專利名稱：電磁驅動式撲翼微飛行器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微型飛行器技術領域的裝置，具體是一種電磁驅動式撲翼微 飛行器。
背景技術：
撲翼式微飛行器是一種模仿鳥類或昆蟲飛行的微型飛行器。近年來隨著軍事和 MEMS等尖端技術的發展，采用翅膀式微型飛行器(FMAV)逐漸成為科技界的研究熱點。微型 飛行器是20世紀90年代發展起來的一種新型飛行器。美國國防高級研究計劃局提出微飛 行器基本指標為飛行器的尺寸小于15cm，重量在IOg到IOOg之間，飛行時間為20-60min， 飛行速度為25-70km/h。微型飛行器具有體積小、質量輕，很好的機動和氣動性能等優勢，在 軍、民用方面擁有十分廣闊的應用前景。因此微飛行器已經成為科技界研究的熱點。目前，微型飛行器按飛行方式可以分為固定翼、旋翼和翅膀三類。最新研究表明， 當翼展小于15cm時，翅膀式飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優勢，可微化程度高、隱蔽性 好、飛行機動性高。國外在撲翼式微飛行器的研究方面已做出了相關成果。經過對現有技術的檢索發現，WoodR J. The First Takeoff of a Biologically Inspired At-Scale Robotic Insect[J]. IEEE transactions on robotics, 2008, 24(2) 341-347.美國哈佛大學研制出一種翼展3cm可實現沿軌道飛行的撲翼微飛行器。目前全世 界最小的并成功實現飛行的撲翼微飛行器就是哈佛大學wood研制出的壓電陶瓷驅動的翅 膀飛行器，但是由于壓電陶瓷驅動電壓要求過高，無法自帶電源，難以實現自主飛行。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種電磁驅動式撲翼微飛行器，通過 MEMS工藝加工實現翼展小于3cm的撲翼式微飛行器，解決由壓電陶瓷驅動導致所需電壓很 大所帶來的難以實現自身攜帶電源，翅膀被動扭轉小的問題，該電磁驅動器是利用通電導 體在磁場中受力而獲得驅動力，通過電磁力直接驅動，結構簡單，控制方便靈活，輸出力大。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括一對翅膀及其對應背甲和環形 永磁體、控制芯片、機殼、兩個螺旋線圈和胸腔，其中一對翅膀分別粘接于各自背甲的一 端，背甲的另一端分別粘接螺旋線圈，兩塊環形永磁體分別固定在胸腔的上下兩邊，控制芯 片粘接于機殼的頂部中央并與螺旋線圈相連，機殼固定于胸腔的外緣。所述的背甲、機殼以及胸腔均為MEMS微加工方法以SU8膠為材料制成，具體是通 過在硅基體上濺射一層犧牲層，在犧牲層上甩SU8膠，分別用背甲、機殼和胸腔形狀的掩模 板進行光刻，顯影，去犧牲層得到SU-8材料結構。所述的翅膀包括翅脈和設置于翅脈上的翅膜；其中翅脈為MEMS微加工方法以 SU8膠為材料制成，翅膜為PARYLENE沉積工藝得到，具體是通過甩膠、光刻、顯影得到SU-8 材料的翅脈結構，將parylene-c材料沉積到翅脈上形成翅膜，去除犧牲層后獲得完整的翅 膀結構。
所述的螺旋線圈的軸線偏離背甲的中心線，所述的控制芯片包括電源、驅動電路和控制電路，其中控制電路位于電源和驅 動電路中間，電源連接到控制電路電源端并為控制電路提供驅動電壓，控制電路輸出兩路 方波信號至驅動電路兩個輸入端，驅動電路將方波信號放大并輸出值兩個螺旋線圈引線 頭，電源、驅動電路和控制電路三者的重心位于一條直線上。本發明工作原理為電磁驅動式撲翼微飛行器是采用電磁方式驅動。撲翼微飛行 有一對翅膀，一對背甲，兩個翅膀分別固定在兩個背甲的一端，兩個環形永磁體固定在胸腔 的上下兩側，提供恒定磁場；控制芯片為兩個螺旋線圈提供驅動電流，兩個螺旋線圈固定在 兩個背甲另外一端，獨立控制兩個翅膀的撲動；兩個螺旋線圈通入電流，具體為當第一螺旋線圈電流為正向電流，第二螺旋線圈通入相同頻率相同相位的電流 時，螺旋線圈可以產生與永磁體磁場方向相異的磁場，電磁力將吸引兩個螺旋線圈同時向 上運動，這樣與螺旋線圈固定的背甲一端向上運動，進而帶動翅膀向下撲動；當第一螺旋線圈電流為反向電流，同時第二螺旋線圈通入相同頻率相同相位的電 流時，可以產生與永磁體方向相反的磁場，電磁力將排斥兩個螺旋線圈向下運動，與螺旋線 圈固定的背甲一端向下運動，進而帶動翅膀向上撲動。由于本發明將兩個螺旋線圈分別驅動兩個翅膀，螺旋線圈處于永磁體產生恒定磁 場下，通過改變各個螺旋線圈脈沖電流的大小、相位以及頻率，可以方便的控制每個翅膀的 撲動幅度、撲動先后以及撲動頻率，從而能夠方便的實現飛行轉彎、上升和下降等飛行要 求。電磁驅動式撲翼微飛行器需要設定一個初始的攻角，兩個螺旋線圈對稱且偏心的 安裝在背甲上，重力的作用使翅膀產生一定程度的扭轉，形成一定的攻角；翅膀向下撲動過 程中翅脈可以產生柔性變形，翅膀也可以產生一定的被動扭轉，有效攻角在不斷的變化，不 但能產生向上的升力，還能產生向前的推力。本發明與現有撲翼微飛行器相比，使用MEMS微加工技術，尺寸更小，翼展可以小 于3cm;翅膀的頻率可以在比較大的范圍變化，可以方便單獨控制每一個翅膀，實現飛行器 飛行過程中的轉彎、上升以及下降；使用電磁驅動，不需要很大的電源電壓，易實現自身攜 帶電源；控制電路簡單，易實現控制集成微小化；利用螺旋線圈的安裝位置和材料的選擇， 能夠比較簡單的實現翅膀過程中需要的拍動和扭轉兩個動作。


圖1為本發明整體結構軸測圖。
圖2為本發明隱藏機殼的軸測圖。
圖3為本發明隱藏機殼的俯視圖。
圖4為本發明胸腔的軸測圖。
圖5為本發明下胸腔的軸測圖。
圖6為本發明上胸腔的軸測圖。
圖7為本發明翅膀的俯視圖。
圖8為本發明背甲結構及螺旋線圈安裝位置軸測圖。
圖9為本發明螺旋線圈固定在胸腔相對位置的軸測圖。
圖10為控制芯片示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1和圖2所示，本實施例包括一對左翅膀1和右翅膀2及其對應第一背甲3 和第二背甲4和環形永磁體5、6、控制芯片7、機殼8、兩個第一螺旋線圈9和第二螺旋線圈 10和胸腔11，其中一對左翅膀1和右翅膀2分別粘接于各自第一背甲3和第二背甲4的 一端，第一背甲3和第二背甲4的另一端分別粘接第一螺旋線圈9和第二螺旋線圈10，兩塊 環形永磁體5、6分別固定在胸腔11的上下兩邊，控制芯片7粘接于機殼8的頂部中央并與 第一螺旋線圈9和第二螺旋線圈10相連，機殼8固定于胸腔11的外緣。所述的第一背甲3和第二背甲4、機殼8以及胸腔11均為MEMS微加工方法以SU8 膠為材料制成。在硅基體上濺射一層犧牲層，在犧牲層上甩SU8膠，分別用背甲、機殼和胸 腔形狀的掩模板進行光刻，顯影，去犧牲層得到相應的SU-8材料結構。所述的翅膀包括翅脈12和設置于翅脈12上的翅膜13 ；其中翅脈12為MEMS微 加工方法以SU8膠為材料制成，翅膜13為PARYLENE沉積工藝得到。甩膠、光刻、顯影得到 SU-8材料的翅脈12結構，將parylene-c材料沉積到翅脈12上形成翅膜13，去除犧牲層， 最終獲得具有翅脈12和翅膜13的翅膀。所述的第一螺旋線圈9和第二螺旋線圈10的軸線偏離第一背甲3和第二背甲4 的中心線，所述的控制芯片7包括電源14、控制電路15和驅動電路16，其中所述的環形永磁體5、6分別安裝在胸腔11的上下兩側，用于提供恒定磁場。所述 胸腔11結構，用于第一背甲3和第二背甲4的支撐。所述第一背甲3和第二背甲4結構， 共兩個，各自連接一個左翅膀1和右翅膀2，用于傳遞電磁驅動器產生的位移。所述第一螺 旋線圈9和第二螺旋線圈10，共兩個，分別固定在第一背甲3和第二背甲4的一端。如圖3所示，所述的第一螺旋線圈9和第二螺旋線圈10分別固定在各自第一背甲 3和第二背甲4的一端，安裝時保持偏心位置，即線圈的軸線與第一背甲3和第二背甲4的 中心線不重合，以保證左翅膀1和右翅膀2在線圈的重力下產生的扭轉，形成一定的攻角。如圖4所示，a是兩腔裝配之后形成的一個自由區域，該區域比較窄，留有安裝第 一背甲3和第二背甲4的空間，第一背甲3和第二背甲4安裝在該區域中，并能保證一定的 自由度。如圖5和圖6所示，所述的胸腔11包括上下兩部分，其中下胸腔17內設有凹槽 19，上胸腔18內設有凸臺20，通過凸臺20和凹槽19的配合可方便胸腔11在裝配過程中的 對準。如圖7所示，所述的左翅膀1和右翅膀2包括翅脈12和翅膜13。翅脈12的形 狀仿照昆蟲設計，主要起支撐、加固翅膜13的作用；翅膜13對飛行的空氣動力有很大影響。如圖8所示，所述的第一背甲3和第二背甲4在胸腔11的自由區域的部分是一個 幾字形的結構，第一背甲3和第二背甲4安裝在胸腔11上之后，幾字形結構可以防止第一背甲3和第二背甲4沿主翅方向移動。如圖9所示，所述的環形永磁體5、6的尺寸和位置限制在自由區域的寬度。如圖10所示，所述的控制芯片7包括電源14、控制電路15和驅動電路16，電源 14、控制電路15和驅動電路16的安裝重心在一條直線上，控制電路15安裝在另兩個模塊 中間，電源14連接到控制電路15電源端并為控制電路15提供驅動電壓，控制電路15輸出 兩路方波信號至驅動電路16兩個輸入端，驅動電路16將方波信號放大并輸出值兩個螺旋 線圈9、10引線頭。本裝置的一對翅膀分別固定一個螺旋線圈，兩個螺旋線圈處于同一的永磁體產生 的大磁場下，可以通過改變每一個螺旋線圈中的方波信號的頻率、時序和幅值分別控制每 一個翅膀的撲動方式，滿足飛行器飛行過程中的轉彎、上升以及下降的飛行要求。本裝置螺 旋的安裝采用偏心方式安裝，依靠線圈的重力，可簡單的實現了電磁驅動式撲翼微飛行器 需要的攻角。本裝置采用電磁力直接驅動，結構簡單，電磁驅動的控制電路簡單，容易實現 整個控制電路的集成化。本裝置中MEMS微加工方法，主要是SU8甩膠技術，為飛行器結構 的微型化提供了有利條件。
權利要求
一種電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征在于，包括一對翅膀及其對應背甲和環形永磁體、控制芯片、機殼、兩個螺旋線圈和胸腔，其中一對翅膀分別粘接于各自背甲的一端，背甲的另一端分別粘接螺旋線圈，兩塊環形永磁體分別固定在胸腔的上下兩邊，控制芯片粘接于機殼的頂部中央并與螺旋線圈相連，機殼固定于胸腔的外緣。
2.根據權利要求1所述的電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征是，所述的背甲、機殼以及 胸腔均為MEMS微加工方法以SU8膠為材料制成。
3.根據權利要求1或2所述的電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征是，所述的翅膀包括翅 脈和設置于翅脈上的翅膜。
4.根據權利要求1或2所述的電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征是，所述的翅膀總長度 小于1. 5cm。
5.根據權利要求3所述的電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征是，所述的翅脈為MEMS微 加工方法以SU8膠為材料制成，翅膜為PARYLENE沉積工藝得到。
6.根據權利要求1所述的電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征是，所述的兩個螺旋線圈 的軸線偏離其對應背甲的中心線。
7.根據權利要求1或6所述的電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征是，所述的兩個螺旋線 圈中流過的電流具有相同頻率相同相位。
8.根據權利要求1所述的電磁驅動式撲翼微飛行器，其特征是，所述的控制芯片包括 電源、驅動電路和控制電路，其中控制電路位于電源和驅動電路中間，電源連接到控制電 路電源端并為控制電路提供驅動電壓，控制電路輸出兩路方波信號至驅動電路兩個輸入 端，驅動電路將方波信號放大并輸出值兩個螺旋線圈引線頭，電源、驅動電路和控制電路三 者的重心位于一條直線上。
全文摘要
一種微型飛行器技術領域的電磁驅動式撲翼微飛行器，包括一對翅膀及其對應背甲和環形永磁體、控制芯片、機殼、兩個螺旋線圈和胸腔，一對翅膀分別粘接于各自背甲的一端，背甲的另一端分別粘接螺旋線圈，兩塊環形永磁體分別固定在胸腔的上下兩邊，控制芯片粘接于機殼的頂部中央并與螺旋線圈相連，機殼固定于胸腔的外緣。本發明通過MEMS工藝加工實現翼展小于3cm的撲翼式微飛行器，利用通電導體在磁場中受力而獲得驅動力，通過電磁力直接驅動，結構簡單，控制方便靈活，輸出力大。
文檔編號A63H27/28GK101947388SQ20101050300
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月12日 優先權日2010年10月12日
發明者劉武, 吳校生, 孟坤, 崔峰, 張衛平, 李洪誼, 遲鵬程, 陳文元 申請人:上海交通大學