能够完成两个翅膀不同的拍打动作。

优选地，所述包含被动扭转铰链的翅膀还包括斜杆、翅脉和翅膜，其中：翅膜粘 贴在翅脉之上，斜杆固定被动扭转处在铰链上方的矩形块上，且其位置不干涉翅膀绕x 轴旋转45°，翅脉形状仿昆虫翅脉。

更优选地，所述翅脉为碳纤维或金属材料，所述翅膜为聚酯薄膜或聚酰亚胺膜。

更优选地，所述包含被动扭转铰链的翅膀重心竖直位置在所述直流电机前1/3处， 精度要求误差在1mm以内。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明与现有扑翼飞行器相比，具有能改变翅膀拍打共振频率的优势，也具有能够 执行两个翅膀不完全相同的拍打动作的优势。与一般无法控制共振频率，两个翅膀拍打 动作完全相同的扑翼飞行器相比，这个优势必然能实现更加复杂的运动，也能适应更复 杂的飞行环境。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的整体结构正等轴测图；

图2为本发明一实施例中直流电机与翅膀固定件连接示意图；

图3为本发明一实施例中直流电机的正等轴测图；

图4为本发明一实施例中翅膀固定件的正等轴测图；

图5为本发明一实施例中电机固定件的正等轴测图；

图6为本发明一实施例中电流变扭转材料的正等轴测图；

图7为本发明一实施例中左翅膀的后视图；

图8为本发明一实施例的翅膀重心位置示意图；

图中：1、2为直流电机，3、4为翅膀，5为直流电机固定件，6、7为翅膀固定件， 8、9为电流变扭转材料，10为直流电机上半部分，11为翅膀固定件下半部分，12为翅 膀固定件上半部分，13、14为电机固定件底部左、右两边，15为圆杆，16、17为顶部 延伸端，18、19为电流变扭转材料上、下表面，20、21为被动扭转结构，22为斜杆， 23为翅脉，24为翅膜，25为翅膀重心。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

如图1、2所示，本实施例提供一种可变共振频率电磁驱动式双驱动微扑翼飞行 器，包括：两个减速比为1:26的直流电机1、2，两个翅膀3、4，一个直流电机固定件 5，两个翅膀固定件6、7，两个电流变扭转材料8、9；其中：两个所述直流电机1、2 并列放置并通过所述直流电机固定件5连接固定；所述直流电机1所述与翅膀3通过所 述翅膀固定件6连接固定，所述直流电机2与所述翅膀4通过所述翅膀固定件7连接固 定；所述电流变扭转材料8的一端与直流电机固定件5的顶部延伸端左侧末端固结、另 一端与翅膀固定件6的上表面固结，所述电流变扭转材料9的一端与直流电机固定件5 的顶部延伸端右侧末端固结、另一端与翅膀固定件7的上表面固结。

如图3所示，为减速比1：26的直流电机结构示意图，所述直流电机上半部分的转 轴10为一圆柱形结构。这类电机能由一般微电机公司处购买到。

如图4所示，为所述翅膀固定件的结构示意图，所述翅膀固定件(翅膀固定件7与 翅膀固定件6结构相同)包括翅膀固定件下半部分11和翅膀固定件上半部分12，其中： 所述翅膀固定件下半部分11为一圆柱形结构，圆柱形结构的底部中心处设有一竖直方 向的圆形槽，圆形槽的尺寸与所述直流电机上半部分10相匹配；所述翅膀固定件上半 部分12为一直角三角形结构，其三角斜面与水平面夹角45°。所述的飞行器翼展小于 14cm。

如图5所示，为直流电机固定件的结构示意图，所述直流电机固定件5包括底部、 顶部和连接底部与顶部的竖直圆杆15，其中：电机固定件底部左、右两边13、14为凹 形，凹形的曲率半径等于直流电机1、2的机身半径，直流电机1、2分别与电机固定件 底部左、右两边13、14处固结；直流电机固定件5的底部中心设有一竖直圆杆15用于 连接、支撑顶部；顶部与竖直圆杆15平面垂直，顶部左右两侧的顶部延伸端16、17为 半圆形，半圆与直流电机1、2同轴，并在直流电机1、2的正上方。

如图6所示，为电流变扭转材料的结构示意图，所述电流变扭转材料(电流变扭转 材料9与电流变扭转材料8结构相同)为一圆柱体结构，其扭转刚度满足共振频率公式：

$f=2\pi \sqrt{\frac{k}{m}}---\left(1\right)$

其中：f为共振频率，m为翅膀拍打时相对转轴的转动惯量，k是电流变扭转材料 的扭转刚度。

本实施例中，两个相同的所述电流变扭转材料8、9的上表面18分别与直流电机固 定件5的顶部延伸端16、17的下表面固结，两个所述电流变扭转材料8、9的下表面19 分别与翅膀固定件6、7的上表面固结。使用时，所述电流变扭转材料8、9可以采用不 同种类的电流变材料，若材料属性与电荷量有关，则需外接一根导线控制电荷量；若材 料属性与电流强度有关，则需外接两根导线控制电流变扭转材料8、9两接线端的电势 差。

如图7所示，为所述翅膀3的结构示意图，所述翅膀3由被动扭转结构20、21，斜 杆22，翅脉23和翅膜24组成，其中：被动扭转结构20、21由两个矩形块以及两个矩 形块之间的间隙形成，形成的间隙作为柔性铰链提供翅膀3被动扭转的自由度，在与空 气的相互作用下发生类似于昆虫的绕着图7中x轴的转动，形成翅膀3扑动过程中的攻 角；斜杆22粘于被动扭转处矩形块上，边缘与矩形块的最上边对齐；翅膜24粘贴在翅 脉23之上，翅膜24为聚酯薄膜或聚酰亚胺膜在激光切割下成形；翅脉23的材料可以 是金属材料，如图7中一样粘贴在被动扭转结构21上，翅脉23也可以采用碳纤维材料， 这样就与被动扭转结构21的材料相一致，可以做成一体化的结构。

如图8所示为翅膀重心25的位置，其竖直位置在直流电机1、2的前1/3处，精度 要求误差1mm以内。

系统运作时，两个直流电机接入一定频率，赋值的正弦信号，通过调整连接在电流 变扭转材料8、9上导线的电势，调整电流变扭转材料8,9的扭转刚度，使系统的共振频 率与输入直流电机正弦信号的频率相同，此时系统可发生共振，翅膀拍打频率可达到最 大值。

基于以上方法，左右两直流电机可输入不同的信号，若两电机输入频率相同，赋值 不同的正弦信号，则可使两翅膀产生不同的升力，从而向升力小的方向飞行。也可以输 入两个相同的信号，信号宿舍类正弦信号，在翅膀前后运动时，向前与向后运动的周期 不同，从而会产生前后力，使飞行器向前或向后飞行。也可以将上述两方法进行组合， 产生更加复杂的运动。

本发明所述飞行器可控性高，使飞行器以不同频率拍打都能共振获得最大拍打角成 为了可能，同时两个直流电机分别独立控制一个翅膀，使飞行姿态多样化，能适应不同 的环境。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。