基本信息
- 项目名称：
- 一种能够弹跳起飞的微型扑翼飞行器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对目前的微型扑翼飞行器起飞过程是多靠人工投掷或弹射器辅助弹射这一现状，本作品通过深入研究，提出了一种比较合理的、布局于微型扑翼飞行器的弹跳机构，并研制了相应的控制装置，实现了扑翼飞行器自主弹跳起飞。这减少了对飞行器的人为干预环节，增加了其自主特性，为未来完成复杂任务创造了条件。
- 详细介绍：
- 当前，微型扑翼飞行器是国内外研究的热点，相关研究已经吸引了国内外众多学者的关注。但现有的大多数微型扑翼飞行器的起飞主要是靠人工投掷或弹射器辅助弹射实现的，这不利于实现扑翼飞行器自主起飞的特性，飞行器难于独立完成一些相对复杂的任务。我们认为可以借助弹跳装置或轮子，将合适的弹跳机构或轮式起落机构和微型扑翼飞行器结合实现微型扑翼飞行器的自主起飞。 一种能够弹跳起飞的微型扑翼飞行器要求其弹跳机构的任务载荷为带动微型扑翼飞行器弹跳到一定高度，满足微型扑翼飞行器初始飞行的要求。在过去一年多的探索中，从精简弹跳机器人结构的角度，我们发现了记忆合金弹簧驱动的弹跳机构能满足这样的需求。而研制这样的弹跳机构的首要任务是设计一种合适的触发结构，正如唯一查阅到的国际会议论文“一种记忆合金驱动的弹跳机器人的设计与实现”中所述的弹跳机器人关节之间所蓄的能量不能完全释放而造成弹跳效果不理想，由于没有一个合适的触发机构，弹跳机构所储存的能量不能完全释放，从而不能有较佳的弹跳效果。经过长时间的探索，我们尝试将记忆合金弹簧和扭簧结合，实现了一种比较合理的触发结构。同时将杠杆结构和记忆合金弹簧结合，结合弹跳机器人其余各机械结构及相关控制系统，实现了弹跳机器人复位—蓄能—触发—弹跳的工作循环。 经过长时间的努力探索，从仿生角度，我们探索出了一种能够弹跳起飞的微型扑翼飞行器整体合理的布局，成功实现了扑翼飞行器原地自主弹跳起飞，提高了扑翼飞行器的自主特性，为未来去完成一些相对复杂的任务创造了条件。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品的发明目的：在非投掷或弹射器弹射的条件下，实现微型扑翼飞行器的自主弹跳起飞。 作品的基本思路：通过实物试验，研制一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机构；将微型扑翼飞行器与弹跳机构恰当结合，实现微型扑翼飞行器在非投掷或弹射器弹射条件下的自主弹跳起飞。 作品的创新点：1．从精简弹跳机构的角度，将弹跳机构和形状记忆合金弹簧结合。试制出了一种弹跳机构并基于MC9S12XS128单片机设计了相关的控制系统，控制弹跳机构实现了复位，蓄能，触发和弹跳的工作循环。 2．从仿生的角度，将扑翼飞行器和弹跳机构相结合。经过多次试验探索出了飞行器较为合理的气动布局，试制出了一种能够自主原地弹跳起飞的微型扑翼飞行器。 作品的技术关键：1．弹跳机构的任务载荷为带动微型扑翼飞行器弹跳到一定高度，满足微型扑翼飞行器初始飞行的要求。2．微型扑翼飞行器的任务载荷应满足携带弹跳机构巡航飞行的要求，微型扑翼飞行器的气动布局应合理。 作品的主要技术指标：1．微型扑翼飞行器任务载荷为5g以上，弹跳机构的重量为5g以下。2．弹跳机器人任务载荷为12.4g以上时，其原地弹跳高度为450mm以上，且在最高点时具有2000mm/s以上水平分速度。
科学性、先进性
- 现有的微型扑翼飞行器的起飞是人工辅助实现的；虽然最近爱生公司研制的ASN-211微型扑翼飞行器声称能够自主起飞，但无公开的视频和相关技术性能参数说明。我们试制的一种能够弹跳起飞的微型扑翼飞行器中使用的弹跳机构是国内首次实现形状记忆合金驱动的弹跳机构，相比于瑞士洛桑大学所研制的一种7g微型跳跃机器人，可实现单次跳跃的弹跳弹跳机器人的弹跳高度可达自身尺寸的31倍，高于前者的27倍，并可实现一定的循环工作；相比于最近韩国建国大学所研制的记忆合金驱动的弹跳机器人的弹跳效果（仅能跳跃25mm），作品中的具有一定工作循环的弹跳机器人具有明显的优势（能跳跃400mm高）。
获奖情况及鉴定结果
- 为更客观评价我们的作品，中航工业气动院研究所（哈尔滨）已同意开具证明我们作品先进性的申请。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 待定
作品可展示的形式
- 实物，图片，视频，现场演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：当飞行器电量不足时，需及时充电；若出现机体飞行偏转，需综合调节飞行器的整体布局。 特点和优势：一种能够弹跳起飞的微型扑翼飞行器减少了对飞行器起飞时的人为干预环节，增加了其自主特性，为未来完成复杂任务创造了条件。 适应范围和前景：大自然中,所有能飞的生物几乎无一例外地都采用扑翼飞行方式，人类研制扑翼微型飞行器有着重要的航空科学意义和广泛的应用前景,如环境监测、战场侦察、战场攻击、火星探测等。因为扑翼飞行器独有的特性，是未来火星探测中的首选微型飞行器，并在未来大型牧场和城区监视等民用方面将具有广阔的市场和应用前景；在军用方面，可以靠近敌人雷达天线作用区，有效地干扰敌人雷达，还可用于对地攻击，如携带高能炸药破坏对方雷达和通信中，很多国外专家预言，它们一旦广泛应用会出现一个新兵种。
同类课题研究水平概述
- 当前，微型扑翼飞行器是国内外研究的热点，相关研究已经吸引了国内外众多学者的关注，如加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学共同研制的微型蝙蝠Microbat，斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制的Mentor，日本东京大学的Micro Flying Robot等。然而，现有的大多数微型扑翼飞行器的起飞主要是靠人工投掷或弹射器辅助弹射实现的，这不利于实现扑翼飞行器自主起飞的特性，飞行器难于独立完成一些相对复杂的任务，所以越来越多的研究机构向扑翼飞行器自主飞行方向开始进行比较深入的研究，比如日本千叶大学的研究员刘浩研制的仅重2.6克的“蜂鸟机器人”，爱生公司研制的ASN-211自主飞行微型扑翼飞行器。但是日本千叶大学所研制的“蜂鸟机器人”并没有说明其能够不在人为干预的情况下实现自主起飞，爱生公司研制的微型扑翼飞行器虽然声称能实现自主起飞，然没有详细说明其自主起飞的的方式和相关性能参数。我们认为可以借助弹跳装置或轮子，将合适的弹跳机构或轮式起落机构和微型扑翼飞行器结合实现微型扑翼飞行器的自主起飞。弹跳装置属于弹跳机器人(Jumping robot)领域的研究对象，目前国内外很多研究机构的主要研究内容集中于连续弹跳运动的动态稳定性分析以及非线性的动力学分析，并且陆续研制出了一些原型机。例如Case Western Reserve University研究人员研制的机械蟋蟀，日本研究人员研制的弹跳猫，NASA研制的三代弹跳机器人，东南大学研制的跳跑式微型弹跳机器人等。由于他们大多是采用伺服电机或液压驱动, 其功重比较小, 且机器人比较粗大、笨重；此外, 驱动时存在一定的噪音和污染, 驱动电压也比较高。我们所呈现的一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人将弹跳装置和性能优良的形状记忆合金结合，结构简单轻便，隐蔽性和稳定性较好，制作精度和成本较低，有利于机器人向微小型化及家庭和服务行业发展。目前，弹跳高度是自身尺寸倍数最高的瑞士洛桑大学2009年所研制的一种7g微型跳跃机器人，可以越障超过自身尺寸的27倍，但其驱动结构比较复杂，弹跳机器人的实现对制作精度要求很高；韩国建国大学所研制的一种记忆合金驱动的弹跳机器人仅能弹跳25mm，且其结构比较复杂，重量比较沉。
