CN115042893A - 基于mems加工实现的微型爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人。所述微型爬行机器人包括腿部结构和微型直线电机，整体尺寸在毫米级，所述腿部结构包括前腿、后腿，所述前腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造。本发明大幅度缩小直线电机驱动微型机器人的整体尺寸，同时降低装配难度，避免导线对微型机器人运动的影响，摆脱供电导线对微型机器人的束缚，同时实现毫米、微米级微型机器人的转弯爬行。

Description

基于MEMS加工实现的微型爬行机器人

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MEMS加工实现的微型爬行机器人。

背景技术

微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支，由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间，近年来备受关注。微纳米技术的迅速发展促进了微型机器人技术的发展。

微型机器人的发展方向之一是缩小其外型尺寸，如果尺寸足够小则在各领域的作用都大幅增加，如军工产业中越小隐蔽性越强，能源开采行业中，越小适用的范围便越大，在消防领域机器人越小，可以穿过的缝隙越大，如门缝、窗户，进而准确找到伤员以及着火点等等。而尺寸大意味着应用场景会大幅度减小。

现有技术CN 109484508A公开了一种仿生式两足微型爬行机器人，机器人的前移动机构由前活塞缸和前活塞杆组成，其前活塞缸通过铰链与前腿连接，前活塞杆通过铰链与壳体连接，所述的后腿设置在壳体后端。然而，这种基于活塞的爬行机器人结构十分复杂，无法实现机器人的微小化，也增加了控制难度和故障概率。现有技术CN111230838A公开了一种基于形状记忆合金的蠕动机器人，基于不同材料热膨胀系数不匹配结构自动变形的原理，利用形状记忆合金材料，通过对二维平面轮廓设计而成，现有技术CN113232736A公开了一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，基于形状记忆合金薄膜，在射频磁场中能够自主进行驱动。但是这两种机器人的爬行能力受到外界环境影响较大，且其驱动载荷能力较低。

现有技术中，基于直线电机的爬行机器人尺寸大多在几十毫米，如韩国韩巴大学研发出类似电动机的电磁致动器，参考无刷直流电机设计，利用交流电输入下永磁体和电磁体间的相对振荡实现驱动(参见附图11所示)。电磁致动器驱动微型机器人的尺寸为20mm×11mm×9mm，重3g，其中，电磁致动器的尺寸为10mm×11mm×9mm。现有的直线电机的传动结构，大多十分复杂，无法控制住整体机器人的尺寸，机器人结构的加工现阶段大多采用线切割等机加工手段进行，对于3D打印而言，精度仅可以达到0.01mm-0.1mm，而机器加工目前可以达到的最小尺寸也仅有10um，且精度十分有限，而随着电机的进一步缩小至微米级甚至纳米级，则机器加工手段与3D打印完全无法实现加工。

结构复杂的传动机构在微小尺度下的装配极其困难，而且现如今绝大多数微型爬行机器人均需要连接导线方可进行运动，由于微型爬行机器人的尺寸质量很小，导线对其运动影响极大，当微型爬行机器人出现无法运动的情况，极大可能是由于导线的阻力过大，而微型爬行机器人运动时，无法明确运动是由电机驱动还是导线带动。并且，在微尺度下，运动十分困难，目前几乎无法实现微型爬行机器人的转弯运动。

如何克服上述现有技术方案的不足，大幅度缩小直线电机驱动微型机器人的整体尺寸，同时降低装配难度，避免导线对微型机器人运动的影响，摆脱供电导线对微型机器人的束缚，同时实现毫米、微米级微型机器人的转弯爬行，成为本技术领域亟待解决的课题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人结构，具体采用如下技术方案：

一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，所述微型爬行机器人包括腿部结构和微型直线电机；

所述腿部结构包括前腿、后腿；

所述微型直线电机包括电机动子和电机静子，所述电机动子与所述前腿固定连接，所述电机静子与所述后腿固定连接；

所述电机动子包括三维线圈；

所述前腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造；

所述后腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造，或者，所述后腿通过3d打印的方式进行加工制造。

进一步，每一个所述前腿和所述后腿均呈“V”字形外形轮廓，所述电机动子与所述前腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述电机静子与所述后腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述前腿和所述后腿的另一臂的末端与地面接触，用于爬行。

进一步，所述微型爬行机器人包括左右并列设置的两个所述前腿，和左右并列设置的两个所述后腿。

进一步，所述微型爬行机器人在导轨上爬行运动，所述导轨包括左侧和右侧两部分，所述左侧导轨和右侧导轨使用导电材料加工制造。

进一步，所述左侧导轨和右侧导轨的横截面为彼此对称的L形，共同形成横截面为U形的导轨；

所述左侧导轨和右侧导轨之间采用使用非导体结构连接；

所述左侧导轨和右侧导轨分别连接交流电源的两输出电极，电流依次通过一侧金属导轨、一侧前腿、电机动子三维线圈，再通过另一侧前腿、另一侧金属导轨，传回交流电源。

进一步，所述导轨的宽度以及导轨中间非导体结构的宽度，均与所述微型爬行机器人的两个所述后腿间距相适配，从而将两侧的所述后腿分别与所述左侧导轨和所述右侧导轨的内部重合。

进一步，包括左右并排放置的两组直线电机，所述两组直线电机的电机动子分别与左右两侧的所述前腿固定连接，通过控制两组直线电机的电流有无和/或两组直线电机的供电频率和/或电流和/或电压的大小来控制所述微型爬行机器人的转弯运动。

进一步，所述两组直线电机的电机静子前后分别设置柔性可旋转连接机构，用于在前进方向将多个微型爬行机器人单体进行连接，形成微型爬行机器人组；

所述微型爬行机器人组的运动形式为仿鳞翅目幼虫的相位式爬行运动，依靠左右两列足的运动速度差以实现转向。

进一步，所述采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造，具体包括：针对腿的结构和外型，进行掩膜板的绘制；得到掩膜板后，选择1000um厚的低阻硅进行光刻胶的薄胶的匀涂；涂胶后使用热烘箱固定光刻胶，固定完成进行曝光显影，将前腿腿部结构传递到硅片上，采用显影液定点去除光刻胶；去除完成后，采用电感耦合等离子体刻蚀机，将硅片没有光刻胶保护的地方即非腿部结构刻通。

进一步，所述倾角α的角度为40度至60度。

本发明的基于MEMS微直线电机的运功结构，可以应用于毫米级甚至微米级直线电机，放大直线电机的往复运动，使微型爬虫机器人实现运动。本发明使用微机电系统MEMS手段，使用多层键合对微型机器人的腿部结构进行加工，极大提升了加工精度，减少冗杂设计，缩小机器人整体尺寸使得整体结构远小于现有结构，同时降低装配了难度。随着电机的更新，有进一步缩小至微米级的潜力。本发明使用低阻硅，将导线连接在腿部结构上，腿部再与线圈相连，使得导线连接更加方便。本发明的微型机器人腿部结构只需将前后腿部结构与电机固定，无过多复杂的装配困难，通过金属导轨通过腿部导电带动电机进行运动，实现无线化运动，摆脱导线的束缚影响。本发明采用两组电机作为动力源，通过控制两电机的频率、电压或者电流进而控制两腿的运动速度，进而实现毫米级甚至微米级微型爬行机器人的可转弯爬行运动。

附图说明

图1为本发明的微型爬行机器人整体外部结构示意图。

图2为本发明的微型爬行机器人整体内部结构示意图。

图3为本发明的微型爬行机器人第一运动过程示意图。

图4为本发明的微型爬行机器人第二运动过程示意图。

图5为本发明的微型爬行机器人第三运动过程示意图。

图6为本发明的微型爬行机器人第四运动过程示意图。

图7为本发明的导轨结构示意图。

图8为本发明的导轨结构俯视图。

图9为本发明可转弯爬行的微型爬行机器人俯视图。

图10为本发明可转弯爬行的微型爬行机器人整体结构示意图。

图11为本发明现有技术的微型机器人示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。

除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的具体实施例涉及一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人。

参见附图1、2，本发明基于MEMS加工实现的微型爬行机器人包括腿部结构和微型直线电机。

所述腿部结构包括前腿、后腿。

所述微型直线电机包括电机动子和电机静子，所述电机动子与所述前腿固定连接，所述电机静子与所述后腿固定连接。

每一个所述前腿和所述后腿均呈“V”字形外形轮廓，所述电机动子与所述前腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述电机静子与所述后腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述前腿和所述后腿的另一臂的末端与地面接触，用于爬行。

所述前腿、后腿两个部分在加工时分别加工，最后与直线电机组装在一起。装配时，将所述前腿与所述电机动子固定在一起，所述后腿与所述电机静固定在一起。

本发明的微型爬行机器人，通过所述直线电机带动所述腿部结构运动，进而实现向前运动的目标。具体而言，当直线电机运行时，电机动子沿与地面成α角方向进行前后震动，震动带动所述前腿前后运动，实现微型爬行机器人的爬行运动。

所述微型爬行机器人包括左右并列设置的两个所述前腿，和左右并列设置的两个所述后腿。

由于所述前腿与包括线圈的所述电机动子固定连接，因此直线电机的导线对微型爬行机器人的影响很大，因此，本发明采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式对所述前腿结构进行加工。

具体加工方法包括：

1、针对前腿的结构和外型，进行掩膜板的绘制。

2、得到掩膜板后，选择1000um厚的低阻硅进行光刻胶的薄胶的匀涂。所述光刻胶可以使用S1813光刻胶。

3、涂胶后使用热烘箱固定光刻胶，固定完成进行曝光显影，将前腿腿部结构传递到硅片上，采用显影液定点去除光刻胶。

4、去除完成后，采用电感耦合等离子体刻蚀机，将硅片没有光刻胶保护的地方即非腿部结构刻通，进而得到易于导线连接的腿部结构。

所述后腿同样采用上述方法加工。另外，由于后腿无需考虑导电性问题，因此也可以选择3d打印的方式进行加工，与机加工相比可以减轻重量，相比MEMS加工工艺可以降低加工成本。

本发明的微型爬行机器人具体的爬行运动方法如下。

微型爬行机器人初始状态如附图3所示。

如附图4所示，由于直线电机中的线圈是往复运动，所以当直线电机的线圈向前运动时，由于直线电机与地面有一个倾角α，所以将带动前腿向前斜向上方向运。

如附图5所示，前腿依靠自身重力落地后，由于前腿在水平方向上具有向前的速度分量，在竖直方向上具有向下的速度分量，且前腿与地面接触处有一个圆弧结构，所以由于自身惯性，前腿将有一个向前翻滚的趋势。

此时直线电机中的线圈向后缩，水平方向分力向右，而前腿与地面接触处产生的摩擦力水平向左，当摩擦力≥直线电机的水平推力分量时，前腿不会后退，不会形成往复运动。

直线电机中的线圈向后缩，由于线圈不动，铁芯相对线圈做向前运动，即带动后腿向前斜向上方向运动，利用自身重力落下，恢复为初始状态，如附图6所示。

所述直线电机的倾角α对于该微型爬行机器人的运动影响很大。倾角α越大，直线电机推力的水平分量越小，产生摩擦力的支持力越大，从而产生的摩擦力越大，有利于前腿落地后的稳定，但同时，由于倾角α过大前腿落地时的速度较大，增加了不稳定性；而倾角α过小可能会引起前腿落地后停不住，造成往复运动，不利于机器人的运动。所述倾角α具体取值范围为40度至60度，其中，所述倾角α的最优取值为50度，此时，所述微型爬行机器人的前进效率最高。

此外，供电电流和供电频率也对微型爬行机器人运动有较大影响。供电电流会影响直线电机产生的电磁力，0.05-1A的电流驱动下，产生的电磁力呈线性增大，爬行机器人的速度也随之增大，但是由于电流发热会对爬行机器人产生影响，所以本发明采用0.6A的电流。而供电频率越高，直线电机往复运动越快，使微型爬行机器人完成一个周期的时间越短，使其爬行速度更快。供电频率也需与后腿重量相配合，使直线电机的力能够带动后腿，不至于使后腿的运动滞后，使二者能够相互协调。本发明的供电频率为20Hz，可以使微型爬行机器人的前腿充分与地面产生摩擦力。

为了避免导线对微型机器人运动的影响，摆脱供电导线对微型机器人的束缚，本发明使用金属导轨实现完全无线化，通过对导轨通交流电实现电机的运动。

如附图7、8所示，本发明导轨包括左侧和右侧两部分，所述左侧导轨和右侧导轨使用导电材料加工制造，优选使用金属材料。所述左侧导轨和右侧导轨的横截面为彼此对称的L形，共同形成横截面为U形的导轨。所述左侧导轨和右侧导轨之间采用使用非导体结构连接。由于本电机需要交流电源驱动，所述左侧导轨和右侧导轨分别连接交流电源的两输出电极，电流依次通过一侧金属导轨、一条硅片前腿、直线电机动子三维线圈，再通过另一条硅片前腿、另一侧金属导轨，传回交流电源，进而实现无线化运动。所述导轨的宽度以及导轨中间非导体结构的宽度，均以微型爬行机器人的两个后腿间距为设计依据，实现将两侧后腿分别与左侧导轨和右侧导轨内部重合，以保证运动。

本发明的微型爬行机器人，将两组直线电机并排放置，参见附图9、10所示，通过控制两组直线电机的电流有无或者两组直线电机的频率电流电压大小来控制微型机器人的转弯运动。

在所述两组直线电机的电机静子前后分别设置柔性可旋转连接机构，可以在前进方向上实现多个可转弯微型爬行机器人单体的连接，形成微型爬行机器人组。运动形式由单体的爬行运动转变为仿鳞翅目幼虫的相位式爬行运动，依靠左右两列足的运动速度差以实现转向。相较于单体爬行运动，连接后的微型爬行机器人组有着更强的稳定性和更大的负载能力，运动阻力显著减小，柔性连接部分保证了机器人单体之间的旋转，允许整体灵活转向。同时，采用相位式前进时，微型爬行机器人与地面的多个接触点保证了其单独运动产生打滑的可能性大大降低，极大的提升了微型爬行机器人的可控性，突破性地让微型机器人的爬移动距离可以根据电流强度和频率标定成为可能。

设置了所述柔性可旋转连接机构以后，单个单体的两个电机静子被固定，而两侧电机动子则可以通过两侧使用不同频率的电流来使之产生不同的行程。由于单体被柔性连接结构限制，在对每一个单体施加合适频率的电流时，每节单体之间会产生一定的角度，从而使整个爬行机器人组“弯曲”，从而实现前进方向的改变。

本发明的有益技术效果是：1、结构设计简单、可靠，只有前腿和后腿两部分结构，仅需要将腿部与电机连接即可，装配十分简易。2、MEMS加工腿部精度高，量产之后成本低，产量大，且有进一步缩小的空间，可以达到微米级。3、前腿结构可以采用低阻硅加工而成，具有良好的导电性，便于导线连接，减少导线连接微小部位的困难。4、金属导轨实现完全无线化，通过对导轨通交流电实现电机的运动。5、运动稳定，可以实现直线、转弯运动。在日后多组单体机器人结合，实现相位差运动，可以增多机器人的运动形式。6.多电机独立控制的，从而可以实现多自由度的运动。

如上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述微型爬行机器人包括腿部结构和微型直线电机；

所述腿部结构包括前腿、后腿；

所述微型直线电机包括电机动子和电机静子，所述电机动子与所述前腿固定连接，所述电机静子与所述后腿固定连接；

所述电机动子包括三维线圈；

所述前腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造；

所述后腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造，或者，所述后腿通过3d打印的方式进行加工制造。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，每一个所述前腿和所述后腿均呈“V”字形外形轮廓，所述电机动子与所述前腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述电机静子与所述后腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述前腿和所述后腿的另一臂的末端与地面接触，用于爬行。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述微型爬行机器人包括左右并列设置的两个所述前腿，和左右并列设置的两个所述后腿。

4.根据权利要求3所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述微型爬行机器人在导轨上爬行运动，所述导轨包括左侧和右侧两部分，所述左侧导轨和右侧导轨使用导电材料加工制造。

5.根据权利要求4所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述左侧导轨和右侧导轨的横截面为彼此对称的L形，共同形成横截面为U形的导轨；

所述左侧导轨和右侧导轨之间采用使用非导体结构连接；

所述左侧导轨和右侧导轨分别连接交流电源的两输出电极，电流依次通过一侧金属导轨、一侧前腿、电机动子三维线圈，再通过另一侧前腿、另一侧金属导轨，传回交流电源。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述导轨的宽度以及导轨中间非导体结构的宽度，均与所述微型爬行机器人的两个所述后腿间距相适配，从而将两侧的所述后腿分别与所述左侧导轨和所述右侧导轨的内部重合。

7.根据权利要求3所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，包括左右并排放置的两组直线电机，所述两组直线电机的电机动子分别与左右两侧的所述前腿固定连接，通过控制两组直线电机的电流有无和/或两组直线电机的供电频率和/或电流和/或电压的大小来控制所述微型爬行机器人的转弯运动。

8.根据权利要求7所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述两组直线电机的电机静子前后分别设置柔性可旋转连接机构，用于在前进方向将多个微型爬行机器人单体进行连接，形成微型爬行机器人组；

所述微型爬行机器人组的运动形式为仿鳞翅目幼虫的相位式爬行运动，依靠左右两列足的运动速度差以实现转向。

9.根据权利要求1所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造，具体包括：针对腿的结构和外型，进行掩膜板的绘制；得到掩膜板后，选择1000um厚的低阻硅进行光刻胶的薄胶的匀涂；涂胶后使用热烘箱固定光刻胶，固定完成进行曝光显影，将前腿腿部结构传递到硅片上，采用显影液定点去除光刻胶；去除完成后，采用电感耦合等离子体刻蚀机，将硅片没有光刻胶保护的地方即非腿部结构刻通。

10.根据权利要求1所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述倾角α的角度为40度至60度。

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