CN102525378A - 一种纤毛振动驱动的微型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为一种纤毛振动驱动的微型机器人，其由三层结构组成，上层包括电源模块、振动电动机模块、控制电路模块和操作模块；中间层为起支撑和连接作用的基板；下层至少包括两组数量不同、直径不同、且倾角对称、总水平截面积相等、垂直高度相等的纤毛驱动腿。纤毛驱动腿在振动电机不同转速的振动作用下发生振动摆动，因为它们的直径不同，其固有振动频率不相同，振动摆幅也不相同。当振动电动机的振动频率与纤毛驱动腿的固有振动频率接近时则纤毛驱动腿的振动幅度变大，振动频率远离时则纤毛驱动腿的振动幅度变小。利用控制电路模块可以控制振动电动机的转速，进而可以达到控制微型机器人前进、后退、转向及行进速度调整的目的。

Description

一种纤毛振动驱动的微型机器人

技术领域

本发明涉及微型机器人技术，尤其涉及的是一种纤毛振动驱动的微型机器人。

背景技术

近十几年来，随着机器人和微加工技术的迅速发展，微型机器人技术已经应用到机械、化学和医学临床诊断等诸多领域。管内移动微型机器人是微型机器人领域的一个重要的应用方向，可广泛应用于电力、化工、供暖、生物医学等行业中的细小孔径管道（或腔道）的检测和信息采集，所以日益受到研究者的关注。目前，在各类学术期刊上已经报道了多种微型机器人，绝大多数是采用轮式、履带式或关节伸缩蠕动等驱动方式。目前研究的主流驱动方式是轮式驱动，但是因为驱动轮和传动机构的尺寸无法做到真正的微型化，从而影响了其在微小环境中的应用，所以驱动机构的微型化问题是微型机器人领域的一大难题。

近年来发展起来的微型机器人种类很多，其中苏州大学发明了一种微型管道机器人，约有成人的半截食指般长短粗细，机器人重约6克，浑身长着毛刺，这种微型管道机器人的运动是基于谐振原理，需6伏电压驱动，利用机器人体内所带的微型电机带动偏心轮转动产生一定的振动，通过毛刺与管壁非对称的碰撞与摩擦，驱动机器人运动（参见http://news.szhou.cn/2011/04/14971.shtml ）。

上述这种由多个毛刺振动驱动的微型机器人，因为采用坚硬的单方向的类金属毛刺作为驱动方式，容易造成应用管道（腔道）内壁的划伤甚至破坏，并因为采用单侧倾斜的毛刺，所以只能单方向运动，无法主动改变行进方向和行进速度。同时该微型毛刺机器人采用的是圆形的外形形状结构，需要机器人的毛刺与所应用管道的内壁四周接触良好，这就使得毛刺机器人只能适用于某一管径的场合，如管壁内径发生变化将影响该机器人的应用性能。同时该微型毛刺机器人采用的是有线供能或控制的方式，该方式会阻碍微型机器人按原路返回，这进一步使得机器人的应用场合受到限制。因此，现有技术存在缺陷，尚待改进和发展。

可见，当前微型机器人的发展迫切需要一种结构简单、控制方便、行动方向可控、行进速度可控的无线微型机器人驱动技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于设计一种纤毛振动驱动的微型机器人，以其特有的柔软有弹性的驱动腿避免机器人对应用场合内壁的潜在损伤，并利用振动电动机的振动频率进行控制，实现纤毛驱动机器人的前进、后退、转向和行进速度控制，拓展微型机器人的应用场所，同时利用内置能源和通讯芯片实现无线驱动和无线遥控操作，使得该微型机器人可应用于各种可视的或不可视的微小环境中。同时，具有柔弹性的纤毛驱动腿更加适合于在柔性管壁环境下的应用，其行走动作对于管道的接触面没有任何损伤，比较适合于柔性管壁环境（如人体消化道、血管等）下的应用，在生物医学领域中有良好的发展前景。

本发明的技术方案如下：

一种纤毛振动驱动的微型机器人，所述的微型机器人利用振动电动机旋转产生的振动带动纤毛驱动腿运动驱动微型机器人行进。所述微型机器人的所有结构布置在三层结构之中。

其中，上层是功能模块，主要包括电源模块、振动电动机模块、控制电路模块和操作模块四部分。

电源模块由纽扣电池组成，为其他三部分模块提供电能。

振动电动机模块由偏心振动电动机组成，可根据控制电路信号进行转速变换。

控制电路模块与振动电动机模块和操作模块连接，根据程序设定或遥控指令向其他模块发出控制信号，控制电路模块包括微型中央处理器、无线通信芯片和外围电路元器件，微型中央处理器调节振动电动机的转速，进而控制两组驱动腿的振动摆幅差异，达到控制微型机器人前进、后退、转向及行进速度的目的，无线通信芯片实现遥控信号和检测信号的无线传输。

操作模块可根据应用目的执行具体操作动作，可包括但不限于取样、检测、照明、清洗、图像采集等功能。

中间层为起支撑和连接作用的基板，其与下层结构的纤毛驱动腿构成一个整体。

下层为起驱动作用的纤毛驱动腿，下层结构中至少包括两组直径不同，数量不同，但总的水平截面面积相等，垂直高度相等，且与基底呈一定的对称倾角的纤毛驱动腿，纤毛驱动腿在振动电机不同旋转转速的振动作用下运动，其中振动电动机可按不同的转速振动。

所述的微型机器人只需要一个振动电动机即可实现机器人的运动。纤毛驱动腿因为直径不同，其固有振动频率不相同。振动电动机通过不同振动频率引起两组纤毛驱动腿的振动摆幅并不相同（即产生的驱动力也不相同），当振动电动机的振动频率与某组纤毛驱动腿的固有振动频率接近时则该组纤毛驱动腿的振动摆幅变大（即驱动力变大），振动频率远离时则该组纤毛驱动腿的振动摆幅变小（即驱动力变小）。在振动电动机的驱动下，微型机器人会向着两组纤毛驱动腿振动摆幅的差值正向方向运动，机器人可根据预先程序设定或者遥控控制方式运动。利用控制电路可以控制振动电动机的转速，进而可以达到控制微型机器人前进、后退、转向及行进速度调整的目的。

所述微型机器人的中间层和下层结构是一个整体，采用柔软有弹性且透明的材料（如PDMS聚二甲基硅氧烷）构成，全部结构可由磨具灌注或者激光光刻技术进行加工制作而成。这样因构成微型机器人的材料具有良好的柔弹性，在振动电动机的振动作用下可以不断的发生变形和恢复形变产生驱动力，并且该材料具有良好的透光性易于对机器人内外环境进行观察。

可见，本发明所提供的微型机器人是对现有机器人技术的一种改进，其改进的主要方面有：

一、本微型机器人的驱动方式为利用机械振动带动纤毛驱动腿发生摆动实现机器人运动，易于实现驱动机构的微型化；

二、根据纤毛驱动腿的固有频率不同，在振动电动机不同驱动频率的振动作用下实现微型机器人的前进、后退、行进速度及行进方向调整的目的；

三、微型机器人的操作模块可根据应用目的执行具体操作动作，可包括但不限于取样、检测、照明、清洗、图像采集等功能。

附图说明  

图1为本发明的微型机器人的侧视示意图。

图2为本发明的微型机器人的斜视示意图。

图3为本发明的微型机器人的控制原理框图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

参见图1和图2，微型机器人由三层结构组成，上层结构1包括电源模块101、控制电路模块102、振动电动机模块103和操作模块104；中间层结构2为起支撑和连接作用的基板；下层结构3为起驱动作用的纤毛驱动腿，分第一组纤毛驱动腿301和第二组纤毛驱动腿302。下层结构3中的两组纤毛驱动腿数量不同、直径不同、且倾角对称，通过磨具灌注技术加工在中间层结构2的下方，与中间层结构2构成一个整体，中间层结构2和下层结构3均采用PDMS材料，该材料具有良好的柔弹性、且可透光，可直接观测微型机器人外部和内部情况。第一组纤毛驱动腿301（如18根）和第二组纤毛驱动腿302（如9根）的数量不等，但水平总截面面积相等，垂直高度相等。因为直径不同，第一组纤毛驱动腿301和第二组纤毛驱动腿302的固有振动频率不相同。当发生振动时两组纤毛驱动腿的振动摆幅也不相同（即产生的驱动力也不相同），通过控制电路模块102可控制两组驱动腿301和302的摆幅差异，进而控制微型机器人的行进速度和行进方向。

本微型机器人的原理框图如图3所示，在微型机器人运动时，通过控制电路模块102接收遥控信号或按照预先程序设定控制振动电动机模块103的振动频率，当振动频率接近某组纤毛驱动腿（301或302）的固有振动频率时，则该组纤毛驱动腿的振动摆幅增大（即驱动力增大），因纤毛驱动腿倾斜角度的限制作用，微型机器人向着该组纤毛驱动腿相反的方向行进，改变振动电动机的振动频率可控制机器人的前进、后退、行进速度及行进方向。机器人可根据预先程序设定或遥控指令控制操作模块104的工作与否，操作模块104可对所处环境根据需要完成相应的取样、检测、照明、清洗、图像采集等操作动作。

本发明装置的实现结构和驱动方法非常简单，可广泛应用于电力、化工、供暖、尤其是生物医学等行业中的细小管道（或腔道）孔径内部，达到对微小环境内部的检测和信息采集的需要。

本发明中的电源模块、控制电路模块（包含遥控芯片部分）、振动电动机模块和操作模块等技术，可根据实际应用采用现有的各种可能的方案，为本领域技术人员所熟知，故不再累述。

需要注意的是，对于本领域的普通技术人员来说，可根据上述说明加以改进和变换，例如操作模块的功能和个数，或改变纤毛驱动腿的尺寸、数量、位置、倾斜角度等。而所有这些改进和变换都属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种纤毛振动驱动的微型机器人，其特征在于：所述微型机器人包括上、中、下三层结构；

下层结构具有至少两组数量不同、直径大小不同的纤毛驱动腿，所述纤毛驱动腿与中间层的基板相连接构成一个整体，各组纤毛驱动腿的总水平截面积相等，垂直高度相等，相邻两组纤毛驱动腿与基板平面呈倾角布置，且倾角对称；

中间层是起支撑和连接上下层作用的基板；

上层结构是以中间层的基板为支撑，包括电源模块、振动电动机模块、控制电路模块和操作模块；所述振动电动机模块由偏心振动电动机组成，根据控制电路信号进行转速变换；所述控制电路模块与振动电动机模块和操作模块连接，根据程序设定或遥控指令向其他模块发出控制信号，控制电路模块包括微型中央处理器、无线通信芯片和外围电路元器件，微型中央处理器调节振动电动机的转速，进而控制纤毛驱动腿的振动摆幅，达到控制微型机器人前进、后退、转向及行进速度调整的目的，无线通信芯片实现遥控信号和检测信号的无线传输；操作模块根据应用目的执行具体操作动作；电源模块由纽扣电池组成，为其他三部分模块提供电能； 

所述微型机器人由控制电路模块控制振动电动机的振动频率，振动电动机作为机器人运动的驱动源，通过不同振动频率引起纤毛驱动腿的振动，由于不同组的纤毛驱动腿的直径不同，固有频率不同，在振动电动机的相同振动频率驱动下振动摆幅不同，产生的驱动力也不相同，当振动电动机的振动频率与纤毛驱动腿的固有振动频率接近时则纤毛驱动腿的振动摆幅变大（即驱动力变大），振动频率远离时则纤毛驱动腿的振动摆幅变小（即驱动力变小），因此在振动电动机的驱动和纤毛驱动腿倾角的限制下，微型机器人向着两组纤毛驱动腿振动摆幅的差值正向方向运动，利用控制电路模块可控制振动电动机的转速，进而达到控制微型机器人前进、后退、转向及行进速度调整的目的。

2.根据权利要求1所述的纤毛振动驱动的微型机器人，其特征在于：所述纤毛驱动腿和基板整体采用柔软有弹性且透明的材料制作。

3.根据权利要求1所述的纤毛振动驱动的微型机器人，其特征在于：所述操作模块根据应用目的，包括但不限于取样、检测、照明、清洗、图像采集等功能。

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