CN1586828A - 一种微小型机器人的平面运动机构及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种微小型机器人的平面运动机构及其装置属于微小型机器人技术及精密机械运动控制技术领域。其特征是，含有四个连杆、四个连接块、箝位腿和压电/电致伸缩驱动器；四个连杆和四个连接块通过柔性铰链构成柔性菱形结构，四个连接块位于柔性菱形结构四个角上；压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构两个相对连接块之间；箝位腿有四个，分别与四个连接块固联。本发明利用柔性菱形结构的几何特点，使用单个压电陶瓷驱动器就能实现微小型机器人的平面全方位运动。对压电陶瓷/电致伸缩驱动器、箝位腿进行时序控制设计，可实现微小型机器人沿X方向、Y方向移动及转动的平面三自由度运动。本发明可用于各种微操作系统中的微移动机器人。
Description
技术领域：
一种微小型机器人的平面运动机构及其装置属于微小型机器人技术及精密机械运动控制技术领域，尤其涉及一种微小型移动机器人。
背景技术：
在微小型机器人技术及精密机械运动控制技术领域，当运动分辨率达到微米级甚至纳米级时，压电陶瓷/电致伸缩驱动器显示出较大的优势。压电陶瓷/电致伸缩驱动器由于其位移分辨率高、刚度大、响应快、效率高等优点，已广泛用于微动机器人、微进给定位机构或系统。
采用压电陶瓷/电致伸缩驱动器的微动机器人，不但可以实现一维直线运动，而且可以通过机构的创新设计，实现二维平面运动。在压电陶瓷/电致伸缩驱动器用于微进给定位或超精密机构或系统中，通常采用柔性铰链机构，达到小型化、减少传动环节的目的。
目前的基于压电陶瓷/电致伸缩元件驱动的微动机器人采用的移动原理主要有三种：滑移-粘滞(slip-stick)原理、惯性冲击原理和蠕动原理。下面分别作以说明。
滑移-粘滞原理主要利用物体的惯性以及物体与接触面之间的摩擦力。移动装置位于平台或滑杆上，由于其主体的惯性作用，当压电陶瓷驱动器缓慢伸长然后快速收缩时，压电陶瓷驱动器带动移动装置相对于平台或滑杆产生一微小移动。反复重复上述过程，可实现移动装置较大范围内的运动。美国MIT的Martel等人利用该原理研制了腿足式微型机器人(S.Martel and L.C.Olague，General description of the wireless miniature nanowalkerrobot designed for atomic-scale operations，Proceed ings of SPIE，2001，Vol.4568，pp.231-240用于原子尺度微操作的无线微型纳米步行机器人的一般描述。SPIE论文集，2001，Vol.4568，pp.231-240)，该机器人有三条由压电陶瓷管加工而成的支撑腿，每条腿都可以发生弯曲变形以及伸缩变形，利用滑移-粘滞原理实现微位移。采用滑移-粘滞原理的微动机器人不足之处主要表现在：精度不高，可靠性和可控性都比较差，负载能力低。
采用惯性冲击原理驱动的微位移机器人，其代表性的主体结构是一个压电陶瓷驱动器两端分别与两个质量块(配重)固联的结构。利用压电陶瓷驱动器的快速伸长和缓慢收缩或相反的过程，实现机器人的微移动，例如日本DENSO公司研制了压电元件驱动的管内探伤微机器人用于细小工业管道的自动化检测工作(K. Shinichiro，I. Toskiki，O. Nobuyuki.Multi-layered Piezoelectric Bimorph Actuator. IEEE International Symposium onMicromachine and Human Science.1997，73-77多层双压电晶片作动器。IEEE微机械和人文科学国际会议论文集，1997，73-77)，该微机器人主要由一个压电叠层驱动器、配重和两个支撑杆组成，两支撑杆分别支撑在管壁内两侧。合理配置本体和配重的质量，采用一定频率、一定幅值的锯齿波电压作用于压电元件，就可实现微机器人在管道内的前后直线移动。
清华大学白绍平、汪劲松等人采用蠕动原理设计了一种管道机器人(白绍平，汪劲松等。小型蠕动机器人原理与实现。机器人，1994，Vol.16(3)，140-143.)。该机器人由两个箝位压电陶瓷元件、一个压电陶瓷驱动器和一个柔性框架组成，通过二个压电陶瓷驱动器控制柔性框架与管道的箝位和松开，一个压电陶瓷驱动器控制柔性框架的伸长或缩短，实现机器人在管道内的连续、大范围运动。该类机器人的优点在于负载能力比较强，行程大，可控性好；但其运动仅为一个方向的直线进退移动。
由上述分析，可以看出目前的平面微动机器人实现一维运动至少采用一个压电陶瓷/电致伸缩驱动器。如果要实现平面全方位运动，则需要配置多个驱动器，在每一维运动方向至少用一个驱动器进行驱动。这必然增加机器人的重量，成本提高，不利于步进机器人的运动控制，也不适合结构的微型化。
发明内容：
本发明基于蠕动运动原理，采用单个压电陶瓷/电致伸缩驱动器，实现平面全方位运动。
本发明所设计的一种微小型机器人的平面运动机构，含有四个连杆，四个连接块、箝位腿，压电/电致伸缩驱动器；其特征在于，所述四个连杆和四个连接块通过柔性铰链构成一个柔性菱形结构，所述四个连接块位于所述柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，分别与四个连接块固联。
根据一种微小型机器人的平面运动机构而设计的装置，其特征在于，它含有柔性菱形结构、压电/电致伸缩驱动器、箝位腿和固定底板；所述的柔性菱形结构由四个连杆、四个连接块和八个柔性铰链连接而成，所述四个连接块位于所述的柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，一端分别固联在四个连接块的底部，另一端置于所述固定底板上。
所述的压电/电致伸缩驱动器通过盈配合，嵌入到两个相对的连接块之间。
所述的压电/电致伸缩驱动器还可以一端固联在一个连接块上，另一端通过一个滑块和一个预紧螺栓连接在另一个相对的连接块上。
所述的压电/电致伸缩驱动器还可以一端通过支撑件、横向销轴、轴套、纵向销轴与一个连接块相连，所述的压电/电致伸缩驱动器的另一端通过支撑件、横向销轴、轴套、纵向销轴、滑块与和一个预紧螺栓连接在另一个相对的连接块上。
所述的压电/电致伸缩驱动器还可以两端分别通过球铰连接在两个相对的连接块上。
实验证明本发明利用菱形结构的几何特点，使用单个压电陶瓷驱动器就能实现机器人的平面全方位运动。该机器人装置具有结构紧凑，分辨率高、可控性好等特点，可用于各种微操作系统中的微移动机器人，达到了预期的目的。
附图说明：
图1是本发明设计的运动机构示意图。
图2是本发明设计的微小型移动机器人的结构示意图之一。
图3是图2的侧视图。
图4是图3的俯视图。
图5是箝位腿结构示意图。
图6是本发明设计的微小型移动机器人的结构示意图之二；
图7是图6的俯视图；
图8本发明设计的微小型移动机器人的结构示意图之三；
图9是图8的俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1-图9中，1、3、16和17分别是连接块，2是连杆(共4个)，4是柔性铰链(共8个)，由连接块1、3、16和17、连杆2、柔性铰链4构成柔性菱形结构；5是压电陶瓷/电致伸缩驱动器，6是驱动器安装支撑件(共2个)，7是横向销轴(共2个)，8是轴套(共2个)，9是纵向销轴(共2个)；10是预紧滑块，11是预紧螺栓；12、13、14和15分别是箝位腿，其中，18是电磁铁心，19是电磁线圈，20是支撑腿；21为固定底板。
图1是本发明的基于平面蠕动原理的微小型机器人平面运动机构，其基本设计思路是利用单一的压电陶瓷/电致伸缩驱动器，配置箝位腿，实现机器人的平面三自由度运动。
如图1所示，连接块1、3、16和17、连杆2、柔性铰链4构成柔性菱形结构。压电陶瓷/电致伸缩驱动器5置于菱形结构对角线位置，与连接块16和17固联。箝位腿12、13、14和15，分别固联于连接块16、3、17和1上。图5给出了箝位腿一种结构形式，是由电磁铁心18、电磁线圈19和支撑腿20组成，电磁铁心18与支撑腿20固联，电磁线圈19绕制在电磁铁心18上，支撑腿20置于固定底板21上。
设在柔性菱形结构中安装驱动器的对角线方向为X方向，柔性菱形结构的另一对角线方向为Y方向，如图1所示。机器人的直线和转弯运动是通过压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的伸长和缩短，并配合箝位腿12、13、14和15与固定底板21的吸附与松开控制实现的。对压电陶瓷/电致伸缩驱动器5、箝位腿12、13、14和15进行时序控制设计，可实现微小型移动机器人沿X方向、Y方向和转动的平面全方位运动。移动速度可通过改变加于压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压幅值和频率以及控制箝位腿12、13、14和15的动作频率来调节。这就是本发明的基本运动原理。
图1中箝位腿12、13、14和15用虚线画出，该微小型机器人的平面运动机构的运动原理如下：
1.X方向运动
箝位腿13和15与底板21处于松位状态，由压电陶瓷/电致伸缩驱动器5、箝位腿12和14动作控制实现沿驱动器输出位移方向上的直线运动。
首先箝位腿12吸附于底板21，箝位腿14处于松位；驱动压电陶瓷/电致伸缩驱动器5伸长，使箝位腿14在底板21上向前滑移；再使箝位腿14吸附于底板21，箝位腿12处于松位；去除加在压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压，使其恢复到原来的长度，带动箝位腿12向前滑移，使整个装置向前移动了一步；又使箝位腿12吸附于底板21，箝位腿14处于松位。机器人回复到初始状态，完成了沿X方向走完了一步。循环上述过程，即可实现机器人沿X方向的蠕动运动。改变两个箝位腿12、14和压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压波形或电压幅值，可实现不同步距的进退运动。
2.Y方向运动
箝位腿12和14与底板21处于松位状态，由压电陶瓷/电致伸缩驱动器5、箝位腿13和15动作控制实现相对驱动器输出位移方向的横向直线运动。
首先箝位腿15吸附于底板21，箝位腿13处于松位；驱动压电陶瓷/电致伸缩驱动器5伸长，使箝位腿13在底板21上沿Y方向滑移；再使箝位腿13吸附于底板21，箝位腿15处于松位；去除加在压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压，使其恢复到原来的长度，带动箝位腿15跟进一步，使整个装置沿Y方向走了一步；又使箝位腿15吸附于底板21，箝位腿13处于松位。机器人回复到初始状态，完成了沿驱动器输出位移方向走完了一步。循环上述过程，即可实现机器人沿Y方向的蠕动运动。改变两个箝位腿13、15和压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的控制顺序，即可实现沿Y方向的反向运动。控制加于压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压波形或电压幅值，可实现不同步距的进退运动。
3.转弯
由压电陶瓷/电致伸缩驱动器5、箝位腿12、13、14和15动作控制实现转弯运动。
(1)顺时针转弯的运动原理
首先箝位腿12和15吸附，箝位腿13和14松位；压电陶瓷/电致伸缩驱动器5施加电压伸长，柔性菱形结构的构型发生变化，其压电陶瓷/电致伸缩驱动器5所在对角线以箝位腿12为中心顺时针旋转一个微小角度，带动箝位腿13和14滑移；箝位腿14吸附，箝位腿15先松位(释放应力)再吸附，箝位腿12和13松位；卸去施加在压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的电压，柔性菱形结构中安装压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的对角线缩短，该对角线以箝位腿14为中心顺时针旋转一个微小角度，带动箝位腿12和13滑移；箝位腿12和15吸附，箝位腿13和14松位。机器人回复到初始状态，完成了顺时针转过一个微小角度。循环上述过程，即可实现机器人的转弯运动。控制加于压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压波形或电压幅值，可实现单个循环中机器人顺时针转过不同的角度。
(2)逆时针转弯的运动原理
首先箝位腿12和13吸附，箝位腿14和15松位；压电陶瓷/电致伸缩驱动器5施加电压伸长，柔性菱形结构的构型发生变化，其压电陶瓷/电致伸缩驱动器5所在对角线以箝位腿12为中心逆时针旋转一个微小角度，带动箝位腿14和15滑移；箝位腿14吸附，箝位腿13先松位(释放应力)再吸附，箝位腿12和15松位；卸去施加在压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的电压，柔性菱形结构中安装压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的对角线缩短，该对角线以箝位腿14为中心逆时针旋转一个微小角度，带动箝位腿12和15滑移；箝位腿12和13吸附，箝位腿14和15松位。机器人回复到初始状态，完成了逆时针转过一个微小角度。循环上述过程，即可实现机器人的转弯运动。控制加于压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压波形或电压幅值，可实现单个循环中机器人逆时针转过不同的角度。
4.旋转运动的原理
由压电陶瓷/电致伸缩驱动器5、箝位腿12、13、14和15动作控制实现以某个箝位腿为中心的旋转运动。
(1)顺时针旋转的运动原理
以绕箝位腿12为中心的顺时针旋转为例。首先箝位腿12和15吸附，箝位腿13和14松位；压电陶瓷/电致伸缩驱动器5施加电压伸长，柔性菱形结构的构型发生变化，其压电陶瓷驱动器5所在对角线以箝位腿12为中心顺时针旋转一个微小角度，带动箝位腿13和14滑移；箝位腿13吸附，箝位腿12先松位(释放应力)再吸附，箝位腿14和15松位；卸去施加在压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的电压，柔性菱形结构中安装压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的对角线缩短，该对角线以箝位腿12为中心顺时针旋转一个微小角度，带动箝位腿14和15滑移；箝位腿15吸附，箝位腿12先松位再吸附，箝位腿13和14松位。机器人回复到初始状态，完成了以箝位腿12为中心的顺时针转过一个微小角度。循环上述过程，即可实现机器人以某个箝位腿为中心的顺时针旋转运动。控制加于压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压波形或电压幅值，可实现单个循环中机器人顺时针转过不同的角度。类似的，可实现以任意一个箝位腿为中心的顺时针旋转运动。
(2)逆时针旋转的运动原理
以绕箝位腿12为中心的逆时针旋转为例。首先箝位腿12和13吸附，箝位腿14和15松位；压电陶瓷/电致伸缩驱动器5施加电压伸长，柔性菱形结构的构型发生变化，其压电陶瓷驱动器5所在对角线以箝位腿12为中心逆时针旋转一个微小角度，带动箝位腿14和15滑移；箝位腿15吸附，箝位腿12先松位(释放应力)再吸附，箝位腿13和14松位；卸去施加在压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的电压，柔性菱形结构中安装压电陶瓷/电致伸缩驱动器5的对角线缩短，该对角线以箝位腿12为中心逆时针旋转一个微小角度，带动箝位腿13和14滑移；箝位腿13吸附，箝位腿12先松位再吸附，箝位腿14和15松位。机器人回复到初始状态，完成了以箝位腿12为中心的逆时针转过一个微小角度。循环上述过程，即可实现机器人以某个箝位腿为中心的旋转运动。控制加于压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的电压波形或电压幅值，可实现单个循环中机器人逆时针转过不同的角度。
基于上述平面蠕动原理，本发明的单个压电陶瓷驱动的微小型机器人第一种结构示意图如图2所示。主要由柔性菱形结构、箝位腿12、13、14和15、一个压电陶瓷/电致驱动器5组成。
对应图1所示的机器人运动机构，连接块1、3、16和17、连杆2、柔性铰链4构成柔性菱形结构。压电陶瓷/电致伸缩驱动器5内嵌于菱形结构对角线位置，与连接块16和17固联。连接块16、3、17和1的下方位置分别固联箝位腿12、13、14和15。图3是图2沿负X方向的侧视图，图中仅示出箝位腿12、14和15。图4是图3的俯视图，箝位腿12、13、14和15由虚线示出。利用单一的压电陶瓷/电致伸缩驱动器，配合箝位腿控制，实现机器人沿X方向、Y方向和转动的平面三自由度运动。
箝位腿的动作控制可采用电磁驱动，由磁芯和线圈实现。图5给出了箝位腿一种结构形式，是由电磁铁心18、电磁线圈19和支撑腿20组成，电磁铁心18与支撑腿20固联，电磁线圈19绕制在电磁铁心18上，支撑腿20置于固定底板21上。当控制电流通过线圈19时，电磁引力使电磁铁心18和底板21构成闭合磁路，使支撑腿20吸附于底板21上；不通电时，处于松位状态。
图6是本发明的单个压电陶瓷驱动的微小型机器人第二种结构示意图。主要由柔性菱形结构、箝位腿12、13、14和15、一个压电陶瓷/电致驱动器5、预紧滑块10和预紧螺栓11组成。连接块1、3、16和17、连杆2、柔性铰链4构成柔性菱形结构。连接块16、3、17和1的下方位置分别固联箝位腿12、13、14和15。压电陶瓷/电致伸缩驱动器5内嵌于菱形结构对角线位置，与连接块16和预紧滑块10固联。滑块10在连接块17上沿Y方向可以滑动，预紧螺栓11通过连接块17上的螺纹孔顶在滑块10上，通过调节螺栓11可以改变压电陶瓷/电致伸缩驱动器5上的预紧力。与驱动器直接通过过盈配合嵌于柔性菱形结构内的方式相比，减少了安装难度，并可根据不同工况调整预紧力，增加了结构的安全性和灵活性。图7为图6所述结构的俯视图，箝位腿12、13、14和15由虚线示出。
图8为本发明的单个压电陶瓷驱动的微小型机器人的第三种结构示意图。主要由柔性菱形结构、箝位腿12、13、14和15、一个压电陶瓷/电致驱动器5、预紧滑块10和预紧螺栓11、支撑件6、横向销轴7、轴套8、纵向销轴9组成。连接块1、3、16和17、连杆2、柔性铰链4构成柔性菱形结构。在连接块17上有预紧滑块10和预紧螺栓11，滑块10可在连接块17上沿Y方向滑动，预紧螺栓11通过连接块17上的螺纹孔顶在滑块10上。压电陶瓷/电致伸缩驱动器5内嵌于柔性菱形结构的对角线位置，通过支撑件6、横向销轴7、轴套8、纵向销轴9、预紧滑块10和预紧螺栓11连结在柔性菱形结构的对角线位置；调节预紧螺栓11，通过滑块10对驱动器组件实现预紧。由于压电陶瓷/电致伸缩驱动器不能承受弯矩，采用纵向销轴9和横向销轴7分别与支撑件6、轴套8、滑块10构成复合旋转铰链，使驱动器5不受弯曲力矩的作用。连接块16、3、17和1的下方位置分别固联箝位腿12、13、14和15。图9为图8所述结构的俯视图，箝位腿12、13、14和15由虚线示出。
另外，压电陶瓷/电致伸缩驱动器5两端或一端也可以通过球铰或旋转铰与柔性菱形结构相连接。
以上所述的微小型机器人装置的运动原理均与图1所述的机构运动原理相同。
本发明的柔性菱形结构可以选择铍青铜材料，通过线切割加工完成，包括八个相同的柔性铰链结构。由于柔性铰链的存在，柔性菱形结构在较小的外力作用下就会发生构形变化。若压电陶瓷/电致伸缩驱动器加压伸长，柔性菱形结构也会随之发生变形；压电陶瓷/电致伸缩驱动器减压缩短或撤去电压，则柔性菱形结构会随之缩短或回复到初始状态。
箝位腿外形为圆柱形，主要包括内部用于缠绕线圈的铁芯以及外部用于形成磁回路的铁套。铁套上加工了微孔用于引出内部铁芯上线圈的线头。线圈通电则箝位腿吸附固定底板，线圈断电则箝位腿松开工作台。
Claims (6)
1、一种微小型机器人的平面运动机构，含有四个连杆，四个连接块、箝位腿，压电/电致伸缩驱动器；其特征在于，所述四个连杆和四个连接块通过柔性铰链构成一个柔性菱形结构，所述四个连接块位于所述柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，分别与四个连接块固联。
2、根据权利要求1所述的一种微小型机器人的平面运动机构而设计的装置，其特征在于，它含有柔性菱形结构、压电/电致伸缩驱动器、箝位腿和固定底板；所述的柔性菱形结构由四个连杆、四个连接块和八个柔性铰链连接而成，所述四个连接块位于所述的柔性菱形结构的四个角上；所述的压电/电致伸缩驱动器置于柔性菱形结构的两个相对的连接块之间；所述的箝位腿有四个，一端分别固联在四个连接块的底部，另一端置于所述固定底板上。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的压电/电致伸缩驱动器通过盈配合，嵌入到两个相对的连接块之间。
4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的压电/电致伸缩驱动器的一端固联在一个连接块上，另一端通过一个滑块和一个预紧螺栓连接在另一个相对的连接块上。
5、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的压电/电致伸缩驱动器的一端通过支撑件、横向销轴、轴套、纵向销轴与一个连接块相连，所述的压电/电致伸缩驱动器的另一端通过支撑件、横向销轴、轴套、纵向销轴、滑块与和一个预紧螺栓连接在另一个相对的连接块上。
6、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的压电/电致伸缩驱动器的两端分别通过球铰连接在两个相对的连接块上。
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