CN106143671A - 一种基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，包括：骨架结构、排梁结构、横梁结构、支撑腿、电极结构、电源及配套电路；骨架结构用于支撑横梁结构和电极结构；电极结构由导电材料制成，连接在骨架结构上；排梁结构由两个或多个导电微梁并排组成，其中一头贴一小块碳纤维片，另一头固接在骨架上，位于两电极之间；横梁结构与支撑腿相连接，并连接在骨架结构上；电源及配套电路为两电极提供可调直流电压。本发明结构简单，重量轻，更容易微型化；且本发明的能量转化效率较高。

Description

一种基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域与微型爬行机器人技术领域相结合的装置，具体是一种基于静电场中结构的自激振动原理、采用直流电压驱动的仿生机械昆虫。

背景技术

足式机器人相比轮式机器人有更多的优势，更容易实现在多种地面环境下运动，适合在狭小空间中执行任务。微型机械昆虫的机动性等重要参数指标和其采用何种驱动系统密切相关，因此，对微型爬行机器人驱动系统的探索、研究和发展一直是学术界、工业界关注的热点问题。

微型爬行机器人的驱动系统一般由驱动器、传动机构、支撑腿三部分组成。随着微纳米加工技术的进步，机器人的体积逐步缩小，其运动的方式更接近昆虫，驱动器选择也在发生变化。体积偏大的爬行机器人，尚可采用技术成熟、输出旋转运动的电机作为驱动器，再通过传动机构将其转换为带有一定轨迹的往复运动。然而随着体积的减小，电机的性能以及传动机构的效率因尺度效应而急剧下降。目前，昆虫尺寸量级的爬行机器人，多采用基于新型驱动原理的微驱动器，如压电陶瓷驱动器、形状记忆合金驱动器。

昆虫尺寸的爬行机器人，主要用于在室内、洞穴等狭窄空间执行任务，需要响应快、速度快，且可携带的能源有限，这就要求微爬行机器人具有反应迅速、运动速度快以及能量转换效率高等优点。目前，驱动器主要有形状记忆合金(SMA)驱动、静电驱动、人造肌肉驱动、压电陶瓷驱动等。SMA驱动的驱动速度很慢，远达不到执行快速响应的任务，且能量转换效率低，用作爬行机器人效果不佳；传统静电驱动的驱动位移和驱动力都很小，人造肌肉驱动的配套系统重量很大，导致二者产生的动力不能克服较大的摩擦力；压电陶瓷驱动的总体性能较为均衡，是现阶段比较热门的微驱动原理。哈佛大学Wood等人曾设计出了一种爬行机器人HAMR-VP，实现快速爬行。但是其不足之处在于，其高压交流电源和控制电路由于结构复杂且重量大，无法集成在机器人身上而只能外置，从而导致爬行运动所需的能量和控制信号只能通过细铜线传导至机器人上，即仅能实现带导线爬行。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其采用静电力作为驱动力，因为能量转换效率很高；且结构简单，易于进一步微型化。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：本发明的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，具体包括：骨架结构、排梁结构、横梁结构、支撑腿、电极结构、电源及配套电路。其中，骨架结构包括两个带孔及槽的支撑架，分别用于支撑排梁结构、横梁结构以及电极结构；排梁结构由两个或多个导电微梁并排连接组成，其一端固支在一个带孔支撑架上，另一端悬空或粘一小块碳纤维片或其他材料的重物；两个电极结构分别安装在两个骨架结构支撑架的槽里，将排梁结构夹在中间，并与之平行；两个横梁结构安装在两个骨架结构支撑架的槽里，与电极保持平行；支撑腿分别粘在两个横梁结构上，与横梁成一定角度支撑在地面上；电源及配套电路的输出端与所述电极相连，为两电极提供可调直流电压。

更进一步的，当直流电压施加在两电极上后，稳定的静电场会产生于两电极之间，此时所述的一段固支的悬臂梁结构能够在静电场中产生自激振动，同时撞动两边电极，使整个机构发生晃动并前进，与自然界中爬行昆虫爬行的姿态相似。

更进一步的，所述骨架结构的材料的制备材料可以是各种非导电轻质材料，如塑料、轻木等。

更进一步的，所述排梁结构的制备材料可以是各种导电材料，如硅、金、铝、铜、形状记忆合金等。所述的电极结构和横梁结构可以由金属化薄膜或碳纤维经过激光切割制成，或者通过MEMS加工工艺得到。

更进一步的，所述的支撑腿的制备材料可以是各种有一定弹性及支撑能力的材料，如碳纤维丝、铜丝、形状记忆合金丝等。

更进一步的，所述电源及配套电路可以是薄膜电容、陶瓷电容或者电化学电容通过集成电路技术微型化，并集成在机身上。

更进一步的，由于驱动原理和结构十分简单，本发明的总长度通常小于3cm，经MEMS工艺微型化后，本发明的身长可以小于1cm甚至1mm。

另外，本发明提供一种用于上述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫的驱动方法，综合利用排梁结构自激振动带动整体机构晃动时两侧与地面成一角度的支撑腿和地面摩擦力不同，以及利用撞击使横梁结构发生变形时横梁前后部分的与地面成一角度的支撑腿与地面摩擦力不同，从而使机构前进。

更进一步的，经过理论计算和试验研究，当所述的排梁结构由2-5个圆柱形导电微梁并排连接构成、且导电微梁的长径比(长度与直径之比)为400～800左右、电极间距与导电微梁长度之比为0.05～0.15时，排梁结构能够在没有交流驱动信号的情况下，仅依靠直流电压，通过自身运动状态的反馈作用调节能量输入，始终保持在一阶固有频率附近的振动状态，并带动悬臂梁前段粘贴的重物进行振动撞击两边电极。从结构动力学角度来讲，所述排梁结构的振动现象属于一种静电场中的“自激振动”。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)能量转换效率高。如前所述，仿生机械昆虫对于的能量转化效率取决于驱动器的电-机械能转换效率、传动机构的传动效率。对于本发明，首先，其驱动器是利用电-机械能量转换效率很高(90％左右)的静电力作为驱动力；其次，本发明直接采用振动的悬臂梁撞击两端电极使整个机构产生晃动的方法驱动，没有复杂的传动机构，并且所选用碰撞的材料恢复系数都较高，因此传动效率高。

(2)结构简单。本发明提供的基于结构静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其中悬臂梁结构在静电场中的自激振动频率始终保持在一阶固有频率附近，且能够自动跟随一阶固有频率的变化而变化，不需要任何复杂的交流发生和频率跟随装置，可以脱离导线的束缚自由爬行。另一方面，悬臂梁结构的自激振动可以直接驱动结构进行前进，不需要额外的变换机构。本发明提出的简单驱动原理和结构，在降低驱动器重量、提高行进速度与稳定性的同时，也有利于机器人的进一步微型化。理论上，利用现有的MEMS加工工艺，本发明的总长度可以小于1cm甚至1mm。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴测图；

图2为本发明的骨架结构一边的平面图；

图3为本发明的整体结构的前视图(剖视)；

图4为本发明工作时排梁结构振动以及整体结构的晃动过程示意图。

图5为本发明工作时横梁结构受撞击变形示意图以及整个过程中腿部摩擦力受力分析示意图，其中，图5(a)为撞击时受力分析示意图，图5(b)为撞击后受力分析示意图，图5(c)为横梁受撞击变形示意图。

图中附图标记含义为：1为排梁结构，2为电极结构，3为骨架结构，4为横梁结构，5为支撑腿，6为陶瓷电容器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫的一个实施例子，包括：排梁结构1，电极结构2，骨架结构3，横梁结构4，支撑腿5，陶瓷电容器6。其中骨架结构3为排梁结构1、电极结构2和横梁结构4提供支撑，支撑腿5与横梁结构4相连，为整个机构提供支撑。电极结构2间夹有陶瓷电容器6，陶瓷电容器6为电极结构2提供直流电压。

如图2所示，骨架结构一边上有多个小槽与两个小孔，两个孔为排梁结构的固支孔，用于固定排梁结构，小槽分别为固定两个电极结构与两个横梁结构。

如图3所示，排梁结构1包括两根长导电微梁平行排列，分别固定在骨架结构3上的两个小孔中，排梁结构2的自由端部粘贴有小块导电重物。其中，两根长导电微梁截面可以是任意形状(由于圆形截面的摩擦和碰撞损耗较小，本实例去圆形)，长度15～30mm，本实例取20mm，直径30-60μm(本实例取56μm)，间距0.3-1mm(本实例取0.5mm)。排梁结构1的一端穿过骨架结构2上的两个小孔并固定，另一端粘贴有一小块重物以加大撞击时的力，可根据实验要求改变其材料与质量，本实例中重物选取为边长为3mm的正方形碳纤维片。

本发明的仿生机械昆虫的驱动原理是：采用直流电压驱动，基于排梁结构1在静电场中的自激振动，来撞击两侧横梁结构使其发生晃动来推动整体结构前进的，具体为：将高压电源的输出端分别接在两侧电极结构2上，此时电极2之间会产生一个稳定的静电场；在该静电场中，排梁结构1因静电感应效应而受到静电力，并克服结构的弹性回复力产生偏移；当直流电压进一步增大时，静电力和偏移也随之增大，直到弹性回复力无法与静电力保持平衡时，排梁结构1发生失稳(pull-in)而与电极2发生碰撞；由于排梁结构1固定在绝缘的胸腔骨架3上，既没有与任何电极相连也没有接地，处于电势浮动状态，因此排梁结构1与电极2的碰撞并没有导致短路；与上述碰撞过程同时进行的是电极2对排梁结构1的充电和放电过程(使排梁结构1的电势与电极2的电势相同，若碰撞的是正电极，则是充电过程，若碰撞的是负电极，则是放电过程)，由于排梁结构1的电容很小，这一充放电过程可以瞬间完成；碰撞和充放电完成后，由于异性相斥原理，排梁结构1所受的静电力将反向，静电力与回复力共同驱动排梁结构1向反方向运动，直到与另一个电极2发生碰撞并进行充放电；如此反复，上述排梁结构1和电极2的碰撞和充放电过程，就可以使排梁结构1形成稳定的大幅振动。排梁结构1发生大幅振动，将撞击横梁结构4，同时由于支撑腿与地面存在一个角度，故整体结构会发生如图4所示的晃动，晃动的结果是使整个结构达到前进的目的。图5所示为本发明前进的另一个原理说明：排梁结构1在电场中受力撞击一侧横梁结构4，横梁结构发生微弯曲变形，如图5(c)所示，左边部分受到拉力，有向右运动的趋势，而右边部分被向左拉，有向左运动的趋势，由于腿与地面存在一个角度，两边腿所受的地面支撑力不同，则两边所受摩擦力f也不同，如图5(c)有f₁<f₂。要使整个机构平衡，则需两边f₁＝f₂，则显然右边f₂为静摩擦力，右边不会发生滑动，而左边f₁较小为滑动摩擦力，使左部分向右移动。当振动的微梁撞击离开后，如图5(b)所示，横梁机构在自身弹性力作用下要恢复到原始状态，产生的力的方向与之前撞击的相反，若均为滑动摩擦力有f₁’>f₂’，同上分析，产生左半部分不动、右半部分向右运动的结果，至此通过一个完整的撞击离开动作，整个机构向右前进一段距离。当排梁结构1撞击到另一边的横梁结构4时，同上述分析，效果相同。由以上两种原理综合作用，整个机构可以达到前进的目的。

本发明中，骨架结构3的制备材料可以是各种非导电轻质材料，如塑料、轻木等。排梁结构1的制备材料可以是各种导电材料，如硅、金、铝、铜、形状记忆合金等。电极结构2和横梁结构4可以由金属化薄膜或碳纤维经过激光切割制成，或者通过MEMS加工工艺得到。所述的支撑腿5的制备材料可以是各种有一定弹性及支撑能力的材料，如碳纤维丝、铜丝、形状记忆合金丝等。所述电源及配套电路可以是薄膜电容、陶瓷电容或者电化学电容通过集成电路技术微型化，并集成在机身上。

总之，本发明中的排梁结构能够在直流电压驱动下产生自激振动，通过碰撞传递能量使整体结构可以前进；本发明舍弃了以往微型仿生机械昆虫所必须的复杂的传动机构，结构十分简单，大大降低了仿生机械昆虫的重量，更容易微型化，让制成总长度小于1cm甚至1mm的仿生机械昆虫成为可能；再加上采用静电力作为驱动力，相比压电驱动等现有驱动原理，本发明的能量转化效率较高。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，包括：骨架结构、排梁结构、横梁结构、支撑腿、电极结构、电源及配套电路；其特征在于：

所述的骨架结构包括两个带孔及槽的支撑架；

所述的排梁结构由两个或多个导电微梁并排连接组成，其一端伸入所述的一个带孔支撑架，处于固支状态；在排梁结构另一端粘上一片碳纤维或其他材料以增加其重量；

所述的电极有两个，分别安装在两个骨架结构支撑架的槽里；排梁结构位于两电极之间，并与两电极保持平行；

所述的横梁结构有两个，分别安装在两个骨架结构支撑架的槽里，与电极保持平行；

述支撑腿的个数可以改变，分别粘在两个横梁结构上，与横梁成一定角度支撑在地面上；

所述的电源及配套电路为两电极提供可调直流电压。

2.根据权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其特征在于：当直流电压施加在两电极上后，稳定的静电场产生于两电极之间，此时所述的排梁结构能够在静电场中产生自激振动。

3.根据权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其特征在于：所述骨架结构的材料为包括塑料、轻木在内的各种非导电轻质材料。

4.根据权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其特征在于：所述排梁结构的材料为包括硅、金、铝、铜、形状记忆合金在内的各种导电材料。

5.根据权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其特征在于：所述的电极结构和横梁结构为金属化薄膜或碳纤维经过激光切割制成，或者通过MEMS加工工艺得到。

6.根据权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其特征在于：所述的支撑腿包括碳纤维丝、铜丝、形状记忆合金丝等在内的有一定弹性及支撑能力的各种材料。

7.根据权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其特征在于：所述电源及配套电路通过集成电路技术微型化，并集成在机身上。

8.根据权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫，其特征在于：所述仿生机械昆虫的总长度小于3cm。

9.一种用于权利要求1所述的基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫的驱动方法，其特征在于：综合利用排梁结构自激振动带动整体机构晃动时两侧与地面成一角度的支撑腿和地面摩擦力不同，以及利用撞击使横梁结构发生变形时横梁前后部分的与地面成一角度的支撑腿与地面摩擦力不同，从而使机构前进。