超级简化的3D打印直升机（图文教程）

    最近几个月以来，3D打印的四轴飞行器似乎到处都是，让人看着都有点审美疲劳了。所以，当天工社看到这个极端简化的直升机时真有点小清新的感觉。这是由Modlab（宾夕法尼亚大学）的学生James Paulos在其教授Mark Yim的指导下开发的。

    那么这款直升机到底有什么特异之处？老实说，它甚至不是全新的，因为它主要依靠简单的3D打印部件和从商店买来的组件。但它的了不起之处在于将一架直升机的标准设计简化到了极处，最大限度地去除了各种不同的发动机和零件，从而为未来开发更加经济、可靠的直升机技术铺平了道路。从这个角度看，James的设计意义非凡。

    所以，这部直升机的与众不同就在于驱动其升降的电机及运动部件的数量上。正如James在2013年在日本一次学术会议上发表的论文里提出的，传统的直升机依靠大型螺旋桨发动机和两三个小伺服电机来控制推力、俯仰和滚转力和力矩。而四轴飞行器则需要四个独立的叶片来达到同样的效果。“从广义上说，推力来自平均速度和螺旋桨叶片的迎角，而姿态则是有每次旋转时通过加上一个带迎角的周期震荡获得。该环状俯仰叶片的运动是由一个旋转斜盘联动装置规范，并由两到三个额外的伺服电机驱动的，有时会通过一个动力稳定平衡翼来增强。”

    这带来了许多设计上的挑战。“一台旋转斜盘控制的共轴直升机必须为其四个致动器（两个大转速马达、两个旋转斜盘伺服马达）和一个复杂的连杆组件的质量、尺寸和成本预算找到空间。而一台四轴飞行器必须同样支持四台电机，并且面对急剧萎缩的转子带来的实际问题。” 这不仅增加了组装成本，这也意味着更多的部件。

    但James想出的设计则巧妙地保留了常规直升机上所有这些控制上的优势，而又显著简化了系统。“我们通过嵌入转子的欠驱动机构驱动一个单一的螺旋桨和一个马达产生推力、翻滚、俯仰。这使得新的常规微型飞行器，只需要两个电机就可以控制。与此相反，许多伺服系统和常规直升机或四轴飞行器则需要许多驱动马达。”

    主电动机直接驱动直升机螺旋桨桨毂，其依次通过两个巧妙设计的倾斜铰链连接到螺旋桨叶片。“铰链几何耦合叶片的朝前和滞后振荡，来改变叶片的俯仰。与使用带稳定转矩的电机驱动，我们在转子旋转的相位上添加了一个正弦分量以诱导周期性的俯仰变化。振幅和控制信号的相位决定了直升机响应的量级和方向。”

    这意味着该直升机能够使用单个马达，通过选择性地提升和降低它的叶片产生姿态矩飞行。其中必要的联动可以通过增加一个简单经济的塑料改装叶片来实现。而这也正是3D打印的用武之地。

    所有这一切都意味着一个充满了非常规零部件的复杂控制系统，但James通过3D打印和从商店购买一些零部件就达到了设计要求。“驱动电机是一个Park 400、12杆、740 Kv的无刷电机，可直接驱动大型螺旋桨。由三个部件组成的桨毂是用一台Object 3D打印机使用塑料聚合物打印的。”

    当然这样的设计会使控制变得比一般常规的直升机更为复杂。尽管节省了发动机和其他部件，但这通常意味着其它方面的成本必然会上升。不过，James和他的教授认为：“动力设备的成本减少了，并转移到了控制方面。 然后，我们可以利用先进的计算能力，减小体积、功耗和电子系统的成本。” 

    最重要的是，它是能够发挥作用的。为了使其更有说服力，James在其论文中提交了关于其巧妙设计的各种空气动力学测试和分析（点击阅读其论文），下面是这架革命性的直升机试飞的一些有趣视频。

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