CN103441702A - 基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构及机器人结构 - Google Patents
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Abstract
一种基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，应用于微型机器人，所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构包括压电振子以及平面单向毛刺阵列，所述压电振子包括压电陶瓷和用来调节压电振子谐振频率的质量块，所述压电陶瓷在正弦波激励下由于材料的逆压电效应产生振动，振动方向与机器人运动方向重合。本发明的谐振驱动机构采用压电陶瓷作为振动源，和现有技术中采用振动电机作为振动源相比，没有轴承等零部件，整个谐振驱动机构无电磁干扰、结构简单且运动效率高。
Description
技术领域
本发明涉及微型机器人技术领域，尤其涉及一种基于毛刺摩擦非对称性的微小型谐振驱动机构及机器人结构。
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。
现有技术中一件申请号为201210023195.2，申请日为2012年2月2日的专利申请揭示了一种纤毛振动驱动的微型机器人，该微型机器人采用三层平面结构，设计了两组数量不同，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，采用电动机加偏心转子作为振动激励源，当振动频率接近纤毛驱动腿的固有频率时，通过纤毛驱动腿的摆动驱动微型机器人运动。
现有技术中另一件申请号为201110086875.4，申请日为2011年4月7日的专利申请揭示了一种管道机器人，该专利申请采用圆柱面内分布的单向类金属毛刺作为驱动足，机器人体内的微型电机带动偏心轮转动产生振动，通过毛刺与管壁的非对称碰撞和摩擦使机器人向前运动。
现有技术中另一件专利号为ZL200910071548.4的专利揭示了一种谐振式微小型机器人移动机构，该专利在柔性足本体上粘贴双压电膜，通过压电膜激励柔性足产生谐振，利用足端敲击地面驱动机器人运动。虽然该谐振式微小型机器人移动机构采用双压电膜驱动，但压电膜和柔性足连接在一起，结构较复杂。
以上描述的现有技术中的驱动机构大多采用振动电机作为激励源，但是振动电机存在电磁干扰，能耗高，易发热，频率范围小、转速调节困难。同时，现有机器人大多采用金属类柔性足和毛刺，对接触面容易造成一定的损伤。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构及机器人结构，以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无电磁干扰、结构简单且运动效率高的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构及机器人结构。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，应用于微型机器人，所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构包括压电振子以及若干毛刺，所述压电振子包括压电陶瓷和用来调节压电振子谐振频率的质量块，所述压电陶瓷在正弦波激励下由于材料的逆压电效应产生振动，振动方向与机器人运动方向重合。
优选的，在上述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中，所述若干毛刺采用单向排布。
优选的，在上述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中，所述每一毛刺的排布方向与水平面方向相互垂直。
优选的，在上述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中，所述每一毛刺的排布方向与水平面方向之间的夹角大于0度且小于90度。
优选的，在上述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中，所述若干毛刺相互平行。
优选的，在上述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中，所述若干毛刺分布在同一平面内。
优选的，在上述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中，所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构采用非金属材质制作。
优选的，在上述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中，所述压电振子与若干毛刺为分离式结构，所述压电振子与若干毛刺之间设有支撑结构。
一种机器人结构，其包括机器人本体及柔性纤维足，所述机器人结构具有上述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构。
优选的，在上述机器人结构中，所述压电振子与若干毛刺为分离式结构，所述压电振子与若干毛刺之间设有支撑结构，所述机器人本体、柔性纤维足和支撑结构为一体式结构。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构及机器人结构采用压电陶瓷作为振动源，和现有技术中采用振动电机作为振动源相比，没有轴承等零部件，整个谐振驱动机构无电磁干扰、结构简单且运动效率高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）采用压电陶瓷作为振动源，和振动电机相比，没有轴承等零部件，无电磁干扰，结构简单，运动效率高。
（2）采用单向毛刺结构，振动方向与运动方向相同，在谐振状态下，机构沿作往复振动运动方向。
（3）采用平面内分布的单向毛刺，利用往复运动时毛刺与地面摩擦的非对称性驱动机构运动。
（4）压电陶瓷与毛刺采用分离式结构，使得毛刺的尺寸可以远小于粘贴压电膜的柔性足，毛刺与地面摩擦为非对称性驱动，而不是利用碰撞力驱动。
（5）采用光敏树脂、ABS塑料等非金属材质制作谐振驱动机构，机械性能良好，并且有一定的有韧性，具有较好的耐腐蚀、生物兼容、不损伤行走表面等特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构一种实施例的示意图；
图2是本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构另一种实施例的示意图；
图3是一锯齿波的示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种无电磁干扰、结构简单且运动效率高的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构及机器人结构。
该基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，应用于微型机器人，所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构包括压电振子以及若干毛刺，所述压电振子包括压电陶瓷和用来调节压电振子谐振频率的质量块，所述压电陶瓷在正弦波激励下由于材料的逆压电效应产生振动，振动方向与机器人运动方向重合。
进一步的，所述若干毛刺采用单向排布。
进一步的，所述每一毛刺的排布方向与水平面方向相互垂直。
进一步的，所述每一毛刺的排布方向与水平面方向之间的夹角大于0度且小于90度。
进一步的，所述若干毛刺相互平行。
进一步的，所述若干毛刺分布在同一平面内。
进一步的，所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构采用非金属材质制作。
进一步的，所述压电振子与若干毛刺为分离式结构，所述压电振子与若干毛刺之间设有支撑结构。
本发明还公开了一种机器人结构，其包括机器人本体及柔性纤维足，所述机器人结构具有上述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构。
进一步的，所述压电振子与若干毛刺为分离式结构，所述压电振子与若干毛刺之间设有支撑结构，所述机器人本体、柔性纤维足和支撑结构为一体式结构。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构主要应用于微型机器人。该基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构包括压电振子1以及若干毛刺3，压电振子1包括压电陶瓷101和用来调节压电振子谐振频率的质量块102，压电陶瓷101在正弦波激励下由于材料的逆压电效应产生振动，振动方向与机器人运动方向重合，利用往复运动时毛刺与地面摩擦的非对称性驱动机构运动，压电振子1通过支撑结构2毛刺阵列沿前进方向往复振动振动。本发明通过采用压电陶瓷101作为振动源，避免采用电机加偏心转子引入的电磁干扰，和现有技术中采用振动电机作为振动源相比，没有轴承等零部件，整个谐振驱动机构无电磁干扰、结构简单且运动效率高。本发明采用质量块102调节压电振子1的固有频率，增大压电振子1的振动幅度，提高驱动模块的驱动力，改善振动模块的驱动效果。质量块102可以是各类形状、各类材质、具有一定质量的小物块，也可与压电陶瓷一体化设计，作为压电陶瓷的一部分。
继续如图1所示，压电振子1与若干毛刺3为分离式结构，压电振子1与若干毛刺3之间设有支撑结构2。由于将压电振子1与若干毛刺3设置成分离结构，因此毛刺3的尺寸可以远小于粘贴压电膜的柔性足。压电振子1与若干毛刺3采用分体式结构，简化了机器人机构设计，节约空间，易于小型化，增大了机器人的驱动力。
本发明采用平面分布的单向毛刺阵列结构，利用共振和毛刺与地面摩擦的非对称性，驱动机构向前运动。而不是利用碰撞力驱动。
继续如图1所示，若干毛刺3采用平面单向排布。所述每一毛刺的排布方向与水平面方向之间的夹角大于0度且小于90度。若干毛刺3相互平行。所述若干毛刺3分布在同一平面内。
如图2及图3所示，在本发明另一实施例中，若干毛刺3采用平面单向排布。每一毛刺3的排布方向与水平面方向相互垂直。锯齿波利用惯性冲击原理驱动。根据所加锯齿波的方向不同可以控制机器人向前和向后运动。
所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构采用光敏树脂、ABS塑料等非金属材质制作，机械性能良好，并且有一定的有韧性，具有较好的耐腐蚀、生物兼容、不损伤行走表面等特性。
本发明公开的机器人结构包括机器人本体及柔性纤维足，所述机器人结构具有上述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，所述机器人本体、柔性纤维足和支撑结构2等机构为一体式结构，简化了机器人的组装步骤，便于机器人的批量生产。
本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构的工作原理是：压电陶瓷101在正弦波激励下由于材料的逆压电效应产生振动，振动方向与机器人运动方向重合；调节振动频率，使压电振子1产生谐振；压电振子1通过支撑结构2将振动能量传递给单向毛刺3，引起毛刺3在前进方向上做往复摆动，毛,3往复摆动时，由于毛刺3的单向特性，毛刺3与地面在两个方向的摩擦系数不等，所以引起机构向前运动。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构及机器人结构采用压电陶瓷作为振动源，和现有技术中采用振动电机作为振动源相比，没有轴承等零部件，整个谐振驱动机构无电磁干扰、结构简单且运动效率高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）采用压电陶瓷作为振动源，和现有技术中的振动电机相比，没有轴承等零部件，无电磁干扰，结构简单，运动效率高。
（2）采用单向毛刺结构，振动方向与运动方向相同，在谐振状态下，机构沿作往复振动运动方向。
（3）采用平面内分布的单向毛刺，利用往复运动时毛刺与地面摩擦的非对称性驱动机构运动。
（4）压电陶瓷与毛刺采用分离式结构，使得毛刺的尺寸可以远小于粘贴压电膜的柔性足，毛刺与地面摩擦为非对称性驱动，而不是利用碰撞力驱动。
（5）采用光敏树脂、ABS塑料等非金属材质制作谐振驱动机构，机械性能良好，并且有一定的有韧性，具有较好的耐腐蚀、生物兼容、不损伤行走表面等特性。
本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中的压电陶瓷材料可以采用双压电片结构，也可以采用叠堆陶瓷、陶瓷管或其他结构形式。
本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中的毛刺阵列也可以变形为仿生足或足状阵列。
本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中的压电陶瓷外观可以设计为圆形结构，也可以设计为方形、三角形等其它可实现同样发明目的的形状。
本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构中的毛刺3的尺寸、数量、材料、位置、倾斜角等做一定改动也会产生驱动效果。
本发明基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构上可以集成电源、控制驱动电路，做成无线的微型移动机器人。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，应用于微型机器人，其特征在于：所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构包括压电振子以及若干毛刺，所述压电振子包括压电陶瓷和用来调节压电振子谐振频率的质量块，所述压电陶瓷在正弦波激励下由于材料的逆压电效应产生振动，振动方向与机器人运动方向重合。
2.根据权利要求1所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，其特征在于：所述若干毛刺采用单向排布。
3.根据权利要求2所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，其特征在于：所述每一毛刺的排布方向与水平面方向相互垂直。
4.根据权利要求2所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，其特征在于：所述每一毛刺的排布方向与水平面方向之间的夹角大于0度且小于90度。
5.根据权利要求4所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，其特征在于：所述若干毛刺相互平行。
6.根据权利要求1所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，其特征在于：所述若干毛刺分布在同一平面内。
7.根据权利要求1所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，其特征在于：所述基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构采用非金属材质制作。
8.根据权利要求1所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构，其特征在于：所述压电振子与若干毛刺为分离式结构，所述压电振子与若干毛刺之间设有支撑结构。
9.一种机器人结构，其包括机器人本体及柔性纤维足，其特征在于：所述机器人结构具有权利要求1-7任一所述的基于毛刺摩擦非对称性的谐振驱动机构。
10.根据权利要求9所述的机器人结构，其特征在于：所述压电振子与若干毛刺为分离式结构，所述压电振子与若干毛刺之间设有支撑结构，所述机器人本体、柔性纤维足和支撑结构为一体式结构。
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