本发明涉及微型扑翼飞行器领域和微加工领域，具体涉及一种压电式微型扑翼飞行器及其传动机构加工方法。
背景技术：
长久以来，人类就有一个飞天的梦想，为实现这一梦想，很多先驱们做了许多伟大的尝试和研究工作，直到1903年莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，人们才实现了自己的飞天梦。在此后的时间里，固定翼飞机经历了双机翼时代、单翼螺旋桨时代和喷气式时代，但机翼始终无法扑动。直到1992年美国国防部高级研究计划局率先提出了有关仿生扑翼飞行器的概念，人们对于扑翼飞行器才逐渐进行了深入的探索。
1997年，美国国防部高级研究计划局宣布成立“微型飞行器计划”，要求微型飞行器最大线长小于15cm，可飞行10千米，最高速度15m/s，能持续飞行20分钟以上。在这一计划的推动下，许多优秀的微型无人机诞生，如2003年keennon和grasmeyer研发的黑寡妇和蝙蝠无人机。
通过对现有基础的探索，哈佛大学的r.j.wood教授在“design,fabricationandanalysisofa3dof,3cmflapping-wingmav”一文中设计出了仿昆虫的扑翼飞行器，该飞行器利用双晶片压电陶瓷驱动传动机构，使连接在传动机构上的机翼实现拍打并可以被动扭转，成功实现了微型扑翼飞行器沿导轨攀升。
目前为止，世界上一些著名的学校和科研机构都研发出了性能优秀的微型无人机，如东京大学的“butterfly-likeornithology”、加州大学伯克利分校的“micromechanicalflyinginset”、以及哈佛大学的“robobee”等。但现有的技术都很难实现飞机的平衡，飞机在多自由度飞行中不易调节自身的姿态角。
同样地，国内也对微型扑翼飞行器进行了探索，西北工业大学、上海交通大学和南京航空航天大学在这一方面都有一定的研究，但所设计的飞行器尺寸和质量都较大，不利于克服自身的起飞重力，且采取了传统的机械结构，飞行不够灵活。
技术实现要素：
发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种压电式微型扑翼飞行器及其传动机构加工方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种压电式微型扑翼飞行器，包括飞行器机身、压电驱动器固定板、传动机构、两个侧翼、一个尾翼、三个柔性铰链和双晶片压电驱动器；所述飞行器机身为立方体空腔结构，压电驱动器固定板和传动机构平行设置在空腔结构内，且传动机构两端穿出飞行器机身两侧，双晶片压电驱动器包括两个侧翼双晶片压电驱动器和一个尾翼双晶片压电驱动器，两个侧翼双晶片压电驱动器一端与传动机构插接，另一端与压电驱动器固定板插接；尾翼双晶片压电驱动器一端与压电驱动器固定板插接，另一端伸出飞行器机身；两个侧翼和尾翼根部均粘附有柔性铰链，两个侧翼通过柔性铰链对称地粘附在传动机构穿出飞行器机身部，尾翼通过柔性铰链粘附在尾翼双晶片压电驱动器伸出飞行器机身部。
工作原理：本发明压电式微型扑翼飞行器的总体尺寸与昆虫相似，三个双晶片压电驱动器中，有两个插接在传动机构上，一个直接与尾翼粘附，每一个双晶片压电驱动器均可以在电压控制下单独控制一个翅膀的拍打；侧翼通过柔性铰链对称地粘附在传动机构的两侧，由双晶片压电驱动器带动的传动机构驱动，进行拍打，提供飞行器飞行的升力和推动力；尾翼通过柔性铰链粘附在尾部的双晶片压电驱动器上，由尾部的双晶片压电驱动器直接驱动，保持飞行器飞行时的平衡。
优选，所述飞行器机身材料为碳纤维，飞行器机身包括上方板、下方板、前方板、后方板、左侧板和右侧板(104)，上方板、下方板、前方板、后方板、左侧板和右侧板(104)通过插接的方式组合成立方体空腔结构，上方板开有一个圆形引线孔；左右两侧板均开有第一方孔使传动机构穿过，后方板开有第二方孔使尾翼双晶片压电驱动器穿过。
优选，所述压电驱动器固定板材料为碳纤维，压电驱动器固定板底部插接在下方板上，压电驱动器固定板两侧分别插接在左侧板和右侧板(104)上，压电驱动器固定板上开有三个用于固定三个双晶片压电驱动器的固定孔。
优选，所述双晶片压电驱动器均包括电极层、变形层和刚性延伸段，变形层设在电极层中部上下两面，刚性延伸段设在电极层尾部上下两面且分别与上下两面的变形层尾端相接；变形层首端为夹持端；三个双晶片压电驱动器的夹持端分别固定在压电驱动器固定板上三个固定孔内，形成悬臂梁结构，由三个独立的电源驱动，其中尾翼双晶片压电驱动器控制尾翼的拍打，两个侧翼双晶片压电驱动器控制两个侧翼的拍打，两个侧翼双晶片压电驱动器的刚性延伸段两侧设有第一凸块，第一凸块插接在传动机构上，尾翼双晶片压电驱动器的刚性延展段伸出后方板第二方孔并通过柔性铰链与尾翼相连；电极层材料为碳纤维，变形层材料为两片压电陶瓷，刚性延展段材料为氧化铝陶瓷。
优选，所述传动机构为第一柔性薄膜和多个刚性杆件的复合体，刚性杆件围成长条状框体结构，两短边刚性杆件与相邻刚性杆件相接，两长边上的刚性杆件之间设有间隙，第一柔性薄膜穿过所有的刚性杆件形成长条状框体结构，第一柔性薄膜与刚性杆件之间通过环氧胶粘接；传动机构两短边端头分别穿过左右两侧板均上的第一方孔伸出飞行器机身外，传动机构底部的长边上设有与前方板插接的第二凸块，传动机构顶部的长边上设有两个第三方孔；两个侧翼双晶片压电驱动器的刚性延伸段上的第一凸块分别插接在两个第三方孔内。
优选，所述柔性铰链结构为第二柔性薄膜和刚性板材的组合体，第二柔性薄膜与刚性板材之间使用环氧胶粘接，与两个侧翼连接的柔性铰链的第二柔性薄膜与侧翼根部相接，刚性板材与传动机构伸出飞行器机部相接；与尾翼连接的柔性铰链的第二柔性薄膜与尾翼根部相接，刚性板材与尾翼双晶片压电驱动器的刚性延展段伸出部相接。
优选，所述第一柔性薄膜和第二柔性薄膜的材料均为聚酰亚胺，刚性杆件和刚性板材的材料均为碳纤维。
优选，所述侧翼和尾翼均包括翅脉和翅膜，翅膜通过环氧胶粘附在翅脉上；翅脉材料均为高模量的碳纤维，翅膜材料均为pet聚酯薄膜。
上述压电式微型扑翼飞行器的传动机构加工方法，包括以下步骤：
1)先在碳纤维板的两侧打对准孔，然后采用激光切割的方法，在碳纤维板上切割出刚性杆件的图形；激光器选择半导体泵浦固体激光器，其内部晶体选择掺钕钒酸钇nd：yvo4，波长为1064nm，最大平均功率为1.5w；在切割的时候留下几个必要的连接处不要切断；
2)用同样的方法对聚酰亚胺薄膜和环氧胶片做打对准孔和切割操作，刚性杆件、第一柔性薄膜和环氧胶片切割成目标形状之后，按刚性杆件-环氧胶片-聚酰亚胺薄膜-环氧胶片-刚性杆件由上往下顺次重叠，再使用定位销穿过对准孔，实现对准；
3)对准后先将各层轻轻压到一起，然后将其放入热压机内进行热压操作，使各层紧密结合，形成一个整体；热压操作采取的工艺参数为：热压时间1小时，热压温度190℃，热压压强400kpa；
4)用激光切割的方法将步骤1)中的连接处切断，释放结构，最终形成刚性杆件和第一柔性薄膜复合体的传动机构。
上述平均功率较小，能防止出现烧焦切割边缘等问题；采用激光切割的加工方法保证了精确度。
有益效果：本发明质量轻、尺寸小，便于携带，机翼可以承受高频率的拍打，飞行器具有优异的平衡性和稳定性，可以实现多个姿态的控制。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明内部结构示意图；
图3为本发明飞行器机身组装示意图；
图4为本发明双晶片压电驱动器结构示意图；
图5为本发明侧翼结构示意图；
图6为本发明尾翼结构示意图；
图7为本发明传动机构结构示意图；
图8为本发明传动机构的pc-mems加工方法流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1-7所示，一种压电式微型扑翼飞行器，包括飞行器机身1、压电驱动器固定板2、传动机构3、两个侧翼4、一个尾翼5、三个柔性铰链6和双晶片压电驱动器7；所述飞行器机身1为立方体空腔结构，压电驱动器固定板2和传动机构3平行设置在空腔结构内，且传动机构3两端穿出飞行器机身1两侧，双晶片压电驱动器7包括两个侧翼4双晶片压电驱动器7和一个尾翼5双晶片压电驱动器7，两个侧翼4双晶片压电驱动器7一端与传动机构3插接，另一端与压电驱动器固定板2插接；尾翼5双晶片压电驱动器7一端与压电驱动器固定板2插接，另一端伸出飞行器机身1；两个侧翼4和尾翼5根部均粘附有柔性铰链6，两个侧翼4通过柔性铰链6对称地粘附在传动机构3穿出飞行器机身1部，尾翼5通过柔性铰链6粘附在尾翼5双晶片压电驱动器7伸出飞行器机身1部；飞行器机身1材料为碳纤维，飞行器机身1包括上方板101、下方板102、前方板105、后方板106、左侧板103和右侧板104，上方板101、下方板102、前方板105、后方板106、左侧板103和右侧板104通过插接的方式组合成立方体空腔结构，上方板101开有一个圆形引线孔107；左右两侧板均开有第一方孔108使传动机构3穿过，后方板106开有第二方孔109使尾翼5双晶片压电驱动器7穿过；压电驱动器固定板2材料为碳纤维，压电驱动器固定板2底部插接在下方板102上，压电驱动器固定板2两侧分别插接在左侧板103和右侧板104上，压电驱动器固定板2上开有三个用于固定三个双晶片压电驱动器7的固定孔201；双晶片压电驱动器7均包括电极层702、变形层701和刚性延伸段，变形层701设在电极层702中部上下两面，刚性延伸段设在电极层702尾部上下两面且分别与上下两面的变形层701尾端相接；变形层701首端为夹持端705；三个双晶片压电驱动器7的夹持端705分别固定在压电驱动器固定板2上三个固定孔201内，形成悬臂梁结构，由三个独立的电源驱动，其中尾翼5双晶片压电驱动器7控制尾翼5的拍打，两个侧翼4双晶片压电驱动器7控制两个侧翼4的拍打，两个侧翼4双晶片压电驱动器7的刚性延伸段两侧设有第一凸块704，第一凸块704插接在传动机构3上，尾翼5双晶片压电驱动器7的刚性延展段703伸出后方板106第二方孔109并通过柔性铰链6与尾翼5相连；电极层702材料为碳纤维，变形层701材料为两片压电陶瓷，刚性延展段703材料为氧化铝陶瓷；传动机构3为第一柔性薄膜301和多个刚性杆件302的复合体，刚性杆件302围成长条状框体结构，两短边刚性杆件302与相邻刚性杆件302相接，两长边上的刚性杆件302之间设有间隙，第一柔性薄膜301穿过所有的刚性杆件302形成长条状框体结构，第一柔性薄膜301与刚性杆件302之间通过环氧胶粘接；传动机构3两短边端头分别穿过左右两侧板均上的第一方孔108伸出飞行器机身1外，传动机构3底部的长边上设有与前方板105插接的第二凸块304，传动机构3顶部的长边上设有两个第三方孔303；两个侧翼4双晶片压电驱动器7的刚性延伸段上的第一凸块704分别插接在两个第三方孔303内；柔性铰链6结构为第二柔性薄膜601和刚性板材602的组合体，第二柔性薄膜601与刚性板材602之间使用环氧胶粘接，与两个侧翼4连接的柔性铰链6的第二柔性薄膜601与侧翼4根部相接，刚性板材602与传动机构3伸出飞行器机部相接；与尾翼5连接的柔性铰链6的第二柔性薄膜601与尾翼5根部相接，刚性板材602与尾翼5双晶片压电驱动器7的刚性延展段703伸出部相接；第一柔性薄膜301和第二柔性薄膜601的材料均为聚酰亚胺，刚性杆件302和刚性板材602的材料均为碳纤维；侧翼4和尾翼5均包括翅脉8和翅膜9，翅膜9通过环氧胶粘附在翅脉8上；翅脉8材料均为高模量的碳纤维，翅膜9材料均为pet聚酯薄膜。
如图3所示，机身由六块碳纤维板通过插接的方式组合在一起，其材料为碳纤维，上方板101开有一个圆形引线孔107，外接电源的导线穿过引线孔给双晶片压电驱动器7供电，下方板102作为底座开有必要的插接孔，左侧板103和右侧板104各开有第一方孔108使传动机构3穿过，传动机构3粘接在前方板105上面，后方板106开有第二方孔109使后方尾翼5双晶片压电驱动器7穿过，其他必要开孔均是为了插接结构而设计；飞行器机身1所有孔和键的配合关系均为间隙配合，空隙处使用环氧树脂胶粘合固定，使得飞行器机身1各块板之间插接更加牢固。
压电驱动器固定板2的材料为碳纤维，插接在飞行器机身1内，其上开有三个方形的固定孔201，用来固定双晶片压电驱动器7的夹持端705。
如图4所示，双晶片压电驱动器7以两片压电陶瓷作为变形层701，以一片碳纤维作为电极层702，以两片氧化铝陶瓷作为刚性延展段703；双晶片压电驱动器7的夹持端705为变形层701的首端部分，固定在压电驱动器固定板2上的固定孔201中，形成悬臂梁结构，三个双晶片压电驱动器7由三个独立的电源驱动，每个双晶片压电驱动器7单独控制一个机翼的拍打，侧面的两个双晶片压电驱动器7的刚性延伸段插接在传动机构3上，尾翼5双晶片压电驱动器7的刚性延展段703通过柔性铰链6与尾翼5相连。
如图5和图6所示，侧翼4通过柔性铰链6连接在传动机构3上，尾翼5通过柔性铰链6粘附在尾部的双晶片压电驱动器7上；侧翼4由传动机构3带动拍打，通过柔性铰链6实现被动扭转，每个侧翼4可以被单独控制，提供飞行器飞行的推动力和升力；尾翼5由尾部的双晶片压电驱动器7直接驱动，保持飞行器飞行时的平衡。
侧翼4和尾翼5的翅脉8结构细长，材料均为高模量的碳纤维，翅膜9的材料为超薄的pet聚酯薄膜，通过环氧胶把pet聚酯薄膜粘附在翅脉8上，形成侧翼44和尾翼55。
为了提供较大的升力，侧翼4的面积相对较大，为了保证翅膜9粘合的尽可能牢固，根据实际昆虫的翅膀形状设计了模拟的翅脉8轮廓，保证了各点力的强度。
为了尽可能保证尾翼5可以辅助飞行器维持平衡，尾翼5的形状为规则的扇形，尾翼5通过在飞行过程中的拍打，配合侧翼4一起更好地维持飞行器的平衡。
柔性铰链6结构为第二柔性薄膜601和刚性板材602的组合体，柔性铰链6分别粘附在侧翼4和尾翼5的根部，使机翼拍打时可以被动的扭转，更好维持飞行器的平衡；其中：第二柔性薄膜601的材料为聚酰亚胺，刚性板材602的材料为高模量碳纤维，聚酰亚胺与碳纤维之间使用环氧胶在高温下热压结合，形成“碳纤维+聚酰亚胺薄膜+碳纤维”的三明治结构；柔性铰链6的加工方法与下述的传动机构3加工方法相同。
如图7所示，传动机构3为第一柔性薄膜301和刚性杆件302的组合体，传动机构3一端通过粘接的方式固定在飞行器机身1的前方板105上，另一端开有第三方孔303，与两侧的两片双晶片压电驱动器7的刚性延展段703插接在一起。
由于双晶片压电驱动器7上电所产生的位移在毫米级别，不足以驱动翅膀的拍打，故必须对双晶片压电驱动器7产生的位移进行放大；因此传动机构3的第一柔性薄膜301的材料为聚酰亚胺，刚性杆件302的材料为高模量碳纤维，聚酰亚胺与碳纤维之间使用环氧胶在高温下热压结合，形成柔性四杆机构，可以有效地将双晶片压电驱动器7产生的位移放大五倍以上。
本发明压电式微型扑翼飞行器的总体尺寸与昆虫相似，三个双晶片压电驱动器7中，有两个插接在传动机构3上，一个直接与尾翼5粘附，每一个双晶片压电驱动器7均可以在电压控制下单独控制一个翅膀的拍打；侧翼4通过柔性铰链6对称地粘附在传动机构3的两侧，由双晶片压电驱动器7带动的传动机构3驱动，进行拍打，提供飞行器飞行的升力和推动力；尾翼5通过柔性铰链6粘附在尾部的双晶片压电驱动器7上，由尾部的双晶片压电驱动器7直接驱动，保持飞行器飞行时的平衡。
如图8所示，压电式微型扑翼飞行器传动机构3的pc-mems加工方法，包括以下步骤：
1)先在碳纤维板的两侧打对准孔，然后采用激光切割的方法，在碳纤维板上切割出刚性杆件302的图形；激光器选择半导体泵浦固体激光器，其内部晶体选择掺钕钒酸钇nd：yvo4，波长为1064nm，最大平均功率为1.5w；在切割的时候留下几个必要的连接处不要切断；
2)用同样的方法对聚酰亚胺薄膜和环氧胶片做打对准孔和切割操作，刚性杆件302、第一柔性薄膜301和环氧胶片切割成目标形状之后，按刚性杆件302-环氧胶片-聚酰亚胺薄膜-环氧胶片-刚性杆件302由上往下顺次重叠，再使用定位销穿过对准孔，实现对准；
3)对准后先将各层轻轻压到一起，然后将其放入热压机内进行热压操作，使各层紧密结合，形成一个整体；热压操作采取的工艺参数为：热压时间1小时，热压温度190℃，热压压强400kpa；
4)用激光切割的方法将步骤1)中的连接处切断，释放结构，最终形成刚性杆件302和第一柔性薄膜301复合体的传动机构3。
本发明未提及的技术均参照现有技术。