魏銘辰,張衛(wèi)平,王晨陽,趙佳欣,孟 冉

上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)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(jìn)行超低空飛行，靈活機(jī)動(dòng)地開展偵察和搜索[1]，在狹窄空間、復(fù)雜地形狀況中執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)。同時(shí)，在低雷諾數(shù)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(nèi)更具優(yōu)勢(shì)[2]。

1987年，F(xiàn)lynn等[3]首次提出仿昆蟲機(jī)器人的概念及其所需技術(shù)與研究策略。代爾夫特大學(xué)[4-6]采用電機(jī)-連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為翅翼的往復(fù)拍打運(yùn)動(dòng)，并成功實(shí)現(xiàn)飛行。Hines等[7]研制了電機(jī)直驅(qū)撲翼微飛行器并實(shí)現(xiàn)帶線起飛。為了進(jìn)一步縮小飛行器的尺寸及質(zhì)量，許多學(xué)者采用電磁驅(qū)動(dòng)代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2015年，Roll等[8]采用電磁驅(qū)動(dòng)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(xué)[9]成功研制了毫克級(jí)電磁驅(qū)動(dòng)的撲翼微飛行器，樣機(jī)重80 mg，為毫克級(jí)電磁驅(qū)動(dòng)撲翼微飛行器首次起飛。電磁驅(qū)動(dòng)器在工作狀態(tài)時(shí)的電流強(qiáng)度較高，不適宜長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離飛行工作。壓電驅(qū)動(dòng)器工作過程中電流強(qiáng)度低，能源利用率高，可作為撲翼微飛行器有效的驅(qū)動(dòng)方案。

毫克級(jí)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(wù)載荷，并且不能產(chǎn)生控制力矩，無法實(shí)現(xiàn)俯仰、翻滾、偏航等動(dòng)作。數(shù)十克級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的撲翼飛行器的噪音較大且目標(biāo)明顯，難以應(yīng)用于隱蔽與集群布控場(chǎng)景。因此，本文設(shè)計(jì)并制造了一種亞手掌尺度的雙驅(qū)撲翼微飛行器，采用高功率密度的壓電驅(qū)動(dòng)器、高效率及高傳動(dòng)比的柔性鉸鏈球面四連桿機(jī)構(gòu)，以及沿翅脈纖維方向進(jìn)行合理布置的人工翅膀。樣機(jī)搭載驅(qū)動(dòng)平臺(tái)與測(cè)試平臺(tái)，開展驅(qū)動(dòng)器測(cè)試、飛行器升力與力矩測(cè)試。

1 設(shè)計(jì)與制造

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)制造

本文設(shè)計(jì)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(jī)采用壓電驅(qū)動(dòng)方式，其具有尺寸微小，質(zhì)量小等特點(diǎn)。利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)輸出位移，進(jìn)而由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將壓電驅(qū)動(dòng)器尖端的往復(fù)位移轉(zhuǎn)換為翅膀的往復(fù)拍打運(yùn)動(dòng)。

壓電驅(qū)動(dòng)器的往復(fù)拍打運(yùn)動(dòng)輸出位移較小，而翅膀拍打角較大，因而需要設(shè)計(jì)傳動(dòng)比更大、結(jié)構(gòu)更緊湊的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)飛行器的需求。本文采用一種柔性鉸鏈球面四連桿機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化，提高了傳動(dòng)比和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出最大角，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入-輸出曲線線性度得到提升。

本文設(shè)計(jì)的撲翼微飛行器由一對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)包含一對(duì)球面四連桿的柔性鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、一對(duì)根部含有柔性鉸鏈的翅膀、一副機(jī)身及輔助零件構(gòu)成。每個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，且可通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將壓電驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的位移進(jìn)行放大；兩個(gè)翅膀分別粘接在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩側(cè)，可各自獨(dú)立完成拍打和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；翅膀根部設(shè)計(jì)有柔性鉸鏈，使翅膀拍打時(shí)在慣性力和氣動(dòng)力的作用下產(chǎn)生被動(dòng)扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生升力。

基于多層平面材料的智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)(SCM)加工方法[9]，本文總體制造加工思路如圖1所示。首先運(yùn)用紫外激光加工設(shè)備，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)將平面材料圖形化，通過減材工藝對(duì)材料實(shí)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)的加工；接著將多層材料在加熱定位疊合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的層疊；然后運(yùn)用紫外激光設(shè)備配備的高分辨率相機(jī)，實(shí)現(xiàn)抓靶重復(fù)定位外輪廓再切割，釋放零件；再將二維平面零件按照設(shè)計(jì)需求折疊成三維立體結(jié)構(gòu)，從而完成零部件的制作；最后裝配所有零部件，完成樣機(jī)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(shí)，需要盡可能地減少機(jī)架固定部分的形變，同時(shí)盡可能地減少自身質(zhì)量。因此，飛行器需由高強(qiáng)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(qiáng)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(yù)浸料。另外，在撲翼飛行器中還應(yīng)用了壓電陶瓷材料、玻璃纖維預(yù)浸料、聚酰亞胺薄膜和聚酯薄膜等材料。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是撲翼微飛行器中的重要部件，本文傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由剛性連桿和柔性薄膜構(gòu)成。將柔性薄膜部分簡(jiǎn)化為具有扭轉(zhuǎn)剛度的轉(zhuǎn)動(dòng)副，整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可視作兩個(gè)對(duì)稱分布的球面四連桿機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)制造的精度與一致性，本設(shè)計(jì)中將經(jīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)，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(nèi)側(cè)折疊，將平面復(fù)合材料折疊成三維結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)器提供輸入角度，向翅膀根部提供輸出角度。四連桿的3個(gè)柔性鉸鏈軸線相交于一個(gè)共同的球心點(diǎn)。為了便于分析傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了球面坐標(biāo)系如圖2所示, 圖中α和β為轉(zhuǎn)軸軸間夾角。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析坐標(biāo)系

根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系，當(dāng)確定一個(gè)輸入角時(shí)，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(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)。翅膀根部的轉(zhuǎn)動(dòng)角可用向量BC變化量表示，并繪制出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jié)合設(shè)計(jì)需求，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量滿足以下需求：

1) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比盡可能高，可為飛行器提供盡可能大的拍打角。

2) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出角極限值需盡可能大。由圖3可見，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出角存在極大值，若該值過低，則會(huì)限制翅膀的拍打。若驅(qū)動(dòng)器的輸出位移在翅膀已達(dá)到輸出角極限時(shí)進(jìn)一步加大，那么翅膀會(huì)發(fā)生小幅度回拍。

3) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入-輸出曲線要盡可能的線性，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)傳動(dòng)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(shí)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(yōu)解。

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入-輸出曲線

1.3 壓電驅(qū)動(dòng)器

壓電驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)功率低，位移精度高等優(yōu)點(diǎn)，是適合亞手掌撲翼微飛行器的驅(qū)動(dòng)方式。壓電材料受電場(chǎng)作用產(chǎn)生的應(yīng)變較小，難以被直接利用，一般采用層合梁結(jié)構(gòu)，將壓電材料的形變轉(zhuǎn)換為懸臂梁的尖端位移。

圖4為壓電驅(qū)動(dòng)器制造流程圖。壓電驅(qū)動(dòng)器由5層平面材料構(gòu)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(yù)浸料。驅(qū)動(dòng)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(shí)在疊合工藝中充當(dāng)了為壓電陶瓷和碳纖維精準(zhǔn)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(yù)留碳纖維焊接導(dǎo)線的位置。5層材料經(jīng)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(jìn)行外廓加工，從而得到壓電驅(qū)動(dòng)器。

圖4 壓電驅(qū)動(dòng)器制造流程圖

本文選用同步驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。同步驅(qū)動(dòng)電壓源為直流電及交流電。在驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)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(chǎng)強(qiáng)度不同，軸向形變也不同，共同作用產(chǎn)生層合梁撓曲，進(jìn)而輸出位移。

圖5 同步驅(qū)動(dòng)方式示意圖

1.4 翅膀與機(jī)身

人造翅膀主體的翅膜使用聚酯膜,翅脈使用碳纖維?？紤]到碳纖維材料具有方向性，翅膀的前緣與翅脈分別進(jìn)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(jīng)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(jī)身零件圖

機(jī)身是連接固定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器和翅膀的輔助零件?？紤]到機(jī)身需要有較強(qiáng)的剛度及強(qiáng)度，預(yù)先將兩層纖維方向正交布置的碳纖維預(yù)浸料直接疊合在一起，并加熱預(yù)處理，加強(qiáng)了材料剛度。利用激光進(jìn)行切割，可得到如圖6(b)所示的機(jī)身零件。

1.5 整機(jī)裝配

將上述加工所得零部件依序進(jìn)行裝配，得到壓電驅(qū)動(dòng)撲翼微飛行器，如圖7所示。樣機(jī)整機(jī)質(zhì)量為244 mg，翼展61 mm。其中，機(jī)身質(zhì)量為23 mg，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量為12 mg，一對(duì)翅膀翅翼質(zhì)量為5 mg，一對(duì)翅膀根部質(zhì)量為3 mg，一對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量為192 mg，膠水、導(dǎo)線等質(zhì)量為9 mg。

圖7 整機(jī)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 壓電驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試

壓電驅(qū)動(dòng)器測(cè)試主要包含空載共振頻率測(cè)試和負(fù)載共振頻率測(cè)試。在壓電驅(qū)動(dòng)器空載共振頻率測(cè)試中，將驅(qū)動(dòng)器尾端固定夾緊，頭部懸空，將激光位移探頭對(duì)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器頭部。將輸入電壓設(shè)為120 V，采樣頻率10 000 Hz，掃頻起始點(diǎn)為1 Hz，終止點(diǎn)為1 500 Hz進(jìn)行線性掃頻。經(jīng)過濾波處理后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度分析，得到壓電驅(qū)動(dòng)器空載共振頻率約為1 100 Hz。

負(fù)載條件下，需測(cè)量壓電驅(qū)動(dòng)器裝配在撲翼微飛行器上所測(cè)得的幅頻特性。由于翅膀的拍打?qū)⒏蓴_激光位移傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試，在這部分實(shí)驗(yàn)中，只裝配飛行器一側(cè)的驅(qū)動(dòng)器及翅膀，并放置在激光位移傳感器的下面。負(fù)載共振頻率測(cè)試所采用的驅(qū)動(dòng)、測(cè)試系統(tǒng)與空載測(cè)試相同。經(jīng)過濾波處理后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度分析，得到壓電驅(qū)動(dòng)器負(fù)載共振頻率約為28 Hz。

2.2 飛行器升力測(cè)試

本設(shè)計(jì)中樣機(jī)的質(zhì)量在300 mg內(nèi)，傳統(tǒng)的力傳感器難以滿足毫克級(jí)測(cè)量要求。本文采用雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，將飛行器的升力轉(zhuǎn)化為雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的形變。再用電容位移傳感器檢測(cè)懸臂梁的尖端位移，從而計(jì)算出升力。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。取驅(qū)動(dòng)電信號(hào)250 V，驅(qū)動(dòng)頻率30 Hz，計(jì)算得到樣機(jī)的平均升力為0.689 mN。

圖8 搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 結(jié)束語

本文研究的撲翼微飛行器在結(jié)構(gòu)與加工工藝上可行，各零部件設(shè)計(jì)加工方案通過驗(yàn)證，并制造出各零部件結(jié)構(gòu)，完成了樣機(jī)整機(jī)裝配。對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化，對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器性能、樣機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)研究的合理性。