(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN101948008A (43)申请公布日2011.01.19 (21)申请号201010289527.2 (22)申请日2010.09.22 (71)申请人上海交通大学 地址200240上海市闵行区东川路800号 申请人中国科学院沈阳自动化研究所 (72)发明人张卫平迟鹏程陈文元李洪谊 孟坤刘武崔蜂吴校生 (74)专利代理机构上海交达专利事务所31201 代理人王锡麟王桂忠 (51)1nt.Cl. B6403300(2006.01) B64C3302(2006.01) 权利要求书1页说明书3页附图2页 (54)发明名称 仿昆虫微型扑翼飞行器 (57)摘要 一种微机电技术领域的仿昆虫微型扑翼飞行 器，胸腔构架、柔性运动块、电控系统、翅膀以及刚 度圈，柔性运动块垂直设置于胸腔构架的中部，刚 度圈分别与翅膀和柔性运动块相连接，电控系统 位于胸腔构架尾部并通过微加工技术直接布线与 胸腔构架相连。本发明通过电磁驱动结构驱动翼 高频扇动产生升力，同时采用柔性铰链、圆形刚度 圈以及翅痣来提高翼扇动过程中在空气动力学作 用下的被动旋转，来产生更大的升力和推进力。 S0080610票
CN101948008A 权利要求书 1/1页 1.一种仿昆虫微型扑翼飞行器，包括：胸腔构架、柔性运动块、电控系统、翅膀以及刚 度圈，其特征在于：柔性运动块垂直设置于胸腔构架的中部，刚度圈分别与翅膀和柔性运动 块相连接，电控系统位于胸腔构架尾部并通过微加工技术直接布线与胸腔构架相连。 2.根据权利要求1所述的仿昆虫微型扑翼飞行器，其特征是，所述的胸腔构架为圆环 形筒状结构，包括：内侧骨架、柔性铰链和平面线圈，其中：平面线圈位于内侧骨架的外表 面上，并通过微加工技术在胸腔构架外表面上布导线与电控系统相连，柔性铰链处于内侧 骨架的中部并与柔性运动块的末端粘接。 3.根据权利要求1所述的仿昆虫微型扑翼飞行器，其特征是，所述的柔性运动块包括： 柔性横梁和软金属层，其中：软金属层位于柔性横梁的外表面且处于柔性横梁的中间位置， 软金属层与电控系统采用细金属丝在胸腔构架内部连接。 4.根据权利要求1所述的仿昆虫微型扑翼飞行器，其特征是，所述的电控系统包括：位 于电控系统内侧表面的电源，控制电路单元和遥感接收发射器，其中：电源采用3.7ⅴ锂电 池。 5.根据权利要求1所述的仿昆虫微型扑翼飞行器，其特征是，所述的翅膀包括：翅脉、 翅膜和翅痣，其中：翅痣嵌在翅脉的前缘末端位置，翅膜包覆于翅脉的上下表面。 6.根据权利要求1所述的仿昆虫微型扑翼飞行器，其特征是，所述的刚度圈为平面螺 旋式线圈，该刚度圈使翼在空气动力学的作用下发生旋转
CN101948008A 说明书 1/3页 仿昆虫微型扑翼飞行器 技术领域 [0001]本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，具体是一种仿昆虫微型扑翼飞行 器。 背景技术 [0002]目前仿昆虫微型飞行器基本处于一种理论上的研究，还没有真正能够独立飞行的 产品问世。之所以难以实现飞行的主要原因就是翅膀小，没有高效的传动效率，来产生足以 让飞行器飞行器的升力和推进力。 [0003]经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号C03112944.7中公开了一种电磁 式的具有扑翼装置的仿生微型飞行器，该装置采用永磁体和电磁驱动器相结合的方式控制 两对翅膀产生扑翼运动。 [0004]但是该现有技术由于采用多对永磁体和电磁驱动器，电磁干扰严重，控制方式复 杂，难以产生精确地翅膀运动，并且永磁体磁性受干扰会减弱甚至消失，不便于长久使用， 整机难以实现微型化。 发明内容 [0005]本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种仿昆虫微型扑翼飞行器，通过电 磁驱动结构驱动翼高频扇动产生升力，同时采用柔性铰链、圆形刚度圈以及翅痣来提高翼 扇动过程中在空气动力学作用下的被动旋转，获得多自由度的翅膀扇动，来产生更大的升 力和推进力。 [0006]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：胸腔构架、柔性运动块、电控系 统、翅膀以及刚度圈，其中：柔性运动块垂直设置于胸腔构架的中部，刚度圈分别与翅膀和 柔性运动块相连接，电控系统位于胸腔构架尾部并通过微加工技术直接布线与胸腔构架相 连。 [0007]所述的胸腔构架为圆环形筒状结构，包括：内侧骨架、柔性铰链和平面线圈，其中： 平面线圈位于内侧骨架的外表面上，并通过微加工技术在胸腔构架外表面上布导线与电控 系统相连，柔性铰链处于内侧骨架的中部并与柔性运动块的末端粘接。 [0008]所述的柔性运动块包括：柔性横梁和软金属层，其中：软金属层位于柔性横梁的 外表面且处于柔性横梁的中间位置，软金属层与电控系统采用细金属丝在胸腔构架内部连 接。 [0009]所述的电控系统包括：位于电控系统内侧表面的电源，控制电路单元和遥感接收 发射器，其中：电源采用3.7v锂电池。 [0010]所述的翅膀包括：翅脉、翅膜和翅痣，其中：翅痣嵌在翅脉的前缘末端位置，翅膜 包覆于翅脉的上下表面。 [0011]所述的刚度圈为平面螺旋式线圈，该刚度圈可以使翼在空气动力学的作用下发生 旋转
CN101948008A 说明书 2/3页 [0012]本发明通过电磁驱动原理，在胸腔构架中的线圈中通电流，会在胸腔内部产生平 行于构架的磁场，而通电的柔性运动块的软金属层在磁场中会受到安培力的作用，安培力 方向垂直于胸腔构架，通过控制线圈电流方向可以使柔性运动块发行向上和向下的交替形 变运动，从而带动翼上下扇动，在扇动过程中，柔性铰链减少机构摩擦，提高传动效率，翼前 缘的小质量块质量集中，会带动翼产生更大的偏角，在翼和空气的相互作用过程中，刚度圈 会发生一定的弹性形变，使翼产生内外翻转和攻角，从而达到高效率的扇动效果，产生使飞 行器能够飞行的升力和推进力。 [0013]本发明采用电磁式驱动，相比其他驱动方式具有响应频率高，输出力和位移大等 特点。 附图说明 [0014] 图1是本发明仿昆虫微型扑翼飞行器俯视图。 [0015] 图2是本发明仿昆虫微型扑翼飞行器斜视图。 [0016] 图3是本发明刚度圈和柔性铰链视图。 [0017] 图4是本发明仿昆虫微型扑翼飞行器后视图。 [0018] 图5是本发明仿昆虫微型扑翼飞行器侧视图。 具体实施方式 [0019]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。 [0020]如图1-5所示，本装置包括：胸腔构架1、柔性运动块2、电控系统3、翅膀4以及刚 度圈5，其中：柔性运动块2垂直设置于胸腔构架1的中部，刚度圈5分别与翅膀4和柔性 运动块2相连接，电控系统3位于胸腔构架1尾部并通过微加工技术直接布线与胸腔构架 1相连。 [0021]所述的柔性运动块2包括：软金属层6和柔性横梁7，其中：软金属层6位于柔性 横梁7的外表面且处于柔性横梁7的中间位置，软金属层6与电控系统3采用细金属丝在 胸腔构架内部连接。 [0022]所述的胸腔构架1为圆环形筒状结构，包括：内侧骨架8、柔性铰链9和平面线圈 10,其中：平面线圈10位于内侧骨架8的外表面上，并通过微加工技术在胸腔构架1外表面 上布导线与电控系统3相连，柔性铰链9处于内侧骨架8的中部并与柔性运动块2的末端 粘接。 [0023]所述的电控系统3包括：位于电控系统内侧表面的电源、控制电路单元和遥感接 收发射器，其中：电源为3.7v锂电池。 [0024]所述的翅膀4包括：翅脉11、翅膜12和翅痣13，其中：翅痣13嵌在翅脉11的前缘 末端位置，翅膜12包覆于翅脉11的上下表面。 [0025] 所述的刚度圈5为平面螺旋式线圈，该刚度圈使翼在空气动力学的作用下发生旋 转。 [0026] 本实施例的工作过程如下： 4
CN101948008A 说明书 3/3页 [0027] 由电控系统3中的电源经电流放大供电给胸腔构架1中的平面线圈10和软金属 层6，平面线圈10在内侧骨架8内部产生磁场，并在软金属层6上产生电流，由电磁原理，通 电导体在磁场中会受到安培力的作用。 [0028]假定如图4所示，磁场方向垂直纸面向里，当软金属层6通向左电流时，软金属层 6所受安培力方向向下，柔性横梁7向下弯曲，带动翅膀4产生下拍运动：当软金属层6通 向右电流时，安培力方向改变为向上，柔性横梁7向上弯曲，带动翅膀4产生上拍运动。 [0029]这一上拍、下拍扇翅运动的完成都是靠柔性横梁7的弯曲带动的，其中柔性铰链9 起到了很好的连接作用减少能量损失，翅痣13增加了翅膀4末端质量，增大了翅膀4的扇 角，而在上下拍动过程中，受空气动力学影响，翅膀4会发生变形和翻转，能量交换发生在 刚度圈5上，下拍过程中，挤压刚度圈5储存能量，使翅膀4产生外翻，并在下拍刚完成开始 上拍时释放能量，开始拉伸刚度圈5，是翅膀4产生内翻。上拍过程正好相反完成能量交换 和翻转运动。 [0030]本发明的电磁驱动方式具有操作简单的优点，采用软金属层所受电流安培力的作 用来驱动，避免了采用磁体因长久使用、外界磁场干扰等因素使其磁性减弱或失效缺点，柔 性铰链和刚度圈的采用增加了翅膀扇动的自由度，便于实现上拍下拍结束时的被动翻转， 有助于空气动力学中涡流的产生和捕获，增加翅膀产生的升力和推进力
CN101948008A 说明书附图 1/2页 1 12 图1 10 12 图2 图3 6
CN101948008A 说明书附图 2/2页 8 10 -13 图4 图5 7