基于智能復合微結構的亞手掌尺度壓電雙驅撲翼微飛行器的研究

魏銘辰,張衛平,王晨陽,趙佳欣,孟 冉

上海交通大學 微米/納米加工技術國家級重點實驗室,電子信息與電氣工程學院 微納電子學系,上海 200240)

0 引言

撲翼微飛行器具有輕量化、小型化的特征，可以進行超低空飛行，靈活機動地開展偵察和搜索[1]，在狹窄空間、復雜地形狀況中執行危險任務。同時，在低雷諾數條件下，與固定翼或旋翼飛行器相比，撲翼飛行的方式能提供更高的升力，在小尺寸范圍內更具優勢[2]。

1987年，Flynn等[3]首次提出仿昆蟲機器人的概念及其所需技術與研究策略。代爾夫特大學[4-6]采用電機-連桿機構將電機的旋轉運動轉換為翅翼的往復拍打運動，并成功實現飛行。Hines等[7]研制了電機直驅撲翼微飛行器并實現帶線起飛。為了進一步縮小飛行器的尺寸及質量，許多學者采用電磁驅動代替電機驅動。2015年，Roll等[8]采用電磁驅動器成功制作了一種撲翼微飛行器，并成功起飛。同年，上海交通大學[9]成功研制了毫克級電磁驅動的撲翼微飛行器，樣機重80 mg，為毫克級電磁驅動撲翼微飛行器首次起飛。電磁驅動器在工作狀態時的電流強度較高，不適宜長時間遠距離飛行工作。壓電驅動器工作過程中電流強度低，能源利用率高，可作為撲翼微飛行器有效的驅動方案。

毫克級指甲尺度大小的撲翼飛行器[9]尺度過小，無法搭載攝像頭等任務載荷，并且不能產生控制力矩，無法實現俯仰、翻滾、偏航等動作。數十克級電機驅動的撲翼飛行器的噪音較大且目標明顯，難以應用于隱蔽與集群布控場景。因此，本文設計并制造了一種亞手掌尺度的雙驅撲翼微飛行器，采用高功率密度的壓電驅動器、高效率及高傳動比的柔性鉸鏈球面四連桿機構，以及沿翅脈纖維方向進行合理布置的人工翅膀。樣機搭載驅動平臺與測試平臺，開展驅動器測試、飛行器升力與力矩測試。

1 設計與制造

1.1 整機設計制造

本文設計和制作了一種亞手掌尺度的微飛行器。在亞手掌尺度下，本文選擇撲翼飛行的方式，以期得到更大的升力。

本樣機采用壓電驅動方式，其具有尺寸微小，質量小等特點。利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應輸出位移，進而由傳動機構將壓電驅動器尖端的往復位移轉換為翅膀的往復拍打運動。

壓電驅動器的往復拍打運動輸出位移較小，而翅膀拍打角較大，因而需要設計傳動比更大、結構更緊湊的傳動機構，以適應飛行器的需求。本文采用一種柔性鉸鏈球面四連桿機構，并進行了數值優化，提高了傳動比和傳動機構輸出最大角，傳動機構輸入-輸出曲線線性度得到提升。

本文設計的撲翼微飛行器由一對壓電驅動器、一個包含一對球面四連桿的柔性鉸鏈傳動機構、一對根部含有柔性鉸鏈的翅膀、一副機身及輔助零件構成。每個壓電驅動器可單獨驅動，且可通過傳動機構將壓電驅動器產生的位移進行放大；兩個翅膀分別粘接在傳動機構兩側，可各自獨立完成拍打和扭轉運動；翅膀根部設計有柔性鉸鏈，使翅膀拍打時在慣性力和氣動力的作用下產生被動扭轉，進而產生升力。

基于多層平面材料的智能復合微結構(SCM)加工方法[9]，本文總體制造加工思路如圖1所示。首先運用紫外激光加工設備，根據圖紙設計將平面材料圖形化，通過減材工藝對材料實現局部結構的加工；接著將多層材料在加熱定位疊合，實現復合材料的層疊；然后運用紫外激光設備配備的高分辨率相機，實現抓靶重復定位外輪廓再切割，釋放零件；再將二維平面零件按照設計需求折疊成三維立體結構，從而完成零部件的制作；最后裝配所有零部件，完成樣機制作。

圖1 總體制造加工流程圖

撲翼微飛行器在翅膀拍打時，需要盡可能地減少機架固定部分的形變，同時盡可能地減少自身質量。因此，飛行器需由高強度、低密度的材料制造而成。碳纖維密度小，且沿著纖維軸方向具有很高的強度和模量，是制作撲翼微飛行器的一種理想材料，本文主要采用高模量碳纖維預浸料。另外，在撲翼飛行器中還應用了壓電陶瓷材料、玻璃纖維預浸料、聚酰亞胺薄膜和聚酯薄膜等材料。

1.2 傳動機構

傳動機構是撲翼微飛行器中的重要部件，本文傳動機構由剛性連桿和柔性薄膜構成。將柔性薄膜部分簡化為具有扭轉剛度的轉動副，整個傳動機構可視作兩個對稱分布的球面四連桿機構。傳動機構由驅動器提供輸入角度，向翅膀根部提供輸出角度。

為降低裝配難度、提升傳動機構制造的精度與一致性，本設計中將經圖形化加工的兩層碳纖維與聚酰亞胺薄膜層疊后形成平面復合結構，其中聚酰亞胺薄膜作為柔性鉸鏈，碳纖維部分作為連桿。沿著鋸齒方向向內側折疊，將平面復合材料折疊成三維結構。傳動機構由驅動器提供輸入角度，向翅膀根部提供輸出角度。四連桿的3個柔性鉸鏈軸線相交于一個共同的球心點。為了便于分析傳動機構的運動規律，建立了球面坐標系如圖2所示, 圖中α和β為轉軸軸間夾角。

圖2 傳動機構運動分析坐標系

根據傳動機構的幾何關系，當確定一個輸入角時，即可確定所有變量。因此，依次選取輸入角可得到全部鉸鏈的運動位置坐標。翅膀根部的轉動角可用向量BC變化量表示，并繪制出傳動機構輸出角隨輸入角變化的圖像。

取不同的軸間夾角值，得到不同的輸入-輸出曲線，如圖3所示。結合設計需求，傳動機構應盡量滿足以下需求：

1) 傳動機構的傳動比盡可能高，可為飛行器提供盡可能大的拍打角。

2) 傳動機構的輸出角極限值需盡可能大。由圖3可見，傳動機構的輸出角存在極大值，若該值過低，則會限制翅膀的拍打。若驅動器的輸出位移在翅膀已達到輸出角極限時進一步加大，那么翅膀會發生小幅度回拍。

3) 傳動機構的輸入-輸出曲線要盡可能的線性，傳動機構的瞬時傳動比變化平滑，則翅膀的拍打也將均勻而高效。

綜合考慮后，選取軸間夾角為5°，此時可得到輸入-輸出曲線斜率、輸出上限、線性度三者兼顧的最優解。

圖3 傳動機構的輸入-輸出曲線

1.3 壓電驅動器

壓電驅動器具有響應速度快，驅動功率低，位移精度高等優點，是適合亞手掌撲翼微飛行器的驅動方式。壓電材料受電場作用產生的應變較小，難以被直接利用，一般采用層合梁結構，將壓電材料的形變轉換為懸臂梁的尖端位移。

圖4為壓電驅動器制造流程圖。壓電驅動器由5層平面材料構成，包括兩層壓電陶瓷片、一層碳纖維、兩層玻璃纖維。壓電陶瓷選用PbZrTiO3-5H(PZT-5H)材料，兩片壓電陶瓷形狀尺寸完全一致，極化方向相同且均垂直于軸線。為了提高能量密度，壓電陶瓷切割為等腰梯形。兩層壓電陶瓷中間布置纖維方向與軸線一致的碳纖維預浸料。驅動器尾部及尖端最外層的玻璃纖維起加固和放大輸出位移的作用，同時在疊合工藝中充當了為壓電陶瓷和碳纖維精準定位提供幫助的夾具。兩層玻璃纖維的圖形化略有不同，需在其中一層玻璃纖維根部開有小窗，以預留碳纖維焊接導線的位置。5層材料經紫外激光圖形化加工后，在高溫高壓條件下疊合固化，最終再次使用紫外激光進行外廓加工，從而得到壓電驅動器。

圖4 壓電驅動器制造流程圖

本文選用同步驅動方式進行驅動，如圖5所示。同步驅動電壓源為直流電及交流電。在驅動器兩側加上直流電壓，并在中間碳纖維層加上交流電。上、下兩層壓電陶瓷所在電場強度不同，軸向形變也不同，共同作用產生層合梁撓曲，進而輸出位移。

圖5 同步驅動方式示意圖

1.4 翅膀與機身

人造翅膀主體的翅膜使用聚酯膜,翅脈使用碳纖維。考慮到碳纖維材料具有方向性，翅膀的前緣與翅脈分別進行加工，以保證前緣與翅脈都沿著碳纖維方向。然后，將前緣和翅脈疊合，并在兩層碳纖維之間夾入聚酯膜作為翅膜。經加熱疊合后，紫外激光切割翅膀外廓釋放出翅膀，如圖6(a)所示。翅膀根部采用雙層碳纖維與單層聚酰亞胺疊合制成的柔性鉸鏈。

圖6 人造翅膀與機身零件圖

機身是連接固定傳動機構、驅動器和翅膀的輔助零件。考慮到機身需要有較強的剛度及強度，預先將兩層纖維方向正交布置的碳纖維預浸料直接疊合在一起，并加熱預處理，加強了材料剛度。利用激光進行切割，可得到如圖6(b)所示的機身零件。

1.5 整機裝配

將上述加工所得零部件依序進行裝配，得到壓電驅動撲翼微飛行器，如圖7所示。樣機整機質量為244 mg，翼展61 mm。其中，機身質量為23 mg，傳動機構質量為12 mg，一對翅膀翅翼質量為5 mg，一對翅膀根部質量為3 mg，一對壓電驅動器質量為192 mg，膠水、導線等質量為9 mg。

圖7 整機實物圖

2 實驗測試

2.1 壓電驅動器性能測試

壓電驅動器測試主要包含空載共振頻率測試和負載共振頻率測試。在壓電驅動器空載共振頻率測試中，將驅動器尾端固定夾緊，頭部懸空，將激光位移探頭對準驅動器頭部。將輸入電壓設為120 V，采樣頻率10 000 Hz，掃頻起始點為1 Hz，終止點為1 500 Hz進行線性掃頻。經過濾波處理后，再對數據進行功率譜密度分析，得到壓電驅動器空載共振頻率約為1 100 Hz。

負載條件下，需測量壓電驅動器裝配在撲翼微飛行器上所測得的幅頻特性。由于翅膀的拍打將干擾激光位移傳感器對驅動器的測試，在這部分實驗中，只裝配飛行器一側的驅動器及翅膀，并放置在激光位移傳感器的下面。負載共振頻率測試所采用的驅動、測試系統與空載測試相同。經過濾波處理后，再對數據進行功率譜密度分析，得到壓電驅動器負載共振頻率約為28 Hz。

2.2 飛行器升力測試

本設計中樣機的質量在300 mg內，傳統的力傳感器難以滿足毫克級測量要求。本文采用雙懸臂梁結構，將飛行器的升力轉化為雙懸臂梁結構的形變。再用電容位移傳感器檢測懸臂梁的尖端位移，從而計算出升力。搭建的實驗平臺如圖8所示。取驅動電信號250 V，驅動頻率30 Hz，計算得到樣機的平均升力為0.689 mN。

圖8 搭建的實驗平臺

3 結束語

本文研究的撲翼微飛行器在結構與加工工藝上可行，各零部件設計加工方案通過驗證，并制造出各零部件結構，完成了樣機整機裝配。對傳動機構進行了數值優化，對壓電驅動器性能、樣機性能進行了測試，驗證了設計研究的合理性。