專利名稱：一種纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型機(jī)器人技木，尤其涉及的是ー種纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人。
背景技術(shù)：
近十幾年來，隨著機(jī)器人和微加工技術(shù)的迅速發(fā)展，微型機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到機(jī)械、化學(xué)和醫(yī)學(xué)臨床診斷等諸多領(lǐng)域。管內(nèi)移動(dòng)微型機(jī)器人是微型機(jī)器人領(lǐng)域的ー個(gè)重要的應(yīng)用方向，可廣泛應(yīng)用于電力、化工、供曖、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)中的細(xì)小孔徑管道(或腔道)的檢測和信息采集，所以日益受到研究者的關(guān)注。目前，在各類學(xué)術(shù)期刊上已經(jīng)報(bào)道了多種微型機(jī)器人，絕大多數(shù)是采用輪式、履帶式或關(guān)節(jié)伸縮蠕動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。目前研究的主流驅(qū)動(dòng)方式是輪式驅(qū)動(dòng)，但是因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸無法做到真正的微型化，從而影響了其在微小環(huán)境中的應(yīng)用，所以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微型化問題是微型機(jī)器人領(lǐng)域的一大難題。近年來發(fā)展起來的微型機(jī)器人種類很多，其中蘇州大學(xué)發(fā)明了一種微型管道機(jī)器人，約有成人的半截食指般長短粗細(xì)，機(jī)器人重約6克，渾身長著毛刺，這種微型管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是基于諧振原理，需6伏電壓驅(qū)動(dòng)，利用機(jī)器人體內(nèi)所帶的微型電機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，通過毛刺與管壁非対稱的碰撞與摩擦，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)(參見 http://news. szhou. cn/2011/04/14971. shtml )。上述這種由多個(gè)毛刺振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，因?yàn)椴捎脠?jiān)硬的單方向的類金屬毛刺作為驅(qū)動(dòng)方式，容易造成應(yīng)用管道(腔道)內(nèi)壁的劃傷甚至破壞，并因?yàn)椴捎脝蝹?cè)傾斜的毛刺，所以只能單方向運(yùn)動(dòng)，無法主動(dòng)改變行進(jìn)方向和行進(jìn)速度。同時(shí)該微型毛刺機(jī)器人采用的是圓形的外形形狀結(jié)構(gòu)，需要機(jī)器人的毛刺與所應(yīng)用管道的內(nèi)壁四周接觸良好，這就使得毛刺機(jī)器人只能適用于某一管徑的場合，如管壁內(nèi)徑發(fā)生變化將影響該機(jī)器人的應(yīng)用性能。同時(shí)該微型毛刺機(jī)器人采用的是有線供能或控制的方式，該方式會(huì)阻礙微型機(jī)器人按原路返回，這進(jìn)一歩使得機(jī)器人的應(yīng)用場合受到限制。因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，尚待改進(jìn)和發(fā)展。可見，當(dāng)前微型機(jī)器人的發(fā)展迫切需要ー種結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、行動(dòng)方向可控、 行進(jìn)速度可控的無線微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技木。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于設(shè)計(jì)一種纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，以其特有的柔軟有彈性的驅(qū)動(dòng)腿避免機(jī)器人對應(yīng)用場合內(nèi)壁的潛在損傷，并利用振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)纖毛驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和行進(jìn)速度控制，拓展微型機(jī)器人的應(yīng)用場所，同時(shí)利用內(nèi)置能源和通訊芯片實(shí)現(xiàn)無線驅(qū)動(dòng)和無線遙控操作，使得該微型機(jī)器人可應(yīng)用于各種可視的或不可視的微小環(huán)境中。同吋，具有柔彈性的纖毛驅(qū)動(dòng)腿更加適合于在柔性管壁環(huán)境下的應(yīng)用，其行走動(dòng)作對于管道的接觸面沒有任何損傷，比較適合于柔性管壁環(huán)境(如人體消化道、血管等)下的應(yīng)用，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有良好的發(fā)展前景。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，所述的微型機(jī)器人利用振動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)帶動(dòng)纖毛驅(qū)動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人行進(jìn)。所述微型機(jī)器人的所有結(jié)構(gòu)布置在三層結(jié)構(gòu)之中。其中，上層是功能模塊，主要包括電源模塊、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊、控制電路模塊和操作模塊四部分。電源模塊由紐扣電池組成，為其他三部分模塊提供電能。振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊由偏心振動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成，可根據(jù)控制電路信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速變換。
控制電路模塊與振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊和操作模塊連接，根據(jù)程序設(shè)定或遙控指令向其他模塊發(fā)出控制信號，控制電路模塊包括微型中央處理器、無線通信芯片和外圍電路元器件，微型中央處理器調(diào)節(jié)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制兩組驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅差異，達(dá)到控制微型機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及行進(jìn)速度的目的，無線通信芯片實(shí)現(xiàn)遙控信號和檢測信號的無線傳輸。操作模塊可根據(jù)應(yīng)用目的執(zhí)行具體操作動(dòng)作，可包括但不限于取樣、檢測、照明、 清洗、圖像采集等功能。中間層為起支撐和連接作用的基板，其與下層結(jié)構(gòu)的纖毛驅(qū)動(dòng)腿構(gòu)成ー個(gè)整體。下層為起驅(qū)動(dòng)作用的纖毛驅(qū)動(dòng)腿，下層結(jié)構(gòu)中至少包括兩組直徑不同，數(shù)量不同， 但總的水平截面面積相等，垂直高度相等，且與基底呈一定的對稱傾角的纖毛驅(qū)動(dòng)腿，纖毛驅(qū)動(dòng)腿在振動(dòng)電機(jī)不同旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的振動(dòng)作用下運(yùn)動(dòng)，其中振動(dòng)電動(dòng)機(jī)可按不同的轉(zhuǎn)速振動(dòng)。所述的微型機(jī)器人只需要一個(gè)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。纖毛驅(qū)動(dòng)腿因?yàn)橹睆讲煌涔逃姓駝?dòng)頻率不相同。振動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過不同振動(dòng)頻率引起兩組纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅并不相同(即產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)カ也不相同)，當(dāng)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率與某組纖毛驅(qū)動(dòng)腿的固有振動(dòng)頻率接近時(shí)則該組纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅變大(即驅(qū)動(dòng)カ變大)，振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離時(shí)則該組纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅變小(即驅(qū)動(dòng)カ變小)。在振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，微型機(jī)器人會(huì)向著兩組纖毛驅(qū)動(dòng)腿振動(dòng)擺幅的差值正向方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人可根據(jù)預(yù)先程序設(shè)定或者遙控控制方式運(yùn)動(dòng)。利用控制電路可以控制振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以達(dá)到控制微型機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及行進(jìn)速度調(diào)整的目的。所述微型機(jī)器人的中間層和下層結(jié)構(gòu)是ー個(gè)整體，采用柔軟有彈性且透明的材料 (如PDMS聚ニ甲基硅氧烷)構(gòu)成，全部結(jié)構(gòu)可由磨具灌注或者激光光刻技術(shù)進(jìn)行加工制作而成。這樣因構(gòu)成微型機(jī)器人的材料具有良好的柔彈性，在振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作用下可以不斷的發(fā)生變形和恢復(fù)形變產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，并且該材料具有良好的透光性易于對機(jī)器人內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行觀察?？梢?，本發(fā)明所提供的微型機(jī)器人是對現(xiàn)有機(jī)器人技術(shù)的ー種改迸，其改進(jìn)的主要方面有
一、本微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式為利用機(jī)械振動(dòng)帶動(dòng)纖毛驅(qū)動(dòng)腿發(fā)生擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微型化；
ニ、根據(jù)纖毛驅(qū)動(dòng)腿的固有頻率不同，在振動(dòng)電動(dòng)機(jī)不同驅(qū)動(dòng)頻率的振動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的前進(jìn)、后退、行進(jìn)速度及行進(jìn)方向調(diào)整的目的；三、微型機(jī)器人的操作模塊可根據(jù)應(yīng)用目的執(zhí)行具體操作動(dòng)作，可包括但不限于取樣、 檢測、照明、清洗、圖像采集等功能。


圖1為本發(fā)明的微型機(jī)器人的側(cè)視示意圖。圖2為本發(fā)明的微型機(jī)器人的斜視示意圖。圖3為本發(fā)明的微型機(jī)器人的控制原理框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)ー步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。參見圖1和圖2，微型機(jī)器人由三層結(jié)構(gòu)組成，上層結(jié)構(gòu)1包括電源模塊101、控制電路模塊102、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊103和操作模塊104 ；中間層結(jié)構(gòu)2為起支撐和連接作用的基板；下層結(jié)構(gòu)3為起驅(qū)動(dòng)作用的纖毛驅(qū)動(dòng)腿，分第一組纖毛驅(qū)動(dòng)腿301和第二組纖毛驅(qū)動(dòng)腿302。下層結(jié)構(gòu)3中的兩組纖毛驅(qū)動(dòng)腿數(shù)量不同、直徑不同、且傾角對稱，通過磨具灌注技術(shù)加工在中間層結(jié)構(gòu)2的下方，與中間層結(jié)構(gòu)2構(gòu)成ー個(gè)整體，中間層結(jié)構(gòu)2和下層結(jié)構(gòu) 3均采用PDMS材料，該材料具有良好的柔彈性、且可透光，可直接觀測微型機(jī)器人外部和內(nèi)部情況。第一組纖毛驅(qū)動(dòng)腿301 (如18根)和第二組纖毛驅(qū)動(dòng)腿302 (如9根)的數(shù)量不等，但水平總截面面積相等，垂直高度相等。因?yàn)橹睆讲煌谝唤M纖毛驅(qū)動(dòng)腿301和第二組纖毛驅(qū)動(dòng)腿302的固有振動(dòng)頻率不相同。當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)兩組纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅也不相同(即產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)カ也不相同)，通過控制電路模塊102可控制兩組驅(qū)動(dòng)腿301和302的擺幅差異，進(jìn)而控制微型機(jī)器人的行進(jìn)速度和行進(jìn)方向。本微型機(jī)器人的原理框圖如圖3所示，在微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過控制電路模塊 102接收遙控信號或按照預(yù)先程序設(shè)定控制振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊103的振動(dòng)頻率，當(dāng)振動(dòng)頻率接近某組纖毛驅(qū)動(dòng)腿(301或302)的固有振動(dòng)頻率時(shí)，則該組纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅増大 (即驅(qū)動(dòng)カ増大)，因纖毛驅(qū)動(dòng)腿傾斜角度的限制作用，微型機(jī)器人向著該組纖毛驅(qū)動(dòng)腿相反的方向行迸，改變振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率可控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、行進(jìn)速度及行進(jìn)方向。機(jī)器人可根據(jù)預(yù)先程序設(shè)定或遙控指令控制操作模塊104的工作與否，操作模塊104 可對所處環(huán)境根據(jù)需要完成相應(yīng)的取樣、檢測、照明、清洗、圖像采集等操作動(dòng)作。本發(fā)明裝置的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方法非常簡單，可廣泛應(yīng)用于電力、化工、供曖、尤其是生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)中的細(xì)小管道(或腔道)孔徑內(nèi)部，達(dá)到對微小環(huán)境內(nèi)部的檢測和信息采集的需要。本發(fā)明中的電源模塊、控制電路模塊(包含遙控芯片部分)、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊和操作模塊等技木，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用采用現(xiàn)有的各種可能的方案，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，故不再累述。需要注意的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可根據(jù)上述說明加以改進(jìn)和變換，例如操作模塊的功能和個(gè)數(shù)，或改變纖毛驅(qū)動(dòng)腿的尺寸、數(shù)量、位置、傾斜角度等。而所有這些改進(jìn)和變換都屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，其特征在于所述微型機(jī)器人包括上、中、下三層結(jié)構(gòu)；下層結(jié)構(gòu)具有至少兩組數(shù)量不同、直徑大小不同的纖毛驅(qū)動(dòng)腿，所述纖毛驅(qū)動(dòng)腿與中間層的基板相連接構(gòu)成ー個(gè)整體，各組纖毛驅(qū)動(dòng)腿的總水平截面積相等，垂直高度相等，相鄰兩組纖毛驅(qū)動(dòng)腿與基板平面呈傾角布置，且傾角對稱；中間層是起支撐和連接上下層作用的基板；上層結(jié)構(gòu)是以中間層的基板為支撐，包括電源模塊、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊、控制電路模塊和操作模塊；所述振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊由偏心振動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成，根據(jù)控制電路信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速變換； 所述控制電路模塊與振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊和操作模塊連接，根據(jù)程序設(shè)定或遙控指令向其他模塊發(fā)出控制信號，控制電路模塊包括微型中央處理器、無線通信芯片和外圍電路元器件，微型中央處理器調(diào)節(jié)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅，達(dá)到控制微型機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及行進(jìn)速度調(diào)整的目的，無線通信芯片實(shí)現(xiàn)遙控信號和檢測信號的無線傳輸；操作模塊根據(jù)應(yīng)用目的執(zhí)行具體操作動(dòng)作；電源模塊由紐扣電池組成，為其他三部分模塊提供電能；所述微型機(jī)器人由控制電路模塊控制振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率，振動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源，通過不同振動(dòng)頻率引起纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)，由于不同組的纖毛驅(qū)動(dòng)腿的直徑不同，固有頻率不同，在振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的相同振動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)擺幅不同，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)カ 也不相同，當(dāng)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率與纖毛驅(qū)動(dòng)腿的固有振動(dòng)頻率接近時(shí)則纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅變大(即驅(qū)動(dòng)カ變大)，振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離時(shí)則纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)擺幅變小(即驅(qū)動(dòng)カ 變小)，因此在振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和纖毛驅(qū)動(dòng)腿傾角的限制下，微型機(jī)器人向著兩組纖毛驅(qū)動(dòng)腿振動(dòng)擺幅的差值正向方向運(yùn)動(dòng)，利用控制電路模塊可控制振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制微型機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及行進(jìn)速度調(diào)整的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，其特征在于所述纖毛驅(qū)動(dòng)腿和基板整體采用柔軟有彈性且透明的材料制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，其特征在于所述操作模塊根據(jù)應(yīng)用目的，包括但不限于取樣、檢測、照明、清洗、圖像采集等功能。
全文摘要
本發(fā)明為一種纖毛振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，其由三層結(jié)構(gòu)組成，上層包括電源模塊、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊、控制電路模塊和操作模塊；中間層為起支撐和連接作用的基板；下層至少包括兩組數(shù)量不同、直徑不同、且傾角對稱、總水平截面積相等、垂直高度相等的纖毛驅(qū)動(dòng)腿。纖毛驅(qū)動(dòng)腿在振動(dòng)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速的振動(dòng)作用下發(fā)生振動(dòng)擺動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊闹睆讲煌?，其固有振?dòng)頻率不相同，振動(dòng)擺幅也不相同。當(dāng)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率與纖毛驅(qū)動(dòng)腿的固有振動(dòng)頻率接近時(shí)則纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)幅度變大，振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離時(shí)則纖毛驅(qū)動(dòng)腿的振動(dòng)幅度變小。利用控制電路模塊可以控制振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以達(dá)到控制微型機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及行進(jìn)速度調(diào)整的目的。
文檔編號A61B1/00GK102525378SQ20121002319
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者崔建國 申請人:重慶理工大學(xué)