CN107351073B - 一种振动驱动的运动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种振动驱动的运动机器人，包括壳体、第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构、第四转动机构、偏心质量块和控制机构，第一转动机构的输出轴和第二转动机构的输出轴竖直设置，第三转动机构的输出轴和第四转动机构的输出轴水平设置，偏心质量块随各个转动机构的输出轴转动；各个转动机构的转速相同，且第一转动机构与第二转动机构的转向相反，第三转动机构与第四转动机构的转向相反。垂直于运动平面的偏心质量块的运动产生离心力，当偏心质量块转到最高处时，使机器人受到的摩擦力最小，此时使平行于运动平面设置的偏心质量块产生向期望方向的离心力，故机器人会朝期望的方向运动。

Description

一种振动驱动的运动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种振动驱动的运动机器人。

背景技术

受蚯蚓等软体动物蠕动运动的启发，近年来一些学者开发了一类新型的运动模型-振动驱动系统，这类系统不需要外部驱动部件，如腿或轮子等，因此易于实现结构微型化和密封。有学者期望将其制成微型胶囊机器人进入人体肠道甚至血管治疗疾病。

针对这类系统的研究，2005年，chernousko提出了由一个内部质量块和一个外部箱型刚体构成的振动驱动系统模型，并研究了两个质量块系统的直线运动，通过选择合适的物理参数并合理控制两个质量块之间的相互作用力，实现了该系统的最快平均速度。通过合理设计内部质量块的周期运动形式，外部箱体可以在内部质量块对其作用力以及支撑板对其摩擦力的共同作用下，实现周期平移运动。2012年，Fang等人研究了三模块振动驱动系统，通过优化各模块中正弦驱动的初始相位，有效提高了系统的稳态平均速度。

以上研究基于直线电机实现质量块的直线运动，这样要保证较高的效率，就需要有足够的直线运动距离，因而不利于小型化；小质量块运动过程中不断的加减速，导致能耗较高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的机器人不利于小型化和能耗较高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种振动驱动的运动机器人，包括壳体、第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构、第四转动机构、偏心质量块和控制机构；所述壳体的底壁水平设置，所述第一转动机构、所述第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构设于所述壳体内且安装于所述底壁上；所述第一转动机构的输出轴和第二转动机构的输出轴竖直设置，所述第三转动机构的输出轴和第四转动机构的输出轴水平设置，各个转动机构的输出轴上均设有所述偏心质量块，所述偏心质量块随各个转动机构的输出轴转动；各个转动机构的转速相同，且第一转动机构与第二转动机构的转向相反，第三转动机构与第四转动机构的转向相反；所述控制机构分别与各个转动机构连接，用于控制各个转动机构的转速和转向。

其中，所述第三转动机构输出轴和第四转动机构的输出轴相互平行。

其中，所述第三转动机构的偏心质量块和所述第四转动机构的偏心质量块在同一平面内转动。

其中，所述第一转动机构的数量与所述第二转动机构的数量相等，所述第三转动机构的数量与第四转动机构的数量相等。

其中，以壳体的底壁的中心为坐标原点O，壳体的底壁的长度方向为X轴，壳体的底壁的宽度方向为Z轴，竖直方向为Y轴建立三维坐标系，所述第一转动机构和所述第二转动机构关于面XOY一一对称设置，所述第三转动机构的输出轴和第四转动机构的输出轴垂直于面XOY且在面XOY内转动。

其中，所述第三转动机构的偏心质量块的质心的初始位置和第四转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿Y轴的正半轴方向设置。

其中，当第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿X轴方向设置且关于面XOY对称时，所述机器人沿X轴做直线运动。

其中，当第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿Z轴方向设置且设置方向相同时，所述机器人沿Z轴做直线运动。

其中，设OP为面XOZ内的一条直线，OP与Z轴的夹角为α，0°≤α＜360°，所述第一转动机构的偏心质量块的转动中心为O1，所述第二转动机构的偏心质量块的转动中心为O2，当所述第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与O1的连线平行于OP，所述第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与O2的连线平行于OP，且所述第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置在X轴的坐标投影与所述第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置在X轴上的坐标投影符号相同时，机器人沿OP方向做直线运动。

其中，当所述第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与所述第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿X轴方向设置，且设置方向相反时，所述机器人在水平面内做旋转运动。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的一种振动驱动的运动机器人，包括壳体、第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构、第四转动机构、偏心质量块和控制机构，所述壳体的底壁水平设置，所述第一转动机构、所述第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构设于所述壳体内且安装于所述底壁上，且所述第一转动机构的输出轴和第二转动机构的输出轴竖直设置，所述第三转动机构的输出轴和第四转动机构的输出轴水平设置，各个转动机构的输出轴上均设有所述偏心质量块，所述偏心质量块随各个转动机构的输出轴转动；各个转动机构的转速相同，且第一转动机构与第二转动机构的转向相反，第三转动机构与第四转动机构的转向相反；所述控制机构分别与各个转动机构连接，用于控制各个转动机构的转速和转向。垂直于运动平面(即壳体的底壁)的偏心质量块(对应于安装在第三转动机构的输出轴和第四转动机构输出轴上的偏心质量块)的运动产生离心力，从而使得整个机器人对支撑板的压力成周期性的变化，当偏心质量块转到最高处时，第三转动机构和第四转动机构离心力在水平方向上抵消，在竖直方向上达到最大，机器人对支撑板的压力最小，进而使机器人受到的摩擦力最小，此时使平行于运动平面设置的偏心质量块(对应于安装在第一转动机构的输出轴和第二转动机构上的偏心质量块)产生向期望方向的离心力，由于此时产生的摩擦力最小，故机器人会朝期望的方向运动。该机器人的组件较少，只需要合理的设置各个转动机构的转速和转向，及各个转动机构上的偏心质量块的初始位置，即可实现机器人的直线运动和旋转运动，控制机构通过控制各个转动机构的运动状态来实现机器人的运动，集成度较高，利于小型化，且能耗较低。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的振动驱动的运动机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例中第三转动机构上的偏心质量快和第四转动机构的偏心质量块的受力分析图；

图3是本发明实施例中机器人沿任意方向做直线运动时第一转动机构上的偏心质量块和第二转动机构上的偏心质量块的受力分析图

图4是本发明实施例中机器人沿X轴做直线运动时第一转动机构上的偏心质量块和第二转动机构上的偏心质量块的受力分析图；

图5是本发明实施例中机器人沿Z轴做直线运动时第一转动机构上的偏心质量块和第二转动机构上的偏心质量块的受力分析图；

图6是本发明实施例中机器人做顺时针转动时第一转动机构上的偏心质量块和第二转动机构上的偏心质量块的受力分析图；

图7是本发明实施例中机器人做逆时针转动时第一转动机构上的偏心质量块和第二转动机构上的偏心质量块的受力分析图。

图中：1：第一转动机构；2：第二转动机构；3：第三转动机构；4：第四转动机构；5：偏心质量块；6：壳体；7：电路板；8：电池。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1所示，本发明实施例提供的一种振动驱动的运动机器人，包括壳体6、第一转动机构1、第二转动机构2、第三转动机构3、第四转动机构4、偏心质量块5和控制机构，壳体6的底壁水平设置，第一转动机构1、第二转动机构2、第三转动机构3和第四转动机构4设于壳体6内且安装于底壁上，且第一转动机构1的输出轴和第二转动机构2的输出轴竖直设置，第三转动机构3的输出轴和第四转动机构4的输出轴水平设置，各个转动机构的输出轴上均设有偏心质量块5，偏心质量块5随各个转动机构的输出轴转动；各个转动机构的转速相同，且第一转动机构1与第二转动机构2的转向相反，第三转动机构3与第四转动机构4的转向相反；控制机构分别与各个转动机构连接，用于控制各个转动机构的转速和转向。垂直于运动平面(即壳体的底壁)的偏心质量块(对应于安装在第三转动机构3的输出轴和第四转动机构4的输出轴上的偏心质量块)的运动产生离心力，从而使得整个机器人对支撑面的压力成周期性的变化，当偏心质量块5转到最高处时，第三转动机构3和第四转动机构4的离心力在水平方向上抵消，在竖直方向上达到最大，机器人对支撑面的压力最小，进而使机器人受到的摩擦力最小，此时使平行于运动平面设置的偏心质量块(对应于安装在第一转动机构1的输出轴和第二转动机构2上的偏心质量块)产生向期望方向的离心力，由于此时产生的摩擦力最小，故机器人会朝期望的方向运动。该机器人的组件较少，只需要合理的设置各个转动机构的转速和转向，及各个转动机动机构上的偏心质量块5的初始位置，即可实现机器人的直线运动和旋转运动，控制机构通过控制各个转动机构的运动状态来实现机器人的运动，集成度较高，利于小型化，且能耗较低。

进一步地，第三转动机构3的输出轴和第四转动机构4的输出轴相互平行。且第三转动机构3和第四转动机构4的偏心质量块5在同一平面内转动。这样设置的目的是，当第三转动机构3上的偏心质量块5和第四转动机构4的偏心质量块5的转动角度相同时，两个离心力在水平方向上的分力大小相等方向相反，可以完全抵消，在竖直方向的分力大小相等，方向相同，两者相互叠加，来改变机器人受到的摩擦力的大小。

进一步地，第一转动机构1的数量与第二转动机构2的数量相等，第三转动机构3的数量与第四转动机构4的数量相等。

进一步地，以壳体6的底壁的中心为坐标原点O，壳体6的底壁的长度方向为X轴，壳体6的底壁的宽度方向为Z轴，竖直方向为Y轴建立三维坐标系，第一转动机构1和第二转动机构2关于面XOY一一对称设置，第三转动机构3的输出轴和第四转动机构4的输出轴垂直于面XOY。

进一步地，第三转动机构3的偏心质量块5的质心的初始位置和第四转动机构4的偏心质量块5的质心的初始位置均沿Y轴的正半轴方向设置。当第三转动机构3的偏心质量块5的质心的初始位置和第四转动机构4的偏心质量块5的质心的初始位置均沿Y轴的正半轴方向设置时，即第三转动机构3的偏心质量块5和第四转动机构4的偏心质量块5的初始位置位于最高点时，机器人对支撑面的压力最小，此时机器人所受到的摩擦力也最小。具体的，如图2所示，由于第三转动机构和第四转动机构始终设置相同的初始位置，同时启动，转速相同，且转向相反，因此相对方向的力抵消，只产生向上或向下的力，第三转动机构和第四转动机构产生的Oy方向的合力为2Fy，产生的Ox方向的合力为0；定义第三转动机构的偏心质量块的转动中心为O3，第四转动机构的偏心质量块的转动中心为O4，第三转动机构初始相位角∠OO3y3为θ3，第四转动机构初始相位角∠OO4y4为θ4，以第三转动机构为基准，那么当θ3和θ4在0到180度之间变化时，产生的离心力在Oy方向的分力Fy为正，此时振动机器人对支撑板的压力变小，从而使得机器人所受支撑板的摩擦力变小，当θ3＝θ4＝90°时，振动机器人对支撑板的压力最小，此时机器人所受支撑板的摩擦力也最小；那么当θ3和θ4在180到360度之间变化时，产生的离心力在Oy方向的分力Fy为负，此时振动机器人对支撑板的压力变大，从而使得机器人所受支撑板的摩擦力变大，当θ3＝θ4＝270°时，振动机器人对支撑板的压力最大，此时机器人所受支撑板的摩擦力也最大。

进一步地，设OP为面XOZ内的一条直线，OP与Z轴的夹角为α，0°≤α＜360°，第一转动机构的偏心质量块的转动中心为O1，第二转动机构的偏心质量块的转动中心为O2，当第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与O1的连线平行于OP，第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与O2的连心平行于OP，且第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置在X轴的坐标投影与第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置在X轴上的坐标投影符号相同时，机器人受到的离心力沿OP方向，由于此时第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块均处于最高点，机器人受到的摩擦力最小，因此机器人可以沿OP方向做直线运动。具体的，如图3所示，期望机器人沿O1P1平行的方向(即OP)运动，定义θ1为O1x1(即第一转动机构的偏心质量块的质心与O1的连线)与O1P1的夹角，θ2为O2x2(即第二转动机构的偏心质量块的质心与O2的连线)与O2P2的夹角，设置第一转动机构的偏心质量块的初始相位角：θ1＝0°，第二转动机构的偏心质量块的初始相位角：θ2＝0°，第三转动机构和第四转动机构的初始相位角：θ＝90°，当四个电机稳定旋转后，当第三转动机构和第四转动机构的相位达到90度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的相位均为0度，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块分别对机器人产生朝O1P1方向和O2P2方向的力，由于此时由于机器人受到的摩擦力最小，因而使整个机器人沿O1P1平行的方向以最大加速度运动；当第三转动机构和第四转动机构的相位达到270度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的相位角：θ1＝180°，θ2＝180°，此时由于机器人受到的摩擦力最大，因而停止运动。综合转动机构旋转一个周期来看，一段时间沿O1P1平行的方向运动，一段时间停止，综合效果为沿O1P1平行的方向运动。因为α为0到360度的任意角度，因此我们就可以实现机器人朝任意方向的直线运动。

进一步地，当第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿X轴方向设置且关于面XOY对称时(即P位于X轴上，OP与X轴重合)，机器人沿X轴做直线运动。

机器人沿X轴方向的直线运动又包括沿X轴正向的直线运动和沿X轴负向的直线运动，具体的，如图4所示，Q1和Q2均设于X轴的正方向上，第一转动机构的偏心质量块的质心与O1的连线沿O1x1方向，第一转动机构的偏心质量块的初始相位角∠Q1O1x1为第二转动机构的偏心质量块的质心与O2的连线沿O2x2方向，第二转动机构的偏心质量块的初始相位角∠Q2O2x2为设置而第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的初始相位为90°，当四个转动机构稳定旋转后，当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到90度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位角都达到0度，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块分别对机器人产生朝Ox正方向(即朝前)的力，此时由于机器人受到的摩擦力最小，朝Ox正方向加速度最大，因而沿Ox正方向加速运动；当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到270度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位角分别达到180和-180度，此时由于机器人受到的摩擦力最大，因而停止运动。综合电机旋转一个周期来看，一段时间向前运动，一段时间停止，综合效果为向前(沿Ox正方向)运动。一个周期内运动和停止时间的长短取决于摩擦系数的大小和机器人的总重量的大小。设置 而第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的初始相位为90°，当四个转动机构稳定旋转后，当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到90度时，第一转动机构的偏心质量块的相位角达到180度，第二转动机构的偏心质量块的相位角达到-180度，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块分别对机器人产生朝Ox负方向(即朝后)的力，此时由于机器人受到的摩擦力最小，朝Ox负方向加速度最大，因而沿Ox负方向加速运动；当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到270度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位角都达到0度，此时由于机器人受到的摩擦力最大，因而停止运动。综合电机旋转一个周期来看，一段时间向后运动，一段时间停止，综合效果为向后(沿Ox负方向)运动。

进一步地，当第一转动机构1的偏心质量块5的质心的初始位置与第二转动机构2的偏心质量块5的质心的初始位置均沿Z轴方向设置(即第一转动机构1的偏心质量块5的质心的初始位置与第二转动机构2的偏心质量块5的质心的初始位置的连线位于面ZOY内，并且与Z轴平行)，且设置方向相同(即第一转动机构1的偏心质量块5的质心的初始位置到面XOY的距离不等于第二转动机构2的偏心质量块5的质心的初始位置到面XOY的距离)时，这种情况相当于P位于Z轴上，机器人沿Z轴做直线运动。

机器人沿Z轴方向的直线运动又包括沿Z轴正向的直线运动和沿Z轴负向的直线运动，具体地，如图5所示，设置第一转动机构的偏心质量块的初始相位为β1＝0°，β1为第一转动机构的偏心质量块的质心与O1的连线O1x1与Z轴的夹角，第二转动机构的初始相位为β2＝0°，β2为第二转动机构的偏心质量块的质心与O2的连线O2x2与Z轴的夹角，而第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的初始相位为90度，当四个转动机构稳定旋转后，当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到90度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位角都达到0度，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块分别对机器人产生朝Oz正方向(即朝右)的力，此时由于机器人受到的摩擦力最小，朝Oz正方向加速度最大，因而沿Oz正方向加速运动；当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块相位达到270度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位角分别达到180和-180度，此时由于机器人受到的摩擦力最大，因而停止运动。综合电机旋转一个周期来看，一段时间向右运动，一段时间停止，综合效果为向右(即沿OZ的正向)运动。设置第一转动机构的偏心质量块的初始相位为β1＝180°，第二转动机构的偏心质量块的初始相位为β2＝-180°，而第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的初始相位为90度，当四个转动机构稳定旋转后，当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到90度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位角分别达到180和-180度，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块分别对机器人产生朝Oz负方向(即朝左)的力，此时由于机器人受到的摩擦力最小，朝Oz负方向加速度最大，因而沿Oz负方向加速运动；当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到270度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位角都达到0度，此时由于机器人受到的摩擦力最大，因而停止运动。综合电机旋转一个周期来看，一段时间向左运动，一段时间停止，综合效果为向左(即沿OZ的负向)运动。

进一步地，当第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿X轴方向设置，且设置方向相反时，机器人在水平面内做旋转运动。

机器人在水平面内的旋转运动又包括顺时针旋转运动和逆时针旋转运动，具体地，如图6所示，期望机器人顺时钟方向旋转运动，设置第一转动机构的偏心质量块的初始相位角γ1＝90°，γ1为第一转动机构的偏心质量块的质心与O1的连线O1x1与Z轴的夹角，第二转动机构的初始相位角γ2＝-90°，γ2为第二转动机构的偏心质量块的质心与O2的连线O2x2与Z轴的夹角，第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的初始相位为90度，当四个转动稳定旋转后，当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到90度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位分别为为90度和-90度，第一转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox1方向的力，作用点在O1，第二转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox2方向的力，作用点在O2，二力大小相等方向相反，力的作用抵消，但是由于存在力矩，此时产生使整个机器人绕质心O点顺时钟方向旋转的力矩，由于机器人受到的摩擦力最小，因而使整个机器人绕质心O点顺时钟方向(俯视时)加速旋转运动；当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到270度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位分别为为270度和90度，第一转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox1负方向的力，作用点在O1，第二转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox2负方向的力，作用点在O2，此时产生使整个机器人绕质心O点逆时钟方向旋转的力矩，但由于此时机器人受到的摩擦力最大，无法旋转；因此在四个转动机构旋转一周的整个周期内，振动机器人呈顺时钟方法旋转运动。期望机器人逆时钟方向旋转运动，设置第一转动机构的偏心质量块的初始相位角γ1＝-90°，第二转动机构的初始相位角γ2＝90°，如图7所示，第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的初始相位为90度，当四个转动机构稳定旋转后，当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到90度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位分别为-90度和90度，第一转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox1方向的力，作用点在O1，第二转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox2方向的力，作用点在O2，此时产生使整个机器人绕质心O点逆时钟方向旋转的力矩，由于机器人受到的摩擦力最小，因而使整个机器人绕质心O点逆时钟方向加速旋转运动；当第三转动机构的偏心质量块和第四转动机构的偏心质量块的相位达到270度时，第一转动机构的偏心质量块和第二转动机构的偏心质量块的相位分别为90度和270度，第一转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox1负方向的力，作用点在O1，第二转动机构的偏心质量块对机器人产生朝Ox2负方向的力，作用点在O2，此时产生使整个机器人绕质心O点顺时钟方向旋转的力矩，但由于此时机器人受到的摩擦力最大，无法旋转；因此在四个转动机构旋转一周的整个周期内，振动机器人呈逆时钟方法旋转运动。

需要说明的是，本发明的机器人中的第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构的数量可以为一个或多个，且第一转动机构与第三转动机构的数量可以相等也可以不相等，本实施例为了便于说明，以第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构的数量均为一个的情况为例进行介绍，当第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构的数量为多个时，与本实施例所举的一个的情况类似，本领域技术人员可以根据本实施例推理出，在此不再详细论述，在实际的生产中，可以根据实际的需要选择第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构的数量。

进一步地，壳体中还设有电池，该电池为整个机器人的动作提供电能，壳体内设有电路板，用于接收和处理控制机构发出的控制指令，并以此来控制各个转动机构的动作，以实现机器人按照期望的方式运动，该机器人的控制机构可以集成在生活中常用的通讯设备中，如手机，电脑等。

进一步地，本实施例中的各个转动机构均采用直流电机，直流电机的体积较小，便于机器人系统的整体布局安排，以较小的体积实现同样的功能，提高了运动效率。

使用时，根据控制机构的指令的方向，调整好竖直平面内的两个偏心质量块和水平面内的两个偏心质量块的初始位置，根据速度需要，调节好各个偏心质量块的初始相位。如果需要改变运动中的振动机器人的方向，只需在线调整相应转动机构转速，使其相应的转动机构上的偏心质量块的相位发生变化，在调节各转动机构的偏心质量块的相位达到运动方向需要相位的同时将转动机构的速度调回到预定的转速。

综上所述，本发明提供的一种振动驱动的运动机器人，包括壳体、第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构、第四转动机构、偏心质量块和控制机构，所述壳体的底壁水平设置，所述第一转动机构、所述第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构设于所述壳体内且安装于所述底壁上，且所述第一转动机构的输出轴和第二转动机构的输出轴竖直设置，所述第三转动机构的输出轴和第四转动机构的输出轴水平设置，各个转动机构的输出轴上均设有所述偏心质量块，所述偏心质量块随各个转动机构的输出轴转动；各个转动机构的转速相同，且第一转动机构与第二转动机构的转向相反，第三转动机构与第四转动机构的转向相反；所述控制机构分别与各个转动机构连接，用于控制各个转动机构的转速和转向。垂直于运动平面(即壳体的底壁)的偏心质量块(对应于安装在第三转动机构的输出轴和第四转动机构输出轴上的偏心质量块)的运动产生离心力，从而使得整个机器人对支撑板的压力成周期性的变化，当偏心质量块转到最高处时，第三转动机构和第四转动机构离心力在水平方向上抵消，在竖直方向上达到最大，机器人对支撑板的压力最小，进而使机器人受到的摩擦力最小，此时使平行于运动平面设置的偏心质量块(对应于安装在第一转动机构的输出轴和第二转动机构上的偏心质量块)产生向期望方向的离心力，由于此时产生的摩擦力最小，故机器人会朝期望的方向运动。该机器人的组件较少，只需要合理的设置各个转动机构的转速和转向，及各个转动机动机构上的偏心质量块的初始位置，即可实现机器人的直线运动和旋转运动，控制机构通过控制各个转动机构的运动状态来实现机器人的运动，集成度较高，利于小型化，且能耗较低。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种振动驱动的运动机器人，其特征在于：包括壳体、第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构、第四转动机构、偏心质量块和控制机构；所述壳体的底壁水平设置，所述第一转动机构、所述第二转动机构、第三转动机构和第四转动机构设于所述壳体内且安装于所述底壁上；所述第一转动机构的输出轴和第二转动机构的输出轴竖直设置，所述第三转动机构的输出轴和第四转动机构的输出轴水平设置，各个转动机构的输出轴上均设有所述偏心质量块，所述偏心质量块随各个转动机构的输出轴转动；各个转动机构的转速相同，且第一转动机构与第二转动机构的转向相反，第三转动机构与第四转动机构的转向相反；所述控制机构分别与各个转动机构连接，用于控制各个转动机构的转速和转向。

2.根据权利要求1所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：所述第三转动机构输出轴和第四转动机构的输出轴相互平行。

3.根据权利要求2所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：所述第三转动机构的偏心质量块和所述第四转动机构的偏心质量块在同一平面内转动。

4.根据权利要求3所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：所述第一转动机构的数量与所述第二转动机构的数量相等，所述第三转动机构的数量与第四转动机构的数量相等。

5.根据权利要求4所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：以壳体的底壁的中心为坐标原点O，壳体的底壁的长度方向为X轴，壳体的底壁的宽度方向为Z轴，竖直方向为Y轴建立三维坐标系，所述第一转动机构和所述第二转动机构关于面XOY一一对称设置，所述第三转动机构的输出轴和第四转动机构的输出轴垂直于面XOY且在面XOY内转动。

6.根据权利要求5所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：所述第三转动机构的偏心质量块的质心的初始位置和第四转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿Y轴的正半轴方向设置。

7.根据权利要求6所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：当第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿X轴方向设置且关于面XOY对称时，所述机器人沿X轴做直线运动。

8.根据权利要求6所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：当第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿Z轴方向设置，且设置方向相同时，所述机器人沿Z轴做直线运动。

9.根据权利要求6所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：设OP为面XOZ内的一条直线，OP与Z轴的夹角为α，0^o≤α＜360^o，所述第一转动机构的偏心质量块的转动中心为O1，所述第二转动机构的偏心质量块的转动中心为O2，当所述第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与O1的连线平行于OP，所述第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与O2的连线平行于OP，且所述第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置在X轴的坐标投影与所述第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置在X轴上的坐标投影符号相同时，机器人沿OP方向做直线运动。

10.根据权利要求6所述的振动驱动的运动机器人，其特征在于：当所述第一转动机构的偏心质量块的质心的初始位置与所述第二转动机构的偏心质量块的质心的初始位置均沿X轴方向设置，且设置方向相反时，所述机器人在水平面内做旋转运动。