专利名称：电磁驱动式扑翼微飞行器的制作方法
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，具体是一种电磁驱动式扑翼微 飞行器。
背景技术：
扑翼式微飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器。近年来随着军事和 MEMS等尖端技术的发展，采用翅膀式微型飞行器(FMAV)逐渐成为科技界的研究热点。微型 飞行器是20世纪90年代发展起来的一种新型飞行器。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IOg到IOOg之间，飞行时间为20-60min， 飞行速度为25-70km/h。微型飞行器具有体积小、质量轻，很好的机动和气动性能等优势，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。目前，微型飞行器按飞行方式可以分为固定翼、旋翼和翅膀三类。最新研究表明， 当翼展小于15cm时，翅膀式飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，可微化程度高、隐蔽性 好、飞行机动性高。国外在扑翼式微飞行器的研究方面已做出了相关成果。经过对现有技术的检索发现，WoodR J. The First Takeoff of a Biologically Inspired At-Scale Robotic Insect[J]. IEEE transactions on robotics, 2008, 24(2) 341-347.美国哈佛大学研制出一种翼展3cm可实现沿轨道飞行的扑翼微飞行器。目前全世 界最小的并成功实现飞行的扑翼微飞行器就是哈佛大学wood研制出的压电陶瓷驱动的翅 膀飞行器，但是由于压电陶瓷驱动电压要求过高，无法自带电源，难以实现自主飞行。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种电磁驱动式扑翼微飞行器，通过 MEMS工艺加工实现翼展小于3cm的扑翼式微飞行器，解决由压电陶瓷驱动导致所需电压很 大所带来的难以实现自身携带电源，翅膀被动扭转小的问题，该电磁驱动器是利用通电导 体在磁场中受力而获得驱动力，通过电磁力直接驱动，结构简单，控制方便灵活，输出力大。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括一对翅膀及其对应背甲和环形 永磁体、控制芯片、机壳、两个螺旋线圈和胸腔，其中一对翅膀分别粘接于各自背甲的一 端，背甲的另一端分别粘接螺旋线圈，两块环形永磁体分别固定在胸腔的上下两边，控制芯 片粘接于机壳的顶部中央并与螺旋线圈相连，机壳固定于胸腔的外缘。所述的背甲、机壳以及胸腔均为MEMS微加工方法以SU8胶为材料制成，具体是通 过在硅基体上溅射一层牺牲层，在牺牲层上甩SU8胶，分别用背甲、机壳和胸腔形状的掩模 板进行光刻，显影，去牺牲层得到SU-8材料结构。所述的翅膀包括翅脉和设置于翅脉上的翅膜；其中翅脉为MEMS微加工方法以 SU8胶为材料制成，翅膜为PARYLENE沉积工艺得到，具体是通过甩胶、光刻、显影得到SU-8 材料的翅脉结构，将parylene-c材料沉积到翅脉上形成翅膜，去除牺牲层后获得完整的翅 膀结构。
所述的螺旋线圈的轴线偏离背甲的中心线，所述的控制芯片包括电源、驱动电路和控制电路，其中控制电路位于电源和驱 动电路中间，电源连接到控制电路电源端并为控制电路提供驱动电压，控制电路输出两路 方波信号至驱动电路两个输入端，驱动电路将方波信号放大并输出值两个螺旋线圈引线 头，电源、驱动电路和控制电路三者的重心位于一条直线上。本发明工作原理为电磁驱动式扑翼微飞行器是采用电磁方式驱动。扑翼微飞行 有一对翅膀，一对背甲，两个翅膀分别固定在两个背甲的一端，两个环形永磁体固定在胸腔 的上下两侧，提供恒定磁场；控制芯片为两个螺旋线圈提供驱动电流，两个螺旋线圈固定在 两个背甲另外一端，独立控制两个翅膀的扑动；两个螺旋线圈通入电流，具体为当第一螺旋线圈电流为正向电流，第二螺旋线圈通入相同频率相同相位的电流 时，螺旋线圈可以产生与永磁体磁场方向相异的磁场，电磁力将吸引两个螺旋线圈同时向 上运动，这样与螺旋线圈固定的背甲一端向上运动，进而带动翅膀向下扑动；当第一螺旋线圈电流为反向电流，同时第二螺旋线圈通入相同频率相同相位的电 流时，可以产生与永磁体方向相反的磁场，电磁力将排斥两个螺旋线圈向下运动，与螺旋线 圈固定的背甲一端向下运动，进而带动翅膀向上扑动。由于本发明将两个螺旋线圈分别驱动两个翅膀，螺旋线圈处于永磁体产生恒定磁 场下，通过改变各个螺旋线圈脉冲电流的大小、相位以及频率，可以方便的控制每个翅膀的 扑动幅度、扑动先后以及扑动频率，从而能够方便的实现飞行转弯、上升和下降等飞行要 求。电磁驱动式扑翼微飞行器需要设定一个初始的攻角，两个螺旋线圈对称且偏心的 安装在背甲上，重力的作用使翅膀产生一定程度的扭转，形成一定的攻角；翅膀向下扑动过 程中翅脉可以产生柔性变形，翅膀也可以产生一定的被动扭转，有效攻角在不断的变化，不 但能产生向上的升力，还能产生向前的推力。本发明与现有扑翼微飞行器相比，使用MEMS微加工技术，尺寸更小，翼展可以小 于3cm;翅膀的频率可以在比较大的范围变化，可以方便单独控制每一个翅膀，实现飞行器 飞行过程中的转弯、上升以及下降；使用电磁驱动，不需要很大的电源电压，易实现自身携 带电源；控制电路简单，易实现控制集成微小化；利用螺旋线圈的安装位置和材料的选择， 能够比较简单的实现翅膀过程中需要的拍动和扭转两个动作。
图1为本发明整体结构轴测图。
图2为本发明隐藏机壳的轴测图。
图3为本发明隐藏机壳的俯视图。
图4为本发明胸腔的轴测图。
图5为本发明下胸腔的轴测图。
图6为本发明上胸腔的轴测图。
图7为本发明翅膀的俯视图。
图8为本发明背甲结构及螺旋线圈安装位置轴测图。
图9为本发明螺旋线圈固定在胸腔相对位置的轴测图。
图10为控制芯片示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1和图2所示，本实施例包括一对左翅膀1和右翅膀2及其对应第一背甲3 和第二背甲4和环形永磁体5、6、控制芯片7、机壳8、两个第一螺旋线圈9和第二螺旋线圈 10和胸腔11，其中一对左翅膀1和右翅膀2分别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的另一端分别粘接第一螺旋线圈9和第二螺旋线圈10，两块 环形永磁体5、6分别固定在胸腔11的上下两边，控制芯片7粘接于机壳8的顶部中央并与 第一螺旋线圈9和第二螺旋线圈10相连，机壳8固定于胸腔11的外缘。所述的第一背甲3和第二背甲4、机壳8以及胸腔11均为MEMS微加工方法以SU8 胶为材料制成。在硅基体上溅射一层牺牲层，在牺牲层上甩SU8胶，分别用背甲、机壳和胸 腔形状的掩模板进行光刻，显影，去牺牲层得到相应的SU-8材料结构。所述的翅膀包括翅脉12和设置于翅脉12上的翅膜13 ；其中翅脉12为MEMS微 加工方法以SU8胶为材料制成，翅膜13为PARYLENE沉积工艺得到。甩胶、光刻、显影得到 SU-8材料的翅脉12结构，将parylene-c材料沉积到翅脉12上形成翅膜13，去除牺牲层， 最终获得具有翅脉12和翅膜13的翅膀。所述的第一螺旋线圈9和第二螺旋线圈10的轴线偏离第一背甲3和第二背甲4 的中心线，所述的控制芯片7包括电源14、控制电路15和驱动电路16，其中所述的环形永磁体5、6分别安装在胸腔11的上下两侧，用于提供恒定磁场。所述 胸腔11结构，用于第一背甲3和第二背甲4的支撑。所述第一背甲3和第二背甲4结构， 共两个，各自连接一个左翅膀1和右翅膀2，用于传递电磁驱动器产生的位移。所述第一螺 旋线圈9和第二螺旋线圈10，共两个，分别固定在第一背甲3和第二背甲4的一端。如图3所示，所述的第一螺旋线圈9和第二螺旋线圈10分别固定在各自第一背甲 3和第二背甲4的一端，安装时保持偏心位置，即线圈的轴线与第一背甲3和第二背甲4的 中心线不重合，以保证左翅膀1和右翅膀2在线圈的重力下产生的扭转，形成一定的攻角。如图4所示，a是两腔装配之后形成的一个自由区域，该区域比较窄，留有安装第 一背甲3和第二背甲4的空间，第一背甲3和第二背甲4安装在该区域中，并能保证一定的 自由度。如图5和图6所示，所述的胸腔11包括上下两部分，其中下胸腔17内设有凹槽 19，上胸腔18内设有凸台20，通过凸台20和凹槽19的配合可方便胸腔11在装配过程中的 对准。如图7所示，所述的左翅膀1和右翅膀2包括翅脉12和翅膜13。翅脉12的形 状仿照昆虫设计，主要起支撑、加固翅膜13的作用；翅膜13对飞行的空气动力有很大影响。如图8所示，所述的第一背甲3和第二背甲4在胸腔11的自由区域的部分是一个 几字形的结构，第一背甲3和第二背甲4安装在胸腔11上之后，几字形结构可以防止第一背甲3和第二背甲4沿主翅方向移动。如图9所示，所述的环形永磁体5、6的尺寸和位置限制在自由区域的宽度。如图10所示，所述的控制芯片7包括电源14、控制电路15和驱动电路16，电源 14、控制电路15和驱动电路16的安装重心在一条直线上，控制电路15安装在另两个模块 中间，电源14连接到控制电路15电源端并为控制电路15提供驱动电压，控制电路15输出 两路方波信号至驱动电路16两个输入端，驱动电路16将方波信号放大并输出值两个螺旋 线圈9、10引线头。本装置的一对翅膀分别固定一个螺旋线圈，两个螺旋线圈处于同一的永磁体产生 的大磁场下，可以通过改变每一个螺旋线圈中的方波信号的频率、时序和幅值分别控制每 一个翅膀的扑动方式，满足飞行器飞行过程中的转弯、上升以及下降的飞行要求。本装置螺 旋的安装采用偏心方式安装，依靠线圈的重力，可简单的实现了电磁驱动式扑翼微飞行器 需要的攻角。本装置采用电磁力直接驱动，结构简单，电磁驱动的控制电路简单，容易实现 整个控制电路的集成化。本装置中MEMS微加工方法，主要是SU8甩胶技术，为飞行器结构 的微型化提供了有利条件。
权利要求
一种电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征在于，包括一对翅膀及其对应背甲和环形永磁体、控制芯片、机壳、两个螺旋线圈和胸腔，其中一对翅膀分别粘接于各自背甲的一端，背甲的另一端分别粘接螺旋线圈，两块环形永磁体分别固定在胸腔的上下两边，控制芯片粘接于机壳的顶部中央并与螺旋线圈相连，机壳固定于胸腔的外缘。
2.根据权利要求1所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的背甲、机壳以及 胸腔均为MEMS微加工方法以SU8胶为材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的翅膀包括翅 脉和设置于翅脉上的翅膜。
4.根据权利要求1或2所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的翅膀总长度 小于1. 5cm。
5.根据权利要求3所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的翅脉为MEMS微 加工方法以SU8胶为材料制成，翅膜为PARYLENE沉积工艺得到。
6.根据权利要求1所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的两个螺旋线圈 的轴线偏离其对应背甲的中心线。
7.根据权利要求1或6所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的两个螺旋线 圈中流过的电流具有相同频率相同相位。
8.根据权利要求1所述的电磁驱动式扑翼微飞行器，其特征是，所述的控制芯片包括 电源、驱动电路和控制电路，其中控制电路位于电源和驱动电路中间，电源连接到控制电 路电源端并为控制电路提供驱动电压，控制电路输出两路方波信号至驱动电路两个输入 端，驱动电路将方波信号放大并输出值两个螺旋线圈引线头，电源、驱动电路和控制电路三 者的重心位于一条直线上。
全文摘要
一种微型飞行器技术领域的电磁驱动式扑翼微飞行器，包括一对翅膀及其对应背甲和环形永磁体、控制芯片、机壳、两个螺旋线圈和胸腔，一对翅膀分别粘接于各自背甲的一端，背甲的另一端分别粘接螺旋线圈，两块环形永磁体分别固定在胸腔的上下两边，控制芯片粘接于机壳的顶部中央并与螺旋线圈相连，机壳固定于胸腔的外缘。本发明通过MEMS工艺加工实现翼展小于3cm的扑翼式微飞行器，利用通电导体在磁场中受力而获得驱动力，通过电磁力直接驱动，结构简单，控制方便灵活，输出力大。
文档编号A63H27/28GK101947388SQ20101050300
公开日2011年1月19日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者刘武, 吴校生, 孟坤, 崔峰, 张卫平, 李洪谊, 迟鹏程, 陈文元 申请人:上海交通大学