该文设计、制作和研究了一种亚手掌尺度的双驱扑翼微飞行器。飞行器主要采用多层平面材料的智能复合微结构(SCM)加工工艺进行加工。装配得到的样机整机质量为244 mg,翼展61 mm。对样机的压电驱动器性能进行了测试。测试结果表明, 压电驱动器空载共振频率约为1 100 Hz, 负载共振频率约为28 Hz; 对样机进行了升力测试, 得到样机的升力为 0.689 mN。

毫克尺度微型仿生飞行器基于柔性高频翅拍运动的升力机制, 具有柔性大变形、振动非线性、多自由度力-力矩耦合等特征, 其有效升力/力矩范围处于mN/(μN·m)量级, 通用力传感器较难准确测定力学参数, 进而给微型仿生飞行器的设计与控制带来一定的困难。文章提出了一种面向微型扑翼飞行器的新型力-力矩传感器, 它可以在固定约束条件下实现微飞行器高频扑翼运动产生的升力和力矩的测量, 为扑翼飞行器控制力和力矩解耦研究提供精度较高的数据。该传感器采用对称式多悬臂梁柔顺机构将升力/力矩转化为微小形变, 结合高带宽、高精度电容位移测量装置, 可以采集高频振动条件下的微小升力/力矩。基于梁理论进行了传感器力学建模, 并结合有限元仿真验证了原理的可行性。对被测对象微型仿生扑翼飞行器的主要测量参数范围开展结构与工艺设计, 实验结果显示, 该传感器的升力测量范围为-10~10mN, 力矩测量范围为-20~20μN·m, 特征频率为1kHz, 升力和力矩的灵敏度分别为0.01mN和0.01μN·m, 经验证, 对整机重量在80~250mg、工作频率在1~200Hz范围的微型扑翼飞行器具有较强的适用性。

由于仿昆虫扑翼微飞行器需要在小范围内传输扭矩，且扭矩数值较小，一般的扭矩传感器或力传感器在其动态范围内均难以达到测量精度的要求。为了解决这一问题，提出了一种新型单轴扭矩传感器的设计方案，并完成了实际的制造和测试。该扭矩传感器的主体为殷钢材料，由激光加工制作而成，利用电容式位移传感器测量主轴旋转时目标板的位移，从而建立输出电压与施加扭矩之间的对应关系。传感器带宽和分辨率与微飞行器飞行实验的标准相匹配，同时对离轴负载保持不敏感。经实验测定，该单轴扭矩传感器的带宽为1.1kHz，测量范围为±260.8μNm，分辨率为0.013μNm，可以满足微飞行器扭矩的测量需求。