一种微小型机器人的平面运动机构及微小型机器人制造技术

一种微小型机器人的平面运动机构及其装置属于微小型机器人技术及精密机械运动控制技术领域。其特征是，含有四个连杆、四个连接块、箝位腿和压电／电致伸缩驱动器；四个连杆和四个连接块通过柔性铰链构成柔性菱形结构，四个连接块位于柔性菱形结构四个角上；压电／电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构两个相对连接块之间；箝位腿有四个，分别与四个连接块固联。本发明专利技术利用柔性菱形结构的几何特点，使用单个压电陶瓷驱动器就能实现微小型机器人的平面全方位运动。对压电陶瓷／电致伸缩驱动器、箝位腿进行时序控制设计，可实现微小型机器人沿Ｘ方向、Ｙ方向移动及转动的平面三自由度运动。本发明专利技术可用于各种微操作系统中的微移动机器人。

【技术实现步骤摘要】
一种微小型机器人的平面运动机构及其装置
：一种微小型机器人的平面运动机构及其装置属于微小型机器人技术及精密机械运动控制
，尤其涉及一种微小型移动机器人。
技术介绍
：在微小型机器人技术及精密机械运动控制
，当运动分辨率达到微米级甚至纳米级时，压电陶瓷/电致伸缩驱动器显示出较大的优势。压电陶瓷/电致伸缩驱动器由于其位移分辨率高、刚度大、响应快、效率高等优点，已广泛用于微动机器人、微进给定位机构或系统。采用压电陶瓷/电致伸缩驱动器的微动机器人，不但可以实现一维直线运动，而且可以通过机构的创新设计，实现二维平面运动。在压电陶瓷/电致伸缩驱动器用于微进给定位或超精密机构或系统中，通常采用柔性铰链机构，达到小型化、减少传动环节的目的。目前的基于压电陶瓷/电致伸缩元件驱动的微动机器人采用的移动原理主要有三种：滑移-粘滞(slip-stick)原理、惯性冲击原理和蠕动原理。下面分别作以说明。滑移-粘滞原理主要利用物体的惯性以及物体与接触面之间的摩擦力。移动装置位于平台或滑杆上，由于其主体的惯性作用，当压电陶瓷驱动器缓慢伸长然后快速收缩时，压电陶瓷驱动器带动移动装置相对于平台或滑杆产生一微小移动。反复重复上述过程，可实现移动装置较大范围内的运动。美国MIT的Martel等人利用该原理研制了腿足式微型机器人(S.Martel and L.C.Olague，General description of the wireless miniature nanowalkerrobot designed for atomic-scale operations，Proceed ings of SPIE，2001，Vol.4568，pp.231-240用于原子尺度微操作的无线微型纳米步行机器人的一般描述。SPIE论文集，2001，Vol.4568，pp.231-240)，该机器人有三条由压电陶瓷管加工而成的支撑腿，每条腿都可以发生弯曲变形以及伸缩变形，利用滑移-粘滞原理实现微位移。采用滑移-粘滞原理的微动机器人不足之处主要表现在：精度不高，可靠性和可控性都比较差，负载能力低。采用惯性冲击原理驱动的微位移机器人，其代表性的主体结构是一个压电陶瓷驱动器两端分别与两个质量块(配重)固联的结构。利用压电陶瓷驱动器的快速伸长和缓慢收缩或相反的过程，实现机器人的微移动，例如日本DENSO公司研制了压电元件驱动的管内探伤微机器人用于细小工业管道的自动化检测工作(K. Shinichiro，I. Toskiki，O. Nobuyuki.Multi-layered Piezoelectric Bimorph Actuator. IEEE International Symposium onMicromachine and Human Science.1997，73-77多层双压电晶片作动器。IEEE微机械和-->人文科学国际会议论文集，1997，73-77)，该微机器人主要由一个压电叠层驱动器、配重和两个支撑杆组成，两支撑杆分别支撑在管壁内两侧。合理配置本体和配重的质量，采用一定频率、一定幅值的锯齿波电压作用于压电元件，就可实现微机器人在管道内的前后直线移动。清华大学白绍平、汪劲松等人采用蠕动原理设计了一种管道机器人(白绍平，汪劲松等。小型蠕动机器人原理与实现。机器人，1994，Vol.16(3)，140-143.)。该机器人由两个箝位压电陶瓷元件、一个压电陶瓷驱动器和一个柔性框架组成，通过二个压电陶瓷驱动器控制柔性框架与管道的箝位和松开，一个压电陶瓷驱动器控制柔性框架的伸长或缩短，实现机器人在管道内的连续、大范围运动。该类机器人的优点在于负载能力比较强，行程大，可控性好；但其运动仅为一个方向的直线进退移动。由上述分析，可以看出目前的平面微动机器人实现一维运动至少采用一个压电陶瓷/电致伸缩驱动器。如果要实现平面全方位运动，则需要配置多个驱动器，在每一维运动方向至少用一个驱动器进行驱动。这必然增加机器人的重量，成本提高，不利于步进机器人的运动控制，也不适合结构的微型化。
技术实现思路
：本专利技术基于蠕动运动原理，采用单个压电陶瓷/电致伸缩驱动器，实现平面全方位运动。本专利技术所设计的一种微小型机器人的平面运动机构，含有四个连杆，四个连接块、箝位腿，压电/电致伸缩驱动器；其特征在于，所述四个连杆和四个连接块通过柔性铰链构成一个柔性菱形结构，所述四个连接块位于所述柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，分别与四个连接块固联。根据一种微小型机器人的平面运动机构而设计的装置，其特征在于，它含有柔性菱形结构、压电/电致伸缩驱动器、箝位腿和固定底板；所述的柔性菱形结构由四个连杆、四个连接块和八个柔性铰链连接而成，所述四个连接块位于所述的柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，一端分别固联在四个连接块的底部，另一端置于所述固定底板上。所述的压电/电致伸缩驱动器通过盈配合，嵌入到两个相对的连接块之间。所述的压电/电致伸缩驱动器还可以一端固联在一个连接块上，另一端通过一个滑块和一个预紧螺栓连接在另一个相对的连接块上。所述的压电/电致伸缩驱动器还可以一端通过支撑件、横向销轴、轴套、纵向销轴与一个连接块相连，所述的压电/电致伸缩驱动器的另一端通过支撑件、横向销轴、轴套、纵向销轴、滑块与和一个预紧螺栓连接在另一个相对的连接块上。所述的压电/电致伸缩驱动器还可以两端分别通过球铰连接在两个相对的连接块上。实验证明本专利技术利用菱形结构的几何特点，使用单个压电陶瓷驱动器就能实现机器人的平面全方位运动。该机器人装置具有结构紧凑，分辨率高、可控性好等特点，可用于各种微操作系统中的微移动机器人，达到了预期的目的。-->附图说明：图1是本专利技术设计的运动机构示意图。图2是本专利技术设计的微小型移动机器人的结构示意图之一。图3是图2的侧视图。图4是图3的俯视图。图5是箝位腿结构示意图。图6是本专利技术设计的微小型移动机器人的结构示意图之二；图7是图6的俯视图；图8本专利技术设计的微小型移动机器人的结构示意图之三；图9是图8的俯视图。具体实施方式：下面结合附图，详细介绍本专利技术的内容。图1-图9中，1、3、16和17分别是连接块，2是连杆(共4个)，4是柔性铰链(共8个)，由连接块1、3、16和17、连杆2、柔性铰链4构成柔性菱形结构；5是压电陶瓷/电致伸缩驱动器，6是驱动器安装支撑件(共2个)，7是横向销轴(共2个)，8是轴套(共2个)，9是纵向销轴(共2个)；10是预紧滑块，11是预紧螺栓；12、13、14和15分别是箝位腿，其中，18是电磁铁心，19是电磁线圈，20是支撑腿；21为固定底板。图1是本专利技术的基于平面蠕动原理的微小型机器人平面运动机构，其基本设计思路是利用单一的压电陶瓷/电致伸缩驱动器，配置箝位腿，实现机器人的平面三自由度运动。如图1所示，连接块1、3、16和17、连杆2、柔性铰链4构成柔性菱形结构。压电陶瓷/电致伸缩驱动器5置于菱形结构对角线位置，与连接块16和17固联。箝位腿12、13、14和15，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微小型机器人的平面运动机构，含有四个连杆，四个连接块、箝位腿，压电／电致伸缩驱动器；其特征在于，所述四个连杆和四个连接块通过柔性铰链构成一个柔性菱形结构，所述四个连接块位于所述柔性菱形结构的四个角上；所述的压电／电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，分别与四个连接块固联。

【技术特征摘要】
1、一种微小型机器人的平面运动机构，含有四个连杆，四个连接块、箝位腿，压电/电致伸缩驱动器；其特征在于，所述四个连杆和四个连接块通过柔性铰链构成一个柔性菱形结构，所述四个连接块位于所述柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，分别与四个连接块固联。2、根据权利要求1所述的一种微小型机器人的平面运动机构而设计的装置，其特征在于，它含有柔性菱形结构、压电/电致伸缩驱动器、箝位腿和固定底板；所述的柔性菱形结构由四个连杆、四个连接块和八个柔性铰链连接而成，所述四个连接块位于所述的柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，一端分别固联在...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎绍泽，秦振，温诗铸，张付兴，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]