楊 藝， 車云龍

(1.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191；2.中國科學院 電工研究所，北京 100190)

0 引 言

仿昆蟲微型撲翼飛行器[1](insect-inspired flapping-wing micro air vehicles,FMAV)研究的主要難點在于設計并加工一種在微尺度下適用且高效的動力裝置，即微撲翼驅(qū)動器。目前，針對微撲翼驅(qū)動器的研究多采用靜電[2,3]、電磁[4,5]以及壓電[6,7]驅(qū)動原理。其中，靜電驅(qū)動原理已經(jīng)在微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)領域的靜電梳齒、靜電振蕩器等結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應用[8,9]。然而，早期的靜電微撲翼驅(qū)動器均采用交流電壓輸入，且基于受迫振動原理[3]。且該原理由于存在著輸出位移小、交流電路無法微型化的缺陷，以及吸合短路失效的危險，一直未得到成功應用。2015年，文獻[2]提出了一種基于自激振動原理的新型靜電微撲翼驅(qū)動器，克服了上述不足，為仿昆蟲微型飛行器的動力研制提供了新的思路。目前，采用該原理驅(qū)動的厘米(cm)級微撲翼驅(qū)動器的雙翅構(gòu)型(翼展5cm)，已經(jīng)完成升力驗證，產(chǎn)生了相當于3.1mg質(zhì)量的升力，但整機質(zhì)量達到了330mg，升重比僅有0.0094，離整機飛行仍有較大差距。為實現(xiàn)上述裝置的整機飛行，本文提出了2個需要改進的方面：1)將裝置的尺寸繼續(xù)縮小，研究cm級驅(qū)動器，因為驅(qū)動力(靜電力)屬于表面力，因此，靜電驅(qū)動在小尺寸、大表面積/體積比上更具有優(yōu)勢；2)改進各部件的加工工藝，在保證性能的前提下盡量降低整機質(zhì)量。

由此，本文提出了一種采用自激振動、靜電驅(qū)動原理的微撲翼驅(qū)動器單翅驗證性構(gòu)型；引入了一種采用激光切割結(jié)合碳纖維預浸料(carbon-fiber prepreg material,CFPM)、聚酯薄膜以及錫箔的加工工藝，成功加工出了翼展9mm，質(zhì)量僅3mg的微撲翼驅(qū)動器構(gòu)型驗證樣機；設計了基于微力傳感器的升力測試系統(tǒng)。本文對微撲翼驅(qū)動器的研究，可為后續(xù)靜電驅(qū)動微型撲翼飛行器整機自主飛行奠定基礎。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設計

cm級靜電微撲翼驅(qū)動器的工作原理如圖1(a)所示。直流電源的正、負極和一對平行電極板連接，一根固定在絕緣基座上的金屬梁置于兩電極板之間。在工作狀態(tài)下，直流電壓VDC施加于該對電極上。隨著VDC不斷升高，由于兩平行板電極對金屬梁靜電力的不平衡，金屬梁會逐漸偏向其中一邊的電極。當VDC增大到失穩(wěn)電壓(pull-in vol-tage)[10]之后，金屬梁被激發(fā)至穩(wěn)定的振動狀態(tài)，以金屬梁—翅翼振子的一階固有頻率附近的頻率大小在兩電極之間來回碰撞和充放電，形成高頻大幅值的振動。通過金屬梁振動輸出的位移和力，驅(qū)動位于金屬梁端部的翅翼。

根據(jù)Dickson M H等人的研究[11]，昆蟲振翅運動之所以能夠產(chǎn)生高升力，除了因為翅翼拍動時具有大拍動角和高拍動頻率，更重要的原因是翅翼在拍動中結(jié)合了扭轉(zhuǎn)運動。同樣的，根據(jù)仿生學原理，微撲翼驅(qū)動器不僅需要輸出大振幅、高頻的拍動，還需要通過柔性鉸鏈等傳動機構(gòu)，使翅翼在拍動過程中與空氣相互作用，從而產(chǎn)生“被動扭轉(zhuǎn)”，模仿自然界昆蟲的振翅軌跡，最終產(chǎn)生升力。

圖1 驅(qū)動器與構(gòu)型示意

微撲翼驅(qū)動器的總體結(jié)構(gòu)設計如圖1(b)所示，按照驅(qū)動器各部件所實現(xiàn)的不同功能可將其分為5部分：

1)金屬梁：驅(qū)動器的核心運動部件，在工作狀態(tài)下處于穩(wěn)定振動狀態(tài)以帶動翅翼。金屬梁—翅翼振子的實際振動頻率主要決定于振子的固有頻率，并受到慣性力及氣動阻尼的影響。

2)基座：為金屬梁提供絕緣基底?；膶挾葲Q定了正負電極的間距。

4)柔性鉸鏈：需具有特定的彎曲剛度，從而保證翅翼在拍動過程中能夠因為與空氣的相互作用而產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)角；根據(jù)文獻[12]，對于寬為w，長為l，厚度為t的微撲翼柔性鉸鏈，其彎曲剛度由式(1)確定

(1)

式中E為所采用材料的彈性模量，在選擇鉸鏈材料時已確定。因此，改變鉸鏈的幾何參數(shù)，是控制柔性鉸鏈彎曲剛度，改變扭轉(zhuǎn)角的主要方式。

5)人工翅翼：需要滿足質(zhì)量輕、強度高、平整度好等條件，是產(chǎn)生升力的主要構(gòu)件。

2 加工方法

2.1 電極加工

電極加工所使用的主要材料為CFPM，預浸料經(jīng)過加熱再冷卻過程會固化，此時在碳纖維方向上具有很高的抗拉強度，而垂直于碳纖維方向有很好的抗彎剛度，同時導電性能好，密度小，厚度僅有30μm。電極的具體加工步驟為：

1)碳纖維預浸料切割及固化

一、試驗目的：對應用不同菌種進行內(nèi)置式秸稈生物反應堆技術后的溫度、產(chǎn)量進行對比試驗，找出最適合當?shù)赝茝V的菌種。

采用激光切割的方法對碳纖維預浸料進行切割，得到預浸料薄片；將薄片加熱固化，得到待粘接碳纖維固化片。切割時需要保證薄片的受力彎曲方向與碳纖維方向垂直，最大限度地發(fā)揮碳纖維高抗彎剛度的優(yōu)勢。

2)碳纖維固化片粘接

由于電極及電極的延伸部分的受力彎曲方向不一致，因此，需將兩部分分別切割，加熱固化后，再由導電膠粘接為L形，形成單側(cè)電極組合體。

3)與基座粘接

由指定寬度的聚酯材料(PET)制作的基座將兩側(cè)電極粘接起來，形成整體。

2.2 翅翼及柔性鉸鏈

在現(xiàn)有的研究中[2]，真實的蜜蜂翅翼因其質(zhì)量輕、剛性好并且獲得方便的原因，被用作驅(qū)動器的輸出端。然而，真實翅翼因為翅脈的影響，表面有輕微的撓曲，致使翅翼在拍動時具有難以忽略的非對稱性。因此，本文考慮用人工制作的平整翅翼替代真實翅翼。翅翼的具體加工步驟如下：

1)翼膜及柔性鉸鏈材料切割

翅翼翼膜及柔性鉸鏈所采用的材料相同，均為厚度為2μm的聚酯薄膜雙向拉伸聚酯薄膜(BoPET)。因此，在加工時，需使用激光切割機同時將翅翼翼膜與已確定幾何參數(shù)的柔性鉸鏈加工，以提高加工效率。

2)翅脈切割

為了使包括主脈和支脈在內(nèi)的所有翅脈均具有較好的抗彎剛度，翅翼加工采用夾層結(jié)構(gòu)，在翼膜的兩側(cè)分別設置兩層翅脈，一側(cè)為主脈與碳纖維方向平行的翅脈，目的是保證翅脈在主脈方向的抗彎剛度；另一側(cè)為支脈與碳纖維方向平行的翅脈，目的是保證翅脈在支脈方向的抗彎剛度。同樣，翅脈的加工也是使用激光切割碳纖維預浸料的方法，切割得到待固化的預浸料翅脈。

3)翼膜翅脈粘接及固化

將預浸料翅脈按照上述排列，利用翅脈上的環(huán)氧樹脂將其初步粘接在翼膜兩側(cè)。另外，還需要切割兩塊預浸料薄片粘接在柔性鉸鏈上部，用于控制鉸鏈的寬度，進而控制翅翼的扭轉(zhuǎn)角大小。粘接完成后，對組合體加壓并加熱，使預浸料固化，即可獲得加工好的翅翼樣品。如圖2(a)所示。

2.3 金屬梁

相比于現(xiàn)有的研究[2]，本文所采用的金屬梁為由錫箔制成的片狀梁，而非文獻中所采用的記憶合金絲。改進的原因，一方面考慮到靜電力公式

(2)

式中A為振動梁與電極正對面積；ε0，εr分別為自由、相對介電常數(shù)。如采用片狀梁，可以大幅增加振動梁與電極的正對面積，增大靜電力，從而使振子更容易起振。

另一方面則是因為片狀梁相比于圓柱狀梁在Z向上不容易變形，可以更好地將升力力矩傳遞至整機。然而，片狀梁的采用會增大振子所受到的氣動阻尼，影響振子的實際振動頻率。為解決此問題，于片狀梁上設置大量通孔，使得片狀梁表面形成類似紗網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，以減小振子所受到的氣動阻尼。表1列舉了無翅翼狀態(tài)下有無孔梁的振動參數(shù)對比。從表中得到，可通過通孔的布置減小氣動阻尼的影響提升金屬梁的振動表現(xiàn)。

表1 有孔及無孔梁的振動參數(shù)對比

2.4 裝 配

各組件裝配如圖2所示。由于采用了高效的激光切割方法，以及方便加工并快速成型的碳纖維預浸料，驅(qū)動器的完整加工過程可以在一天之內(nèi)完成，而且可以大批量生產(chǎn)，大幅提高了加工效率。加工完成后的驅(qū)動器各部分質(zhì)量為機體為2.7 mg,拍動件為0.2 mg,金屬梁為0.052 mg,總體近似為3 mg。

圖2 組件

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與升力測試

在進行整機試驗前，需先通過臺架優(yōu)化試驗確定微撲翼驅(qū)動器的部分幾何參數(shù)，如電極間距、鉸鏈寬度、金屬梁長度等。臺架優(yōu)化試驗中，通過調(diào)整微位移平臺、更換拍動件或金屬梁等方式，可以改變驅(qū)動器的部分幾何參數(shù)，進而可以對驅(qū)動器驅(qū)動撲翼輸出的運動參數(shù)進行優(yōu)化,確定驅(qū)動器的最終幾何參數(shù)。

根據(jù)優(yōu)化后的幾何參數(shù)設計了基于微力傳感器的升力測試系統(tǒng)，可對整機進行瞬時升力測試。分析升力測試結(jié)果，能夠得到平均升力和升重比，并可以對今后靜電微撲翼驅(qū)動器的設計起到指導作用。

3.1 臺架優(yōu)化試驗

在微撲翼驅(qū)動器驅(qū)動翅翼產(chǎn)生升力的過程中，翅翼的拍動頻率f、拍動角θ及扭轉(zhuǎn)角φ是影響升力大小的三個關鍵參數(shù)[13]。Harvard大學Wood教授團隊研制的實現(xiàn)自主飛行的壓電撲翼飛行器，其翅翼的三個參數(shù)分別為110 Hz，±50°和±50°。本文對撲翼運動參數(shù)的優(yōu)化，圍繞著這三個參數(shù)展開，并以其作為目標。

臺架優(yōu)化試驗的試驗臺如圖3(a)所示。正、負電極分別固定于金屬梁左、右的微位移平臺上，該微位移平臺的最小分度為0.01 mm，通過調(diào)整微位移平臺，可以實現(xiàn)對正、負電極間距的精確控制。另外，試驗臺上方設置了高速相機，用于捕捉翅翼的振翅情況，同時記錄翅翼的拍動頻率及拍動角等參數(shù)，如圖3(b)所示。

圖3 試驗效果

圖4(a)給出了在VDC保持在2 kV的條件下，翅翼的拍動頻率f及拍動角θ相對于電極間距d0的變化情況；圖4(b)則給出了失穩(wěn)電壓V0相對于電極間距的變化情況。分析試驗得到的數(shù)據(jù)可知，在d0過小(試驗中小于0.8 mm)的情況下，正負電極容易擊穿空氣放電而導致短路，在圖像上該區(qū)域稱為擊穿區(qū)；當d0處于擊穿區(qū)以外時，隨著電極間距增大，θ及V0逐漸增大，而f逐漸減小?？紤]到實現(xiàn)高升力要求同時具有高拍動頻率和大拍動角，另外還需要保證失穩(wěn)電壓V0盡量小以防止擊穿。最終選取d0=1.5 mm作為設計電極間距。

圖4 拍動頻率、拍動角、失穩(wěn)電壓隨電極間距的變化

類似的方法，可以確定鉸鏈寬度、金屬梁長度等其他幾何參數(shù)。最終得到所有幾何參數(shù)的設計值如表 2所示。另外，微撲翼驅(qū)動器驅(qū)動翅翼拍動的輸出關鍵參數(shù)為：拍動頻率為91 Hz，拍動角為±40°，扭轉(zhuǎn)角為±25°。高速相機拍攝的翅翼在臺架優(yōu)化試驗階段的最佳拍動圖像如圖3(b)所示。對高速相機獲取的圖像進行測量，得到翅翼的拍動角為±40°，扭轉(zhuǎn)角為±25°，與Wood團隊成功實現(xiàn)飛行的飛行器參數(shù)接近。

表2 幾何參數(shù)設計

3.2 升力測試

微型撲翼飛行器產(chǎn)生的升力通常在10 μN量級，即毫克(mg)量級(為了與質(zhì)量比較，本文使用mgf作為單位表征升力)。為了精確測定驅(qū)動器驅(qū)動翅翼所產(chǎn)生的實時升力，設計了基于Aurora Scientific公司403A微力傳感器的升力測試系統(tǒng)，如圖5(a)所示。

若將探頭與微驅(qū)動器直接接觸進行測試，驅(qū)動器的振動將會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大影響。為將振動進行隔離，將驅(qū)動器置于一條能夠自由轉(zhuǎn)動的懸臂梁一端，并在另一端放置配重，調(diào)整懸臂梁的姿態(tài)使探頭受到壓力。當升力產(chǎn)生時，探頭受到的壓力將會發(fā)生變化，微力傳感器即將變化記錄，還原出瞬時升力。設計同時還能將探頭受到的力限制在豎直方向上，從而提高測試的精度。

圖5 微力傳感器的升力測試系統(tǒng)

圖5(b)為利用上述升力測試系統(tǒng)測得的瞬時升力和平均升力。分析圖像可知：1)因翅翼拍動往返，均會產(chǎn)生升力，所以應將圖中兩個峰為一組作為一個周期；根據(jù)這一條件，由圖像得到翅翼拍動的頻率約為100 Hz，與臺架測試得到的數(shù)據(jù)相一致；2)將升力數(shù)據(jù)平均，可得微撲翼驅(qū)動器驅(qū)動單側(cè)翅翼產(chǎn)生的升力為1.5 mgf，或者15 μm，因此，本驅(qū)動器的平均升重比達0.5，是以往裝置的53倍。

4 結(jié) 論

設計了一種mm級的微撲翼驅(qū)動器，研究了此類驅(qū)動器的微型化加工方法，以及臺架和整機測試試驗。試驗結(jié)果表明:該微撲翼驅(qū)動器(翼展9 mm，重量3 mgf)拍動頻率91 Hz，拍動角±40°，扭轉(zhuǎn)角±25°，輸出升力1.5 mgf，升重比達0.5。

由于本文采用直流輸入的新型靜電驅(qū)動原理，相比于采用交流輸入的各類驅(qū)動原理，本驅(qū)動器可在未來直接采用儲能電容器等方式進行供電，擺脫地面電源及導線的束縛。因此,本驅(qū)動原理在撲翼飛行器微型化以及脫線飛行方面，具有極大的優(yōu)勢和潛力，值得今后進行更深入的研究。下一步工作將集中在驅(qū)動器構(gòu)型優(yōu)化以及翅翼拍動軌跡優(yōu)化等方面，盡早實現(xiàn)靜電驅(qū)動微型撲翼飛行器的升重比大于1；另外還需要進行儲能電容器對該驅(qū)動器供電的研究，為本文原理在自主飛行的微撲翼飛行器上的應用打下基礎。

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