一种基于电热人工肌肉的仿生飞行器的制作方法

本发明属于仿生飞行器设计技术领域，具体涉及一种以电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉为动力源的仿生飞行器。

背景技术：

近年来，随着计算机技术、微机电技术以及通讯技术的迅猛发展，航天飞行技术也逐渐成熟。飞行器按其飞行原理可分为固定翼飞行器、旋翼飞行器和扑翼飞行器，前两种飞行器技术相对成熟，但也有其弊端。例如固定翼飞行器往往尺寸较大、机动性差、不能实现悬停飞行；旋翼飞行器存在能耗高、噪音大等缺点。相对来说扑翼飞行器具有较高的升力和灵活的机动性，而且扑翼飞行器可以仿照鸟类扑动翅膀，与自然生物十分相似，在军用领域和民用领域都有很大的应用前景。

基于上述说明，目前已有的扑翼型仿生飞行器，如申请号为cn202021060498.8的专利，包括机身、机翼、尾翼、机翼驱动机构、尾翼驱动机构。该仿生飞行器在机翼驱动机构的驱动下，两侧的机翼可实现上下扑动运动和翼剖面的扭转运动，具有较高的飞行速度和较大的推力，尾翼驱动机构驱动尾翼摆动可保持飞行器的平衡及提供部分升力。

然而，此仿生飞行器的驱动机构包括电机、主动齿轮、从动齿轮、曲柄、连杆、摇臂等，这复杂的机械结构无疑成为其不足之处。另外，选用电机作为其驱动源也极大地增加了机身的重量，不利于仿生飞行器的轻量化及小型化。

技术实现要素：

本发明旨在解决目前仿生飞行器存在的重量大、负载小、结构复杂等问题。创新性地采用前沿的电热驱动碳纳米管纤维人工肌肉作为仿生飞行器的动力源，并设计了一种仿生飞行器的外形与结构。该仿生飞行器具备机械结构简单、重量轻、载荷大、无噪音等优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电热人工肌肉的仿生飞行器，包括：机身，所述机身具有容腔，并具有四处开口，分别为上开口、前开口、侧开口、以及后开口；仿生飞行器头部，所述仿生飞行器头部与所述机身的前开口通过卡扣嵌入连接，方便取下安装其他电子设备如摄像头等；侧翼，所述侧翼通过侧开口连接至机身内部；动力源，所述的动力源即为电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉，该人工肌肉在所述机身的侧开口处连接侧翼与机身。当对该人工肌肉施加方波电压，人工肌肉即会发生收缩并带动翅膀扑动；扭簧，所述扭簧安装在侧翼所在的轴上，位于机身容腔内，作用是当人工肌肉通电收缩带动侧翼向下扑动时，扭簧储存能量，当方波电压为低电平，扭簧释放能量，带动侧翼回复；尾翼，所述尾翼通过卡扣与所述机身的后开口嵌入连接；尾翼动力源，所述尾翼的动力源采用与侧翼处同样的碳纳米管复合纤维人工肌肉，碳纳米管复合纤维人工肌肉连接尾翼与机身，用来带动尾翼扑动辅助保持机身平衡。

本发明技术方案的进一步限定如下：

前述的机身及头部为仿小鸟身形，具有流线型外形，可以极大地减少飞行时的阻力。进一步地，所述机身的底部为平面，目的是方便仿生飞行器可以平稳落地。前述的头部、侧翼、人工肌肉、尾翼等等全部连接到所述机身构成完整的仿生飞行器。另外所述机身设有容腔并留有足够空间用来放置电源及控制模块。

进一步地，所述仿小鸟身形的机身、侧翼、尾翼及头部利用ug软件进行建模，并通过3d打印完成。大大简化了制造流程，制作的可重复性高且成本低廉。

进一步地，所述的侧翼由侧翼骨架及蒙皮组成，所述侧翼骨架如同叶子的叶脉，将蒙皮覆盖在侧翼骨架上构成仿生飞行器的侧翼，骨架的主干在向外的方向上保持宽度和厚度不变，骨架的支干在远离主干的方向上宽度和厚度逐渐减小，目的是使侧翼由内向外有一个刚度的变化。

进一步地，所述的侧翼为折叠翼结构，分为一段翼与二段翼，二者通过铰链连接。连接处单向折叠结构使得侧翼向上回位时，二段翼被动折叠，减小阻力，增加回复速度。而当侧翼向下扑动时，二段翼张开并不发生折叠增大了受力面积，大大提升了飞行器的升力和推力。

进一步地，所述蒙皮选用opp薄膜使用胶粘的方法固定在骨架之上。

进一步地，所述尾翼为扇形尾翼，与侧翼相同具有由内向外刚度递减的特征。尾翼的作用可保持整个机身平衡，同时可起到在飞行器着陆时减速的作用。

进一步地，本发明所采用的电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉其特征在于：电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉为目前新型的柔性驱动器，纤维状的人工肌肉使其与天然肌肉十分相似，并且具有稳定性高、输出应变及应力大、能量密度高、驱动电压低等优点。数十毫米的人工肌肉也只有数十毫克的重量，并且可以提升约自身十万倍的重量。

螺旋卷绕型碳纳米管纤维人工肌肉的制备方法属于现有技术这里不再赘述，本发明所述的电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉则为碳纳米管纤维与硅胶复合而成。硅胶的引入大大提高了纤维人工肌肉的应变，该复合碳纳米管纤维人工肌肉在频率为1hz的方波电压下可达到11％的收缩应变。

进一步地，所述硅胶选用smooth-on公司的moldmax25锡固化硅胶。

本发明的有益效果：

本发明创新性地提出用电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉代替传统的动力源，这不仅大大地减轻了整个仿生飞行器的重量，还使驱动变得更为直接、结构更为紧凑，利于仿生飞行器的微型化。而且不会产生噪音，利于执行各种侦察任务。

设计独特的被动折叠翼结构，使其获得更高的飞行效率和更大的载荷。

整个机身及头部为仿小鸟体型，具有流线型的外形，减小了飞行阻力，有助于提高飞行速度。

附图说明

图1为本发明所述仿生飞行器的整体结构示意图；

图2为本发明所述仿生飞行器机身结构示意图；

图3为本发明所述仿生飞行器左侧翼的结构示意图；

图4为本发明所述仿生飞行器尾翼的结构示意图；

图5为本发明所述仿生飞行器侧翼向下扑动的示意图；

图6为本发明所述仿生飞行器侧翼向上回位的示意图。

图中：1-头部；2-光轴；3-机身；4-左侧翼；5-右侧翼；6-卡簧；7-扭簧；8-尾翼；9-上开口；10-前开口；11-侧开口；12-固定杆ⅰ；13-突出块；14-柱形支撑；15-后开口；16-固定杆ⅱ；17-固定杆ⅲ；18-一段翼骨架；19-二段翼骨架；20-蒙皮；21-尾翼卡扣；22-固定环；23-电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉。

具体实施方式

为充分了解本发明的目的、特征及功能，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明为一种基于电热人工肌肉的仿生飞行器，包括：头部1、光轴2、机身3、左侧翼4、右侧翼5、卡簧6、扭簧7、尾翼8。头部1的末端设有卡扣与机身前开口10处的卡槽相配合，其中卡扣与头部1为一体的，可由3d打印直接成型。如需安装微型摄像头或其他电子设备可将头部1拆下。卡扣的设计方便头部1一键安装与拆卸。

机身3为仿生飞行器的核心部件(如图2所示)，所有部件都与机身3相连或安装于机身3的容腔之中组成仿生飞行器。机身3前端设有前开口10用于连接头部1，机身两侧设有侧开口11，左右侧翼4、5穿过侧开口10可扭转地连接到光轴2之上，光轴2固定在突出块13之中，突出块13与机身3为同一实体。机身3上方设有上开口9为了方便安装各部件及放置电源和控制模块于容腔之中(图中未画出电源及控制模块)。机身3后端设有后开口15用于安装尾翼8及驱动尾翼8的人工肌肉。容腔内部设有柱形支撑14用于安装控制模块。

左侧翼4与右侧翼5为对称设计。这里以左侧翼4进行说明，左侧翼4为被动折叠翼结构，由一段翼骨架18、二段翼骨架19及蒙皮20组成，如图3所示。一段翼只能向下折叠而不能向上折叠。首先将二段翼骨架19安装到一段翼骨架18上，二者通过铰链连接，再将蒙皮20胶粘在侧翼骨架之上。扭簧7先安装在机身3内部用于连接侧翼的光轴2上，左侧翼4穿过机身3的一侧开口将左侧翼4最前端与机身3内部光轴2进行铰链连接，将卡簧6安装在光轴处用于限位。右侧翼5与左侧翼4对称安装于机身3两侧。

由于电热型复合碳纳米管纤维人工肌肉23为柔性驱动器且自身可打结，故可将其一端通过打结系在机身侧开口处的固定杆ⅰ12上。另一端系在一段翼骨架18远端的固定杆ⅲ17上。同时人工肌肉23两端连接有导线，导线连接到机身3内部的控制模块，控制模块发送方波电压控制人工肌肉23伸缩。

尾翼8同样由尾翼骨架与蒙皮组成。首先将蒙皮胶粘于尾翼骨架上，尾翼前端设计有卡扣21可直接卡紧到机身3的后开口15处。将驱动尾翼8的人工肌肉一端系在后开口15处的固定杆ⅱ16上，另一端系在尾翼8上的固定环22上，用于驱动尾翼8扑动。

本具体实施方式所述飞行器的工作方式如下：

当人工肌肉23接收到控制系统发出的方波信号为高电平时，人工肌肉23收到电信号的刺激就会立即收缩，同时拉动侧翼使侧翼做出向下扑动的动作，此时侧翼全部展开，如图5所示。由于侧翼骨架支干的刚度由主干向外的方向上减小，所以向下扑动时机翼的后端会受力发生形变，这就使得仿生飞行器获得了升力与向前的推力。侧翼向下扑动的同时会转动扭簧7使扭簧7进行储能。

当方波信号为低电平时，人工肌肉23会释放对侧翼的拉力。扭簧7释放能量转动侧翼使侧翼迅速回复原位。此时二段翼受力会向内折叠，如图6所示。这样减小了受力面积加速了回复的速度。控制模块同样通过控制尾翼8处的人工肌肉来带动尾翼8扑动，可辅助保持机身的平衡。

本发明的创新之处在于采用新型的电热复合碳纳米管纤维人工肌肉作为仿生飞行器的动力源，使得整体更轻，结构更为简单。同时此人工肌肉具有应力应变大、响应速度快的优势，使得仿生飞行器具有较快的飞行速度和较大的负载。