CN108482511B - 一种尺蠖式微动步行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尺蠖式微动步行机器人，该机器人由2个箝位单元、1个驱动单元组成，其中驱动单元由2个对称布置的驱动支链和2对直角型柔性铰链组成，驱动支链由2个杠杆结构组成，驱动单元与2个箝位单元之间采用螺栓连接，驱动单元相对于箝位单元能作往复微位移运动；箝位单元由2个对称布置的驱动支链和2对直角型柔性铰链和底板组成，2个箝位单元通过螺栓孔对称连接于驱动单元两端。采用驱动箝位单元一端并固定其底座，驱动结构进行伸长并带动另一箝位单元作直线运动的运动形式仿生尺蠖运动规律。本发明采用三个压电叠堆，利用箝位单元与地面的摩擦效应实现箝位，可将压电叠堆作用位移转化为有效驱动位移。

Description

一种尺蠖式微动步行机器人

技术领域

本发明涉及一种尺蠖式微动步行机器人，属于精密微操作领域，主要应用于精密工程、微机电系统(MEMS)、微电子工程、生物工程、机器人等高尖端科学技术领域。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术、微/纳米技术及机器人等领域的迅速发展，传统的微动机器人受其工作原理和机械结构限制已无法满足超精密和高精度定位的要求，迫切需要微米级、纳米级精度的超精密微动机器人实现其功能。尺蠖式步行机器人是模仿自然界生物尺蠖的运动规律能实现微位移累加以获得大行程的机器人。但是，目前步行机器人还存在运行速度低、承受负载小、运动稳定性差等问题。

可移动的微小型机器人具有高度的灵活性和机动性，不论在有限的空间内移动，还是重新将其排布在特定位置上进行操作，微小型机器人它具备尺寸小，自由度多和工作范围大等特点，它能够完成很多的工作。面向微操作作业的微小型机器人作为一类特殊的机器人，近十年以来的发展是十分迅猛，微小型移动机器人作为具有体积小且运动分辨力高等特点的微操作执行单元，相比传统的微操作设备，有体积小、通用性较高、系统自由度柔性高等特点。

柔顺机构是采用柔性构件的弹性变形传递和转换运动、力或能量的一种新型结构，柔顺机构具有免摩擦、免润滑、整体化制造、运动灵敏度高等优点，柔顺机构的这些优点使得其可用于尺蠖式微动机器人的结构设计。压电陶瓷致动器具有稳定性好、响应快、输出力大和定位精确等特点，适宜于作为尺蠖式机器人驱动机构的致动器，能满足微动机器人所需的输出力、响应速度和精密性的工作要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺蠖式微动步行机器人，所设计的微动步行机器人具有驱动分辨率高、结构紧凑、承受负载大、可双向运动等优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明设计的微动步行机器人由包括驱动单元、2个箝位单元组成，其中驱动单元由2个对称布置的驱动支链和2对直角柔性铰链组成，驱动支链由1个对称布置的杠杆结构组成，驱动单元与2个箝位单元对称连接，微动步行机器人设计原理如图5所示，箝位单元43和箝位单元45分别位于驱动单元44前后两端。

所述结构模仿尺蠖运动规律的工作过程如下：图1(a)表示微动步行机器人处于不工作状态；图1(b)表示足1处于工作状态，抬起整个机器人；图1(c)表示足1和驱动单元2处于工作状态，足2向前迈步；图1(d)表示足3处于工作状态，足1与足2着地；图1(e)表示足1处于不工作状态，足1抬起；图1(f)表示驱动单元2处于不工作状态，该单元收缩带动足1向右迈步。重复该循环，可实现微动机器人连续向右运动，改变足1和足3的驱动顺序，可实现微动步行机器人的反向运动。

所述箝位单元43如图2所示，箝位单元的功能由箝位机构实现，箝位机构由对称布置的2对直圆型柔性铰链、2对直角型柔性铰链、2对杆件组和底座结构16组成。直圆型柔性铰链8和直圆型柔性铰链9组成第一对直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链5和直圆型柔性铰链6组成第二对直圆型柔性铰链，第一对和第二对直圆型柔性铰链串联连接，直圆型柔性铰链11和直圆型柔性铰链12组成第三对直圆型柔性铰链，驱动支链17向直角型柔性铰链7、14传递力实现着地功能；直圆型柔性铰链13和直圆型柔性铰链15组成第四对直圆型柔性铰链，第三对和第四对直圆型柔性铰链串联连接，驱动支链18利用柔顺机构传递位移实现抬脚功能。将压电驱动器10的输入力和位移传递至杆件组，以使箝位结构能产生抬脚动作所需的位移和力。一对和二对直圆型柔性铰链、一对杆件组和一对直角型柔性铰链，形成杠杆放大机构，能放大箝位单元压电驱动器10的输入位移。为了便于安装固定，箝位单元顶部设计五个螺栓孔4。

所述驱动单元44如图3所示，驱动单元的功能可由驱动机构实现，驱动机构由对称布置的2对直圆型柔性铰链、2对直角型柔性铰链、2对杆件组组成。第一直圆型柔性铰链23和第二直圆型柔性铰链24组成第一对直圆型柔性铰链，第三直圆型柔性铰链20和第四直圆型柔性铰链21组成第二对直圆型柔性铰链，第一对和第二对直圆型柔性铰链串联连接，驱动支链26、27向直角型柔性铰链22传递力和位移驱动箝位单元实现迈步功能，将压电驱动器25的输入力和位移传递至杆件组。第一对和第二对直圆型柔性铰链、第一对杆件组和第一对直角型柔性铰链形成杠杆放大机构，能放大驱动机构压电驱动器25的输入位移。为了便于安装，箝位单元前后设计五个螺栓孔19。驱动支链26、27通过杠杆结构对支链输入端的输入位移进行了1级放大，提高了驱动单元的运动行程。

所述箝位单元45如图4所示，箝位单元的功能由箝位机构实现，箝位机构由对称布置的2对直圆型柔性铰链、2对直角型柔性铰链、2对杆件组和底座结构40组成。直圆型柔性铰链32和直圆型柔性铰链33组成第一对直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链29和直圆型柔性铰链30组成第二对直圆型柔性铰链，第一对和第二对直圆型柔性铰链串联连接，直圆型柔性铰链35和直圆型柔性铰链36组成第三对直圆型柔性铰链，驱动支链41向直角型柔性铰链31、38传递力实现着地功能；直圆型柔性铰链37和直圆型柔性铰链39组成第四对直圆型柔性铰链，第三对和第四对直圆型柔性铰链串联连接，驱动支链42利用柔顺机构传递位移实现抬脚功能。将压电驱动器34的输入力和位移传递至杆件组，以使箝位结构能产生抬脚动作所需的位移和力。一对和二对直圆型柔性铰链、一对杆件组和一对直角型柔性铰链，形成杠杆放大机构，能放大箝位机构压电驱动器34的输入位移。为了便于安装固定，箝位单元顶部设计五个螺栓孔28。

所述微动步行机器人如图5所示，设计五个螺纹，用于联接驱动单元与2个箝位单元，箝位单元底部由长方形板交错组成。微动机器人的结构特点是驱动单元驱动箝位单元进行往复直线运动，箝位单元带动整体作直线运动。

为了综合微动步行机器人的稳定性能，本发明增加微动步行机器人底部黏性以及底部质量，使底部与地面产生较大的摩擦力，提高了微动步行机器人底部的平衡性能。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明设计的微动步行机器人，是以柔顺机构的弹性变形进行步行运动为基础，具有一定范围的张合量便于压电陶瓷驱动，同时具有运动精度高和运动分辨率高，响应速度快；

(2)本发明设计的微动步行机器人，运行精度高，整体稳定性能好；

(3)本发明的微动步行机器人，驱动单元的驱动支链采用直角柔性结构实现精密直线运动的导向作用和弹性回复作用，具有运动分辨率高的特点；

(4)本发明的微动步行机器人，箝位单元对称布置于驱动单元，具有通过改变2个箝位单元的箝位顺序实现机器人双向运动的特点；

(5)本发明的微动步行机器人，驱动单元和箝位单元的驱动支链采用一级杠杆结构实现精密直线运动的导向作用和弹性回复作用，具有单步输出位移大、精度高和运动分辨率高的特点。

附图说明

图1是微动步行机器人运动原理图；

图2是微动步行机器人箝位单元43结构示意图；

图3是微动步行机器人驱动单元44结构示意图；

图4是微动步行机器人箝位单元45结构示意图；

图5是微动步行机器人的结构设计原理示意图；

图1中，1、2、3分别表示微动步行机器人的足1，驱动单元2，足3；

图2中，10、箝位机构驱动端，5、直圆型柔性铰链，6、直圆型柔性铰链，7、直角型柔性铰链，8、直圆型柔性铰链，9、直圆型柔性铰链，4、五个螺栓孔，11、直圆型柔性铰链，12、直圆型柔性铰链，13、直圆型柔性铰链，15、直圆型柔性铰链，14、直角型柔性铰链，16、底座结构，17、驱动支链，18、驱动支链；

图3中，25、驱动机构驱动端，20、直圆型柔性铰链，21、直圆型柔性铰链，23、直圆型柔性铰链，24、直圆型柔性铰链，22、直角型柔性铰链，19、五个螺栓孔，26、驱动支链，27、驱动支链；

图4中，34、箝位机构驱动端，29、直圆型柔性铰链，30、直圆型柔性铰链，31、直角型柔性铰链，32、直圆型柔性铰链，33、直圆型柔性铰链，28、五个螺栓孔，35、直圆型柔性铰链，36、直圆型柔性铰链，37、直圆型柔性铰链，39、直圆型柔性铰链，38、直角型柔性铰链，40、底座结构，41、驱动支链，42、驱动支链；

图5中，43、箝位单元，44、驱动单元，45、箝位单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图5所示，本发明所述的一种尺蠖式微动步行机器人，包括：10、箝位机构驱动端，5、直圆型柔性铰链，6、直圆型柔性铰链，7、直角型柔性铰链，8、直圆型柔性铰链，9、直圆型柔性铰链，4、五个螺栓孔，11、直圆型柔性铰链，12、直圆型柔性铰链，13、直圆型柔性铰链，15、直圆型柔性铰链，14、直角型柔性铰链，16、底座结构，17、驱动支链，18、驱动支链；25、驱动机构驱动端，26、驱动支链，27、驱动支链，20、直圆型柔性铰链，21、直圆型柔性铰链，23、直圆型柔性铰链，24、直圆型柔性铰链，22、直角型柔性铰链，19、五个螺栓孔；34、箝位机构驱动端，29、直圆型柔性铰链，30、直圆型柔性铰链，31、直角型柔性铰链，32、直圆型柔性铰链，33、直圆型柔性铰链，28、五个螺栓孔，35、直圆型柔性铰链，36、直圆型柔性铰链，37、直圆型柔性铰链，39、直圆型柔性铰链，38、直角型柔性铰链，40、底座结构，41、驱动支链，42、驱动支链。

根据如图5所示的微动步行机器人设计原理图，设计的关键在于驱动单元能驱动箝位单元实现往复直线运动，箝位单元能产生摩擦力作为抓地结构，驱动结构带动另一箝位单元作伸展运动。箝位结构43底座与箝位结构45底座底面表面可涂摩擦材料，增大了箝位结构与工作台之间的静摩擦力，使箝位更加可靠。为了便于驱动结构与2个箝位结构装配，箝位单元顶部设计的五个螺栓孔与驱动单元的五个螺栓孔同轴度要好。

如图5所示，所述微驱动器的整体结构。箝位单元43及箝位单元45分别位于驱动单元44的两端。微动步行机器人仿尺蠖运动规律时各机构工作状态如下：①箝位单元43工作沿着Z轴方向向上运动；②同时驱动驱动单元44，可驱动箝位单元45沿x负方向运动，则箝位单元45沿x负方向前进一步；③箝位单元45运动抓地；④箝位单元43离开地面；⑤同时释放驱动结构44，驱动支链的各柔性铰链弹性回复，带动箝位单元43沿x负方向运动，箝位单元43沿X负方向再前进一步；⑥箝位单元45停止驱动，微动步行机器人回到初始状态，完成一个运动循环。重复该循环，可实现整体连续沿x负方向运动。通过控制箝位单元43、箝位单元45和驱动单元44的驱动顺序，可使整体实现直线X正方向运动。

如图2所示，4个对称布置的驱动支链是依靠柔性铰链的弹性变形实现往复运动，驱动支链采用直角型柔性铰链互相连接，驱动支链相对于中心位置往复微位移运动。为了形成第一杠杆结构，第一对和第二对直圆型柔性铰链、第一对杆件组和第一对直角型柔性铰链形成杠杆放大单元，能放大箝位机构驱动端1.1的输入力和位移。

如图3所示，为了方便驱动结构44与其他负载连接，在其两端各设计5个螺纹孔。

根据如图5所示的微动步行机器人设计原理图，设计的关键在于实现底座与地面接触的稳定。如图2所示，采用直角形柔性铰链实现，并采用结构紧凑的对称式结构，以提高其运动精度和运动分辨率。

所设计的微动步行机器人采用电火花线切割加工技术进行加工，微动步行机器人的材料决定了微动步行机器人的运动性能，其材料要求柔而强。柔度的好坏决定了微动步行机器人运动灵敏度和运动行程；由于微动步行机器人要求高频驱动，为了防止其在工作过程中失效，必须要保证材料的强度极限符合要求。选择柔而强的材料，使得其能满足微动步行机器人的性能要求，可选择弹簧钢、铍青铜等作为微动步行机器人制作材料。

通过以上实施方式可较好地实现精度高、运动分辨率高和的运动速度快的微动步行机器人。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种尺蠖式微动步行机器人，其特征在于，包括1个驱动单元（44）、2个箝位单元（43、45）组成，其中驱动单元（44）由2个对称布置的驱动支链（26、27）和数量为2对的直角型柔性铰链（22）组成，驱动支链（26、27）由1个杠杆式柔性结构组成，驱动单元（44）相对于箝位单元（43、45）能作往复微位移运动；箝位单元（43、45）由2个对称布置的驱动支链和数量为2对的直角型柔性铰链和底板组成，2个箝位单元（43、45）对称连接于驱动单元（44）两端；微动机器人采用驱动箝位单元一端并固定其底座，驱动结构进行伸长并带动另一箝位单元作直线运动的运动形式仿生尺蠖运动规律；

2个箝位单元分别为第一箝位单元（43）和第二箝位单元（45），其结构相同：

第一箝位单元（43）的功能由箝位机构实现，箝位机构由对称布置的数量为8对的直圆型柔性铰链、数量为2对的直角型柔性铰链、数量为2对的杆件组和底座结构（16）组成；第一直圆型柔性铰链（8）和第二直圆型柔性铰链（9）组成第一对直圆型柔性铰链组，第三直圆型柔性铰链（5）和第四直圆型柔性铰链（6）组成第二对直圆型柔性铰链组，第一对直圆型柔性铰链组和第二对直圆型柔性铰链组串联连接，第五直圆型柔性铰链（11）和第六直圆型柔性铰链（12）组成第三对直圆型柔性铰链组，驱动支链（17）向第一直角型柔性铰链（7、14）传递力实现着地功能；第七直圆型柔性铰链（13）和第八直圆型柔性铰链（15）组成第四对直圆型柔性铰链组，第三对直圆型柔性铰链组和第四对直圆型柔性铰链组串联连接，驱动支链（18）利用柔顺机构传递位移实现抬脚功能；将压电驱动器（10）的输入力和位移传递至杆件组，以使箝位结构能产生抬脚动作所需的位移和力；第一对直圆型柔性铰链组和第二对直圆型柔性铰链组、一对杆件组和一对直角型柔性铰链，形成杠杆放大机构，能放大箝位单元压电驱动器（10）的输入位移；为了便于安装固定，箝位单元顶部设计五个螺栓孔（4）；

第二箝位单元（45）的功能由箝位机构实现，箝位机构由对称布置的数量为8对的直圆型柔性铰链、数量为2对的直角型柔性铰链、数量为2对的杆件组和底座结构（40）组成；第九直圆型柔性铰链（32）和第十直圆型柔性铰链（33）组成第五对直圆型柔性铰链组，第十一直圆型柔性铰链（29）和第十二直圆型柔性铰链（30）组成第六对直圆型柔性铰链组，第五对直圆型柔性铰链组和第六对直圆型柔性铰链组串联连接，第十三直圆型柔性铰链（35）和第十四直圆型柔性铰链（36）组成第七对直圆型柔性铰链组，驱动支链（41）向第二直角型柔性铰链（31、38）传递力实现着地功能；第十五直圆型柔性铰链（37）和第十六直圆型柔性铰链（39）组成第八对直圆型柔性铰链组，第七对直圆型柔性铰链组和第八对直圆型柔性铰链组串联连接，驱动支链（42）利用柔顺机构传递位移实现抬脚功能；将压电驱动器（34）的输入力和位移传递至杆件组，以使箝位结构能产生抬脚动作所需的位移和力；第五对直圆型柔性铰链组和第六对直圆型柔性铰链组、一对杆件组和一对直角型柔性铰链，形成杠杆放大机构，能放大箝位机构压电驱动器（34）的输入位移；为了便于安装固定，箝位单元顶部设计五个螺栓孔（28）；

驱动单元（44）的功能可由驱动机构实现，驱动机构由对称布置的数量为8对的直圆型柔性铰链、数量为2对的直角型柔性铰链、数量为2对的杆件组组成；第十七直圆型柔性铰链（23）和第十八直圆型柔性铰链（24）组成第九对直圆型柔性铰链组，第十九直圆型柔性铰链（20）和第二十直圆型柔性铰链（21）组成第十对直圆型柔性铰链组，第九对直圆型柔性铰链组和第十对直圆型柔性铰链组串联连接，驱动支链（26、27）向第三直角型柔性铰链（22）传递力和位移驱动箝位单元实现迈步功能，将压电驱动器（25）的输入力和位移传递至杆件组；第九对直圆型柔性铰链组和第十对直圆型柔性铰链组、一对杆件组和一对直角型柔性铰链形成杠杆放大机构，能放大驱动机构压电驱动器（25）的输入位移；为了便于安装，箝位单元前后设计五个螺栓孔（19）；驱动支链（26、27）通过杠杆结构对支链输入端的输入位移进行了1级放大，提高了驱动单元的运动行程；

各设置五个螺栓，用于联接驱动单元与2个箝位单元；

微动步行机器人仿尺蠖运动规律时的工作状态如下：

①第一箝位单元工作沿着Z轴方向向上运动；②同时驱动驱动单元，可驱动第二箝位单元沿X负方向运动，则第二箝位单元沿X负方向前进一步；③第二箝位单元运动抓地；④第一箝位单元离开地面；⑤同时释放驱动单元（44），驱动支链的各柔性铰链弹性回复，带动第一箝位单元沿X负方向运动，第一箝位单元沿X负方向再前进一步；⑥第二箝位单元停止驱动，微动步行机器人回到初始状态，完成一个运动循环；重复该循环，可实现整体连续沿X负方向运动；通过控制第一箝位单元、第二箝位单元和驱动单元（44）的驱动顺序，可使整体实现直线X正方向运动。

2.根据权利要求1所述的一种尺蠖式微动步行机器人，其特征在于，驱动单元的驱动支链利用柔顺机构驱动箝位结构实现迈步动作，当驱动单元在驱动作用下，微动机器人可实现沿X正反方向的运动；箝位单元的驱动支链利用柔顺机构传递位移实现抬脚和着地动作，当箝位单元在驱动作用下，机器人整体可实现沿Z轴正反方向的运动，应用2个箝位结构与驱动结构可实现微动机器人沿着X正反方向的回复运动。

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