[发明专利]基于柔性铰链的双压电驱动器式微扑翼飞行器

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，具体是一种基于柔性铰链的双压电驱动式微扑翼飞行器。

背景技术

微扑翼式飞行器是一种区别于固定翼和旋翼飞行器，转而模仿鸟类或昆虫，采用翅膀的复杂运动实现飞行的微型飞行器。近年来随着科学技术的发展，微飞行器（MAV）正在成为科技界的研究热点。尤其是MEMS技术的发展为微小尺寸的飞行器的加工制造提供了可能。美国国防高级研究计划局提出微飞行器基本指标为：飞行器的尺寸小于15cm，重量在10g到100g之间，飞行时间为20-60min，飞行速度为25-70km/h。微扑翼式飞行器具有一般飞行器无法比拟的机动和气动性能，其体积小、质量轻，在小空间下更具优势，微小的尺寸也提供了自身很好的隐蔽性，在军、民用方面拥有十分广阔的应用前景。因此微飞行器已经成为科技界研究的热点。

国外在微扑翼式飞行器的研究方面产生一定的成果，一些扑翼微飞行器已实现飞行。

普渡大学的扑翼飞行器，翼展只11.4厘米，采用微马达式驱动器，重2.61g，实现了沿着导线的向上飞行。

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。

而对于翼展3cm尺度下的仿昆式飞行器，或者如前述公开号为102328744A专利采用电磁式驱动方式，由于尺度效应的影响，无法提供很大的输出力达到飞行能力，而且其中采用的传动方式需要结构的一定变形，会储存势能降低输出功率；或者如普渡大学采用传统的传动方式，小尺度下表面力影响加大，无法实现正常传动，只能做出尺度较大飞行器；或者只有一个自由度，无法应对复杂的气流环境，进行多变的飞行姿态控制。

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基于柔性铰链的双压电驱动式微扑翼飞行器，该飞行器结构简洁紧凑，两个驱动器分别控制两翅膀使得飞行器实现除悬飞和单方向飞行外的其他运动成为可能。本发明利用激光微切割技术和柔性铰链连接方式实现翼展3cm的微扑翼飞行器的加工和制造。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：两个弯曲梁式双晶片压电驱动器，两套中心对称分布的传动机构，机身外框架以及两个翅膀；其中：所述传动机构是一四连杆传动机构，传动机构的固定端和机身外框架相连接；所述弯曲梁式双晶片压电驱动器的两端分别为一宽边和一窄边，其中所述窄边与传动机构相连接并作为传动机构的输入连杆，所述宽边和机身外框架相连接；两个翅膀通过翅膀根部的被动扭转铰链与传动机构的输出端相连接；外框架环绕飞行器外围，将传动机构中的十字形杆和两个弯曲梁式双晶片压电驱动器根部连接在一起，形成四连杆机构中的固定连杆；两个弯曲梁式双晶片压电驱动器在电压激励下产生弯曲，带动传动机构运动，传动机构将运动放大后传递给连接在输出端的翅膀，产生拍打运动；翅膀在与空气相互作用下，通过被动扭转铰链产生翅膀的转动；翅膀的这两种运动相结合产生飞行器运动所需的升力和前推力。

所述双晶片悬臂梁式压电驱动器，包含两层主动运动的压电陶瓷层（即压电陶瓷片）和一层被动运动的碳纤维层，以及一个为了增加输出位移添加的刚性延伸段。该驱动器上下两层为等腰梯形形状的压电陶瓷片，中间层为碳纤维。沿着梯形高方向与梯形窄边相连延伸出玻璃纤维的延伸端。使用时驱动器的宽边与机身外框架固定，其余结构悬空，形成悬臂梁式结构，上下两片压电陶瓷片在外加电压作用下分别发生不相同的伸长，引起整个悬臂梁式结构的弯曲，在梁末端实现位移的输出。

本发明的工作原理为：使用的驱动器为双晶片悬臂梁式压电驱动器，上下两片压电陶瓷在外加电压作用下分别发生不相同的伸长，引起整个悬臂梁式结构的弯曲，在梁末端实现位移的输出。飞行器的结构中采用常见的四连杆结构，不过本发明将输入端的连杆替换为双晶片悬臂梁式压电驱动器，实现柔性梁（即双晶片悬臂梁式压电驱动器）参与的四连杆传动机构。而在四连杆传动机构的输出端附着上翅膀结构，整个四连杆传动机构传输并放大了双晶片悬臂梁式压电驱动器的转角，实现翅膀大角度的扑动。飞行器中有这样的两套压电驱动器和连杆机构组成的刚柔混合传动机构分别控制两个翅膀的运动。通过调节两翼扑动的转角大小、中心位置和频率，可以实现复杂的空间运动。翅膀与传动机构的连接处还有一个被动扭转铰链，使得翅膀在扑动过程中在气动力矩作用下实现被动的扭转，形成产生升力所需的攻角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：