專利名稱：一種微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其裝置屬于微小型機(jī)器人技術(shù)及精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微小型移動(dòng)機(jī)器人。
背景技術(shù)：
在微小型機(jī)器人技術(shù)及精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到微米級甚至納米級時(shí)，壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器顯示出較大的優(yōu)勢。壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器由于其位移分辨率高、剛度大、響應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于微動(dòng)機(jī)器人、微進(jìn)給定位機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)。
采用壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器的微動(dòng)機(jī)器人，不但可以實(shí)現(xiàn)一維直線運(yùn)動(dòng)，而且可以通過機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二維平面運(yùn)動(dòng)。在壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器用于微進(jìn)給定位或超精密機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)中，通常采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，達(dá)到小型化、減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)的目的。
目前的基于壓電陶瓷/電致伸縮元件驅(qū)動(dòng)的微動(dòng)機(jī)器人采用的移動(dòng)原理主要有三種滑移-粘滯(slip-stick)原理、慣性沖擊原理和蠕動(dòng)原理。下面分別作以說明。
滑移-粘滯原理主要利用物體的慣性以及物體與接觸面之間的摩擦力。移動(dòng)裝置位于平臺或滑桿上，由于其主體的慣性作用，當(dāng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器緩慢伸長然后快速收縮時(shí)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)移動(dòng)裝置相對于平臺或滑桿產(chǎn)生一微小移動(dòng)。反復(fù)重復(fù)上述過程，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)裝置較大范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。美國MIT的Martel等人利用該原理研制了腿足式微型機(jī)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無線微型納米步行機(jī)器人的一般描述。SPIE論文集，2001，Vol.4568，pp.231-240)，該機(jī)器人有三條由壓電陶瓷管加工而成的支撐腿，每條腿都可以發(fā)生彎曲變形以及伸縮變形，利用滑移-粘滯原理實(shí)現(xiàn)微位移。采用滑移-粘滯原理的微動(dòng)機(jī)器人不足之處主要表現(xiàn)在精度不高，可靠性和可控性都比較差，負(fù)載能力低。
采用慣性沖擊原理驅(qū)動(dòng)的微位移機(jī)器人，其代表性的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器兩端分別與兩個(gè)質(zhì)量塊(配重)固聯(lián)的結(jié)構(gòu)。利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的快速伸長和緩慢收縮或相反的過程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的微移動(dòng)，例如日本DENSO公司研制了壓電元件驅(qū)動(dòng)的管內(nèi)探傷微機(jī)器人用于細(xì)小工業(yè)管道的自動(dòng)化檢測工作(K. Shinichiro，I. Toskiki，O. Nobuyuki.Multi-layered Piezoelectric Bimorph Actuator. IEEE International Symposium onMicromachine and Human Science.1997，73-77多層雙壓電晶片作動(dòng)器。IEEE微機(jī)械和人文科學(xué)國際會議論文集，1997，73-77)，該微機(jī)器人主要由一個(gè)壓電疊層驅(qū)動(dòng)器、配重和兩個(gè)支撐桿組成，兩支撐桿分別支撐在管壁內(nèi)兩側(cè)。合理配置本體和配重的質(zhì)量，采用一定頻率、一定幅值的鋸齒波電壓作用于壓電元件，就可實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人在管道內(nèi)的前后直線移動(dòng)。
清華大學(xué)白紹平、汪勁松等人采用蠕動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種管道機(jī)器人(白紹平，汪勁松等。小型蠕動(dòng)機(jī)器人原理與實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人，1994，Vol.16(3)，140-143.)。該機(jī)器人由兩個(gè)箝位壓電陶瓷元件、一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)柔性框架組成，通過二個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制柔性框架與管道的箝位和松開，一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制柔性框架的伸長或縮短，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的連續(xù)、大范圍運(yùn)動(dòng)。該類機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于負(fù)載能力比較強(qiáng)，行程大，可控性好；但其運(yùn)動(dòng)僅為一個(gè)方向的直線進(jìn)退移動(dòng)。
由上述分析，可以看出目前的平面微動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一維運(yùn)動(dòng)至少采用一個(gè)壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器。如果要實(shí)現(xiàn)平面全方位運(yùn)動(dòng)，則需要配置多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，在每一維運(yùn)動(dòng)方向至少用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這必然增加機(jī)器人的重量，成本提高，不利于步進(jìn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，也不適合結(jié)構(gòu)的微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)原理，采用單個(gè)壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)平面全方位運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，含有四個(gè)連桿，四個(gè)連接塊、箝位腿，壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器；其特征在于，所述四個(gè)連桿和四個(gè)連接塊通過柔性鉸鏈構(gòu)成一個(gè)柔性菱形結(jié)構(gòu)，所述四個(gè)連接塊位于所述柔性菱形結(jié)構(gòu)的四個(gè)角上；所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器置于柔性菱形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對的連接塊之間；所述的箝位腿有四個(gè)，分別與四個(gè)連接塊固聯(lián)。
根據(jù)一種微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)的裝置，其特征在于，它含有柔性菱形結(jié)構(gòu)、壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器、箝位腿和固定底板；所述的柔性菱形結(jié)構(gòu)由四個(gè)連桿、四個(gè)連接塊和八個(gè)柔性鉸鏈連接而成，所述四個(gè)連接塊位于所述的柔性菱形結(jié)構(gòu)的四個(gè)角上；所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器置于柔性菱形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對的連接塊之間；所述的箝位腿有四個(gè)，一端分別固聯(lián)在四個(gè)連接塊的底部，另一端置于所述固定底板上。
所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器通過盈配合，嵌入到兩個(gè)相對的連接塊之間。
所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器還可以一端固聯(lián)在一個(gè)連接塊上，另一端通過一個(gè)滑塊和一個(gè)預(yù)緊螺栓連接在另一個(gè)相對的連接塊上。
所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器還可以一端通過支撐件、橫向銷軸、軸套、縱向銷軸與一個(gè)連接塊相連，所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器的另一端通過支撐件、橫向銷軸、軸套、縱向銷軸、滑塊與和一個(gè)預(yù)緊螺栓連接在另一個(gè)相對的連接塊上。
所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器還可以兩端分別通過球鉸連接在兩個(gè)相對的連接塊上。
實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明利用菱形結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)，使用單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平面全方位運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，分辨率高、可控性好等特點(diǎn)，可用于各種微操作系統(tǒng)中的微移動(dòng)機(jī)器人，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的微小型移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖之一。
圖3是圖2的側(cè)視圖。
圖4是圖3的俯視圖。
圖5是箝位腿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明設(shè)計(jì)的微小型移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖之二；圖7是圖6的俯視圖；圖8本發(fā)明設(shè)計(jì)的微小型移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖之三；圖9是圖8的俯視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1-圖9中，1、3、16和17分別是連接塊，2是連桿(共4個(gè))，4是柔性鉸鏈(共8個(gè))，由連接塊1、3、16和17、連桿2、柔性鉸鏈4構(gòu)成柔性菱形結(jié)構(gòu)；5是壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器，6是驅(qū)動(dòng)器安裝支撐件(共2個(gè))，7是橫向銷軸(共2個(gè))，8是軸套(共2個(gè))，9是縱向銷軸(共2個(gè))；10是預(yù)緊滑塊，11是預(yù)緊螺栓；12、13、14和15分別是箝位腿，其中，18是電磁鐵心，19是電磁線圈，20是支撐腿；21為固定底板。
圖1是本發(fā)明的基于平面蠕動(dòng)原理的微小型機(jī)器人平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其基本設(shè)計(jì)思路是利用單一的壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器，配置箝位腿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平面三自由度運(yùn)動(dòng)。
如圖1所示，連接塊1、3、16和17、連桿2、柔性鉸鏈4構(gòu)成柔性菱形結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5置于菱形結(jié)構(gòu)對角線位置，與連接塊16和17固聯(lián)。箝位腿12、13、14和15，分別固聯(lián)于連接塊16、3、17和1上。圖5給出了箝位腿一種結(jié)構(gòu)形式，是由電磁鐵心18、電磁線圈19和支撐腿20組成，電磁鐵心18與支撐腿20固聯(lián)，電磁線圈19繞制在電磁鐵心18上，支撐腿20置于固定底板21上。
設(shè)在柔性菱形結(jié)構(gòu)中安裝驅(qū)動(dòng)器的對角線方向?yàn)閄方向，柔性菱形結(jié)構(gòu)的另一對角線方向?yàn)閅方向，如圖1所示。機(jī)器人的直線和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)是通過壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的伸長和縮短，并配合箝位腿12、13、14和15與固定底板21的吸附與松開控制實(shí)現(xiàn)的。對壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5、箝位腿12、13、14和15進(jìn)行時(shí)序控制設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)微小型移動(dòng)機(jī)器人沿X方向、Y方向和轉(zhuǎn)動(dòng)的平面全方位運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)速度可通過改變加于壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓幅值和頻率以及控制箝位腿12、13、14和15的動(dòng)作頻率來調(diào)節(jié)。這就是本發(fā)明的基本運(yùn)動(dòng)原理。
圖1中箝位腿12、13、14和15用虛線畫出，該微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理如下1.X方向運(yùn)動(dòng)箝位腿13和15與底板21處于松位狀態(tài)，由壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5、箝位腿12和14動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)沿驅(qū)動(dòng)器輸出位移方向上的直線運(yùn)動(dòng)。
首先箝位腿12吸附于底板21，箝位腿14處于松位；驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5伸長，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處于松位；去除加在壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓，使其恢復(fù)到原來的長度，帶動(dòng)箝位腿12向前滑移，使整個(gè)裝置向前移動(dòng)了一步；又使箝位腿12吸附于底板21，箝位腿14處于松位。機(jī)器人回復(fù)到初始狀態(tài)，完成了沿X方向走完了一步。循環(huán)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿X方向的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。改變兩個(gè)箝位腿12、14和壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的控制順序，即可實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。控制加于壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓波形或電壓幅值，可實(shí)現(xiàn)不同步距的進(jìn)退運(yùn)動(dòng)。
2.Y方向運(yùn)動(dòng)箝位腿12和14與底板21處于松位狀態(tài)，由壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5、箝位腿13和15動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)相對驅(qū)動(dòng)器輸出位移方向的橫向直線運(yùn)動(dòng)。
首先箝位腿15吸附于底板21，箝位腿13處于松位；驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5伸長，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處于松位；去除加在壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓，使其恢復(fù)到原來的長度，帶動(dòng)箝位腿15跟進(jìn)一步，使整個(gè)裝置沿Y方向走了一步；又使箝位腿15吸附于底板21，箝位腿13處于松位。機(jī)器人回復(fù)到初始狀態(tài)，完成了沿驅(qū)動(dòng)器輸出位移方向走完了一步。循環(huán)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿Y方向的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。改變兩個(gè)箝位腿13、15和壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的控制順序，即可實(shí)現(xiàn)沿Y方向的反向運(yùn)動(dòng)?？刂萍佑趬弘娞沾?電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓波形或電壓幅值，可實(shí)現(xiàn)不同步距的進(jìn)退運(yùn)動(dòng)。
3.轉(zhuǎn)彎由壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5、箝位腿12、13、14和15動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
(1)順時(shí)針轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)原理首先箝位腿12和15吸附，箝位腿13和14松位；壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5施加電壓伸長，柔性菱形結(jié)構(gòu)的構(gòu)型發(fā)生變化，其壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5所在對角線以箝位腿12為中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)箝位腿13和14滑移；箝位腿14吸附，箝位腿15先松位(釋放應(yīng)力)再吸附，箝位腿12和13松位；卸去施加在壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的電壓，柔性菱形結(jié)構(gòu)中安裝壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的對角線縮短，該對角線以箝位腿14為中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)箝位腿12和13滑移；箝位腿12和15吸附，箝位腿13和14松位。機(jī)器人回復(fù)到初始狀態(tài)，完成了順時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)微小角度。循環(huán)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)?？刂萍佑趬弘娞沾?電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓波形或電壓幅值，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)循環(huán)中機(jī)器人順時(shí)針轉(zhuǎn)過不同的角度。
(2)逆時(shí)針轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)原理首先箝位腿12和13吸附，箝位腿14和15松位；壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5施加電壓伸長，柔性菱形結(jié)構(gòu)的構(gòu)型發(fā)生變化，其壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5所在對角線以箝位腿12為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)箝位腿14和15滑移；箝位腿14吸附，箝位腿13先松位(釋放應(yīng)力)再吸附，箝位腿12和15松位；卸去施加在壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的電壓，柔性菱形結(jié)構(gòu)中安裝壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的對角線縮短，該對角線以箝位腿14為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)箝位腿12和15滑移；箝位腿12和13吸附，箝位腿14和15松位。機(jī)器人回復(fù)到初始狀態(tài)，完成了逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)微小角度。循環(huán)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)?？刂萍佑趬弘娞沾?電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓波形或電壓幅值，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)循環(huán)中機(jī)器人逆時(shí)針轉(zhuǎn)過不同的角度。
4.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原理由壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5、箝位腿12、13、14和15動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)以某個(gè)箝位腿為中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
(1)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)原理以繞箝位腿12為中心的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例。首先箝位腿12和15吸附，箝位腿13和14松位；壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5施加電壓伸長，柔性菱形結(jié)構(gòu)的構(gòu)型發(fā)生變化，其壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器5所在對角線以箝位腿12為中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)箝位腿13和14滑移；箝位腿13吸附，箝位腿12先松位(釋放應(yīng)力)再吸附，箝位腿14和15松位；卸去施加在壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的電壓，柔性菱形結(jié)構(gòu)中安裝壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的對角線縮短，該對角線以箝位腿12為中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)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。機(jī)器人回復(fù)到初始狀態(tài)，完成了以箝位腿12為中心的順時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)微小角度。循環(huán)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人以某個(gè)箝位腿為中心的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？刂萍佑趬弘娞沾?電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓波形或電壓幅值，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)循環(huán)中機(jī)器人順時(shí)針轉(zhuǎn)過不同的角度。類似的，可實(shí)現(xiàn)以任意一個(gè)箝位腿為中心的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
(2)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)原理以繞箝位腿12為中心的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例。首先箝位腿12和13吸附，箝位腿14和15松位；壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5施加電壓伸長，柔性菱形結(jié)構(gòu)的構(gòu)型發(fā)生變化，其壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器5所在對角線以箝位腿12為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)箝位腿14和15滑移；箝位腿15吸附，箝位腿12先松位(釋放應(yīng)力)再吸附，箝位腿13和14松位；卸去施加在壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的電壓，柔性菱形結(jié)構(gòu)中安裝壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5的對角線縮短，該對角線以箝位腿12為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度，帶動(dòng)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。機(jī)器人回復(fù)到初始狀態(tài)，完成了以箝位腿12為中心的逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)微小角度。循環(huán)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人以某個(gè)箝位腿為中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？刂萍佑趬弘娞沾?電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的電壓波形或電壓幅值，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)循環(huán)中機(jī)器人逆時(shí)針轉(zhuǎn)過不同的角度。
基于上述平面蠕動(dòng)原理，本發(fā)明的單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微小型機(jī)器人第一種結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。主要由柔性菱形結(jié)構(gòu)、箝位腿12、13、14和15、一個(gè)壓電陶瓷/電致驅(qū)動(dòng)器5組成。
對應(yīng)圖1所示的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，連接塊1、3、16和17、連桿2、柔性鉸鏈4構(gòu)成柔性菱形結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5內(nèi)嵌于菱形結(jié)構(gòu)對角線位置，與連接塊16和17固聯(lián)。連接塊16、3、17和1的下方位置分別固聯(lián)箝位腿12、13、14和15。圖3是圖2沿負(fù)X方向的側(cè)視圖，圖中僅示出箝位腿12、14和15。圖4是圖3的俯視圖，箝位腿12、13、14和15由虛線示出。利用單一的壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器，配合箝位腿控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿X方向、Y方向和轉(zhuǎn)動(dòng)的平面三自由度運(yùn)動(dòng)。
箝位腿的動(dòng)作控制可采用電磁驅(qū)動(dòng)，由磁芯和線圈實(shí)現(xiàn)。圖5給出了箝位腿一種結(jié)構(gòu)形式，是由電磁鐵心18、電磁線圈19和支撐腿20組成，電磁鐵心18與支撐腿20固聯(lián)，電磁線圈19繞制在電磁鐵心18上，支撐腿20置于固定底板21上。當(dāng)控制電流通過線圈19時(shí)，電磁引力使電磁鐵心18和底板21構(gòu)成閉合磁路，使支撐腿20吸附于底板21上；不通電時(shí)，處于松位狀態(tài)。
圖6是本發(fā)明的單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微小型機(jī)器人第二種結(jié)構(gòu)示意圖。主要由柔性菱形結(jié)構(gòu)、箝位腿12、13、14和15、一個(gè)壓電陶瓷/電致驅(qū)動(dòng)器5、預(yù)緊滑塊10和預(yù)緊螺栓11組成。連接塊1、3、16和17、連桿2、柔性鉸鏈4構(gòu)成柔性菱形結(jié)構(gòu)。連接塊16、3、17和1的下方位置分別固聯(lián)箝位腿12、13、14和15。壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5內(nèi)嵌于菱形結(jié)構(gòu)對角線位置，與連接塊16和預(yù)緊滑塊10固聯(lián)?；瑝K10在連接塊17上沿Y方向可以滑動(dòng)，預(yù)緊螺栓11通過連接塊17上的螺紋孔頂在滑塊10上，通過調(diào)節(jié)螺栓11可以改變壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5上的預(yù)緊力。與驅(qū)動(dòng)器直接通過過盈配合嵌于柔性菱形結(jié)構(gòu)內(nèi)的方式相比，減少了安裝難度，并可根據(jù)不同工況調(diào)整預(yù)緊力，增加了結(jié)構(gòu)的安全性和靈活性。圖7為圖6所述結(jié)構(gòu)的俯視圖，箝位腿12、13、14和15由虛線示出。
圖8為本發(fā)明的單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微小型機(jī)器人的第三種結(jié)構(gòu)示意圖。主要由柔性菱形結(jié)構(gòu)、箝位腿12、13、14和15、一個(gè)壓電陶瓷/電致驅(qū)動(dòng)器5、預(yù)緊滑塊10和預(yù)緊螺栓11、支撐件6、橫向銷軸7、軸套8、縱向銷軸9組成。連接塊1、3、16和17、連桿2、柔性鉸鏈4構(gòu)成柔性菱形結(jié)構(gòu)。在連接塊17上有預(yù)緊滑塊10和預(yù)緊螺栓11，滑塊10可在連接塊17上沿Y方向滑動(dòng)，預(yù)緊螺栓11通過連接塊17上的螺紋孔頂在滑塊10上。壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5內(nèi)嵌于柔性菱形結(jié)構(gòu)的對角線位置，通過支撐件6、橫向銷軸7、軸套8、縱向銷軸9、預(yù)緊滑塊10和預(yù)緊螺栓11連結(jié)在柔性菱形結(jié)構(gòu)的對角線位置；調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓11，通過滑塊10對驅(qū)動(dòng)器組件實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。由于壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器不能承受彎矩，采用縱向銷軸9和橫向銷軸7分別與支撐件6、軸套8、滑塊10構(gòu)成復(fù)合旋轉(zhuǎn)鉸鏈，使驅(qū)動(dòng)器5不受彎曲力矩的作用。連接塊16、3、17和1的下方位置分別固聯(lián)箝位腿12、13、14和15。圖9為圖8所述結(jié)構(gòu)的俯視圖，箝位腿12、13、14和15由虛線示出。
另外，壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器5兩端或一端也可以通過球鉸或旋轉(zhuǎn)鉸與柔性菱形結(jié)構(gòu)相連接。
以上所述的微小型機(jī)器人裝置的運(yùn)動(dòng)原理均與圖1所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理相同。
本發(fā)明的柔性菱形結(jié)構(gòu)可以選擇鈹青銅材料，通過線切割加工完成，包括八個(gè)相同的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)。由于柔性鉸鏈的存在，柔性菱形結(jié)構(gòu)在較小的外力作用下就會發(fā)生構(gòu)形變化。若壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器加壓伸長，柔性菱形結(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生變形；壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器減壓縮短或撤去電壓，則柔性菱形結(jié)構(gòu)會隨之縮短或回復(fù)到初始狀態(tài)。
箝位腿外形為圓柱形，主要包括內(nèi)部用于纏繞線圈的鐵芯以及外部用于形成磁回路的鐵套。鐵套上加工了微孔用于引出內(nèi)部鐵芯上線圈的線頭。線圈通電則箝位腿吸附固定底板，線圈斷電則箝位腿松開工作臺。
權(quán)利要求
1.一種微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，含有四個(gè)連桿，四個(gè)連接塊、箝位腿，壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器；其特征在于，所述四個(gè)連桿和四個(gè)連接塊通過柔性鉸鏈構(gòu)成一個(gè)柔性菱形結(jié)構(gòu)，所述四個(gè)連接塊位于所述柔性菱形結(jié)構(gòu)的四個(gè)角上；所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器置于柔性菱形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對的連接塊之間；所述的箝位腿有四個(gè)，分別與四個(gè)連接塊固聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)的裝置，其特征在于，它含有柔性菱形結(jié)構(gòu)、壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器、箝位腿和固定底板；所述的柔性菱形結(jié)構(gòu)由四個(gè)連桿、四個(gè)連接塊和八個(gè)柔性鉸鏈連接而成，所述四個(gè)連接塊位于所述的柔性菱形結(jié)構(gòu)的四個(gè)角上；所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器置于柔性菱形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對的連接塊之間；所述的箝位腿有四個(gè)，一端分別固聯(lián)在四個(gè)連接塊的底部，另一端置于所述固定底板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器通過盈配合，嵌入到兩個(gè)相對的連接塊之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器的一端固聯(lián)在一個(gè)連接塊上，另一端通過一個(gè)滑塊和一個(gè)預(yù)緊螺栓連接在另一個(gè)相對的連接塊上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器的一端通過支撐件、橫向銷軸、軸套、縱向銷軸與一個(gè)連接塊相連，所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器的另一端通過支撐件、橫向銷軸、軸套、縱向銷軸、滑塊與和一個(gè)預(yù)緊螺栓連接在另一個(gè)相對的連接塊上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器的兩端分別通過球鉸連接在兩個(gè)相對的連接塊上。
全文摘要
一種微小型機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其裝置屬于微小型機(jī)器人技術(shù)及精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。其特征是，含有四個(gè)連桿、四個(gè)連接塊、箝位腿和壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器；四個(gè)連桿和四個(gè)連接塊通過柔性鉸鏈構(gòu)成柔性菱形結(jié)構(gòu)，四個(gè)連接塊位于柔性菱形結(jié)構(gòu)四個(gè)角上；壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器置于柔性菱形結(jié)構(gòu)兩個(gè)相對連接塊之間；箝位腿有四個(gè)，分別與四個(gè)連接塊固聯(lián)。本發(fā)明利用柔性菱形結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)，使用單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器就能實(shí)現(xiàn)微小型機(jī)器人的平面全方位運(yùn)動(dòng)。對壓電陶瓷/電致伸縮驅(qū)動(dòng)器、箝位腿進(jìn)行時(shí)序控制設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)微小型機(jī)器人沿X方向、Y方向移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)的平面三自由度運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明可用于各種微操作系統(tǒng)中的微移動(dòng)機(jī)器人。
文檔編號B25J7/00GK1586828SQ20041006897
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者閻紹澤, 秦振, 溫詩鑄, 張付興 申請人:清華大學(xué)