專利名稱：壓電仿昆蟲微撲翼飛行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種壓電仿昆蟲微撲翼飛行器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著集成電路技術(shù)和微/納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)的不斷發(fā)展，仿昆 蟲微撲翼飛行器的研究也不斷地深入。但目前仿昆蟲微撲翼飛行器存在一個(gè)主要的問題就 是微型尺寸下難以產(chǎn)生足夠的升力使其飛行，這對(duì)飛行器的材料、驅(qū)動(dòng)器和能源等都是一 個(gè)極大的挑戰(zhàn)。而且對(duì)于微飛行器來說能量轉(zhuǎn)化效率比較低，機(jī)械部分越復(fù)雜越增加撲翼 飛行器實(shí)現(xiàn)飛行的難度。翅膀是撲翼飛行產(chǎn)生升力的主要部件，如果能夠?qū)㈦娔苤苯討?yīng)用 到翅膀上而不需要經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接將電能轉(zhuǎn)化成翅膀扇動(dòng)的機(jī)械能，減少了多種能量 轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)換過程中的消耗。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，哈佛大學(xué)的R. J. Wood教授在論文“Design， fabrication, and analysis of a 3D0F, 3cm flapping-wing MAV” 中設(shè)計(jì)的仿昆蟲撲翼飛 行器采用壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)胸腔傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生翅膀的上拍下拍運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了微撲翼 飛行器沿導(dǎo)軌攀升。但是該現(xiàn)有技術(shù)由于采用傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)，傳動(dòng)效率較低，并且對(duì)能源要求比較高， 難以實(shí)現(xiàn)脫線的獨(dú)立飛行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種壓電仿昆蟲微撲翼飛行器，具有 輕質(zhì)、能耗低、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化效率高、操作性強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括壓電翅膀、機(jī)身、電源、升壓電 路、控制電路及信號(hào)接收發(fā)射器，其中壓電翅膀固定于機(jī)身上表面的中部，電源、升壓電 路、控制電路及信號(hào)接收發(fā)射器依次串聯(lián)并分別安裝于機(jī)身上，所述壓電仿昆蟲微撲翼飛 行器的整體質(zhì)量重心位于翅膀的中垂面上。所述的壓電翅膀包括壓電翅脈和翅膜，其中壓電翅脈包括單層壓電晶片和碳 纖維預(yù)浸料兩層，碳纖維預(yù)浸料結(jié)合在壓電晶片的下表面，兩層翅膜分別包覆于壓電翅脈 的上下表面。本發(fā)明通過壓電陶瓷來將電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過機(jī)身上的電源經(jīng)升壓電路 后并行加到單層壓電陶瓷兩面，此時(shí)壓電陶瓷由于逆壓電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生垂直于表面的彎曲， 通過控制電路來控制電壓電位轉(zhuǎn)換及頻率來使壓電陶瓷做往復(fù)的上下振動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力。 信號(hào)接收發(fā)射器主要起到地面控制與飛行器的信號(hào)傳遞作用，來啟動(dòng)或停止控制電路的工 作狀態(tài)，以此來實(shí)現(xiàn)脫線獨(dú)立飛行。本發(fā)明主要基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，直接將壓電陶瓷作為翅膀材料，具有輕 質(zhì)、能耗低、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化效率高、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明新型壓電仿昆蟲微撲翼飛行器斜視圖。圖2為本發(fā)明新型壓電仿昆蟲微撲翼飛行器俯視圖。圖3為本發(fā)明新型壓電仿昆蟲微撲翼飛行器壓電翅膀圖。圖4為本發(fā)明新型壓電仿昆蟲微撲翼飛行器機(jī)身主體俯視圖。圖5為本發(fā)明新型壓電仿昆蟲微撲翼飛行器機(jī)身主體斜視圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1-5所示，本實(shí)施例包括壓電翅膀1、機(jī)身2、電源3、升壓電路4、控制電路5 及信號(hào)接收發(fā)射器6，其中壓電翅膀1固定于機(jī)身2上表面的中部，電源3、升壓電路4、控 制電路5及信號(hào)接收發(fā)射器6依次串聯(lián)并分別安裝于機(jī)身2上，所述壓電仿昆蟲微撲翼飛 行器的整體質(zhì)量重心位于翅膀的中垂面上。所述的壓電翅膀1包括壓電翅脈7和翅膜8，其中壓電翅脈7包括單層壓電晶 片和碳纖維預(yù)浸料兩層，碳纖維預(yù)浸料結(jié)合在壓電晶片的下表面，兩層翅膜8分別包覆于 壓電翅脈7的上下表面。所述的翅膜8為聚對(duì)二甲苯碳采用微加工技術(shù)沉積制成。所述的機(jī)身2由輕木構(gòu)成，所述的電源3、升壓電路4、控制電路5及信號(hào)接收發(fā)射 器6并行位于輕木上并采用集成電路技術(shù)集成化。所述的電源3采用3. 7V鋰電池。本電仿昆蟲微撲翼飛行器的振翅飛行過程通過信號(hào)發(fā)射接收器來傳遞地面控制 信號(hào)開啟控制電路5運(yùn)行，將電源3經(jīng)升壓電路4升壓后直接添加到壓電翅脈7的上下兩 個(gè)表面，由于壓電材料逆壓電效應(yīng)，壓電翅脈7會(huì)發(fā)生彎曲；再通過控制電路5將加載到壓 電翅脈7的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相反電位，從而使壓電翅脈7向相反方向彎曲，這樣就完成了翅 膀的上拍和下拍運(yùn)動(dòng)，通過控制電路5來改變電壓信號(hào)頻率就可以使翅膀產(chǎn)生足夠的升力 進(jìn)行飛行。經(jīng)有限元軟件Ansys壓電分析發(fā)現(xiàn)，將壓電翅脈7的厚度減小到適宜程度時(shí)，在壓 電翅脈7上下兩表面施加很小的同位電壓即可讓翅膀產(chǎn)生足夠大的振幅，有效地滿足自然 界雙翅目昆蟲翅膀的振幅和頻率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，更低的驅(qū)動(dòng)電壓減少了對(duì)能源的要求， 減輕了整機(jī)的重量，避免了能量轉(zhuǎn)化過程中的過多的能量損耗，便于實(shí)現(xiàn)飛行器的獨(dú)立飛 行。
權(quán)利要求
一種壓電仿昆蟲微撲翼飛行器，包括壓電翅膀、機(jī)身、電源、升壓電路、控制電路及信號(hào)接收發(fā)射器，其特征在于壓電翅膀固定于機(jī)身上表面的中部，電源、升壓電路、控制電路及信號(hào)接收發(fā)射器依次串聯(lián)并分別安裝于機(jī)身上，所述壓電仿昆蟲微撲翼飛行器的整體質(zhì)量重心位于翅膀的中垂面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電仿昆蟲微撲翼飛行器，其特征是，所述的壓電翅膀包括 壓電翅脈和翅膜，其中壓電翅脈包括單層壓電晶片和碳纖維預(yù)浸料兩層，碳纖維預(yù)浸料結(jié) 合在壓電晶片的下表面，兩層翅膜分別包覆于壓電翅脈的上下表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電仿昆蟲微撲翼飛行器，其特征是，所述的翅膜為聚對(duì)二 甲苯碳采用微加工技術(shù)沉積制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電仿昆蟲微撲翼飛行器，其特征是，所述的機(jī)身由輕木構(gòu) 成，所述的電源、升壓電路、控制電路及信號(hào)接收發(fā)射器并行位于輕木上并采用集成電路技 術(shù)集成化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電仿昆蟲微撲翼飛行器，其特征是，所述的電源采用3.7V 鋰電池。
全文摘要
一種壓電仿昆蟲微撲翼飛行器，包括壓電翅膀、機(jī)身、電源、升壓電路、控制電路及信號(hào)接收發(fā)射器，壓電翅膀固定于機(jī)身上表面的中部，電源、升壓電路、控制電路及信號(hào)接收發(fā)射器依次串聯(lián)并分別安裝于機(jī)身上，所述壓電仿昆蟲微撲翼飛行器的整體質(zhì)量重心位于翅膀的中垂面上。本發(fā)明具有輕質(zhì)、能耗低、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化效率高、操作性強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B64C33/00GK101934861SQ20101028925
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月22日
發(fā)明者劉武, 吳校生, 孟坤, 崔峰, 張衛(wèi)平, 李洪誼, 遲鵬程, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué);中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所