專利名稱：一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微操作的微小機(jī)器人運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)，屬于微小型機(jī)器人領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究對象不斷向微細(xì)化發(fā)展，對微小零件進(jìn) 行加工、調(diào)整和成本檢查，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的裝配作業(yè)等工作都需要微操作機(jī)器人的參 與。在自適應(yīng)光學(xué)、光纖對接、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，特別是動植物基因工程、農(nóng)產(chǎn)品改良育種等領(lǐng) 域，需要完成注入細(xì)胞融合、微細(xì)手術(shù)等精細(xì)操作，都離不開高精度的微操作機(jī)器人系統(tǒng)， 微操作機(jī)器人是人們探索微觀世界不可缺少的重要工具。傳統(tǒng)的微小機(jī)器人驅(qū)動方式主要有微電機(jī)驅(qū)動、壓電陶瓷驅(qū)動、電磁驅(qū)動，形狀記 憶合金驅(qū)動等。微電機(jī)驅(qū)動具有行程大、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)，但需要采用運(yùn)動傳遞裝置(軸 承、導(dǎo)軌、絲杠等)，正反回差大，重復(fù)精度較差，采用高精密傳動副價(jià)格非常昂貴。壓電陶 瓷驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、響應(yīng)快、輸出力大、無機(jī)械損耗、無磁場、無污染等優(yōu)點(diǎn)，缺 點(diǎn)是輸出位移范圍小、存在非線性和磁滯效應(yīng)，高精密的壓電陶瓷驅(qū)動裝置造價(jià)非常高，而 且在重力(Z)方向驅(qū)動時(shí)容易產(chǎn)生高頻率的振動。形狀記憶合金驅(qū)動利用特殊材料的形狀 記憶效應(yīng)為原理，具有體積小、重量輕、精度高、動作柔性好、不易受周圍環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)， 缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢。為了克服上述微機(jī)器人單純驅(qū)動結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了 面向微操作的微小型機(jī)器人，該機(jī)器人機(jī)械本體由基于宏/微復(fù)合驅(qū)動的移動定位平臺和 3自由度球基微操作器構(gòu)成，宏動部分由微電機(jī)驅(qū)動，微動部分由壓電陶瓷和電磁體配合實(shí) 現(xiàn)；上海大學(xué)研制了電磁力驅(qū)動的步進(jìn)式管內(nèi)移動微型機(jī)器人，基于雙壓電膜驅(qū)動的慣性 沖擊原理的微型機(jī)器人，不需要軟軸驅(qū)動的螺旋式小電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人；上海交通大學(xué)研 制了基于2mm微型馬達(dá)的毫米級微型移動機(jī)器人。但上述微小機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)都存在著 高成本、分辨率與行程范圍匹配問題，很難實(shí)際應(yīng)用。本文提出基于線性音圈馬達(dá)(VCM)、積層式壓電陶瓷(PZT)和電磁鐵(EM)混合驅(qū) 動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，包括平面行走模塊和縱向微動模塊。其中平面行走模塊采用積層 式壓電陶瓷(PZT)和電磁鐵(EM)聯(lián)合驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)平面Χ、Υ、Θ方向三個(gè)自由度的運(yùn)動；縱向 微動模塊采用無導(dǎo)軌軸承的線性音圈馬達(dá)(VCM)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)Z方向一個(gè)自由度的運(yùn)動。關(guān) 于使用線性音圈馬達(dá)(VCM)驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外文獻(xiàn)均未有記載。VCM具有低 成本，高加速度，快速響應(yīng)，平滑力特性等優(yōu)良性能，通過對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以克服應(yīng) 用在重力方向時(shí)由摩擦，磁滯產(chǎn)生的非線性誤差，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)精度，高線性；解決了現(xiàn)有音 圈馬達(dá)(VCM)技術(shù)中分辨率與行程范圍的矛盾。本發(fā)明以線性音圈馬達(dá)(VCM)、積層式壓電 陶瓷(PZT)和電磁鐵(EM)混合驅(qū)動作為微小機(jī)器人的驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，有效地 解決了現(xiàn)有的驅(qū)動方式中，重力方向(Ζ方向)容易產(chǎn)生的高頻率振動問題；重復(fù)精度差等 非線性問題；運(yùn)動范圍過小，分辨率與行程范圍的矛盾問題，實(shí)現(xiàn)了微小機(jī)器人平面和重力 方向的精確定位。本發(fā)明的混合驅(qū)動微小機(jī)器人可在微空間或狹窄空間中代替人類完成精密操作、檢測；也能夠組成微小機(jī)器人群，協(xié)調(diào)控制完成微細(xì)操作，為顯微操作自動化的實(shí)現(xiàn)奠定基 石出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)—種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，包括平面行走模塊和縱向微動模塊，微小機(jī) 器人總共具有四個(gè)自由度，其中平面行走模塊實(shí)現(xiàn)平面上的兩個(gè)移動自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自 由度，縱向微動模塊實(shí)現(xiàn)豎直方向的一個(gè)移動自由度，平面行走模塊直接放置于金屬平臺 上，縱向微動模塊則通過支架平臺搭載在平面行走模塊上；平面行走模塊由積層式壓電陶 瓷(PZT)和電磁鐵(EM)聯(lián)合驅(qū)動，縱向微動模塊由線性音圈馬達(dá)(VCM)驅(qū)動；所述平面行 走模塊和縱向微動模塊不需要采用傳統(tǒng)的運(yùn)動傳遞裝置(導(dǎo)軌、絲杠等)。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述平面行走模塊包括兩個(gè)U型電磁 鐵和四個(gè)積層式壓電陶瓷元件，所述兩個(gè)U型電磁鐵垂直交叉，呈“十”字型；所述四個(gè)積層 式壓電陶瓷元件呈正方形排列，且分別位于所述“十”字型劃分成的四個(gè)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)積層 式壓電陶瓷元件的兩端分別與兩個(gè)U型電磁鐵連接，整個(gè)平面行走模塊由所述兩個(gè)U型電 磁鐵支撐。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述U型電磁鐵由U型導(dǎo)磁鐵芯和繞 在U型導(dǎo)磁鐵芯兩垂直端的線圈構(gòu)成，U型導(dǎo)磁鐵芯的中段部分有凹槽。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述縱向微動模塊包括線圈、兩個(gè)永 久磁鐵、兩個(gè)簧片、前支撐架和后支撐架；所述兩個(gè)永久磁鐵安裝在前支撐架上，且兩個(gè)永 久磁鐵在豎直方向上隔開，線圈安裝在后支撐架上，且線圈位于兩個(gè)永久磁鐵之間，前支撐 架和后支撐架通過簧片連接在一起。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述后支撐架固定安裝在支架平臺 上，前支撐架的上下兩端通過簧片與后支撐架上下兩端相連接，前支撐架能沿著豎直方向 上、下自由運(yùn)動。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述簧片為彎折型，彎折處在簧片的 中部，彎折處到簧片兩端連線的距離與簧片伸直時(shí)總長度的比例為1 4 1 6。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述后支撐架上設(shè)有用于鑲嵌安裝所 述線圈的半圓型凹槽，半圓型凹槽的半徑與線圈半徑相等。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述前支撐架具有上下兩個(gè)分支，每 個(gè)分支上設(shè)有用于鑲嵌安裝所述永久磁鐵的通孔，通孔的半徑與永久磁鐵半徑相等，通孔 的深度與永久磁鐵的高度相等。上述一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，所述兩個(gè)永久磁鐵關(guān)于線圈的中心上 下對稱，且線圈的中心軸線與兩個(gè)永久磁鐵的中心軸線在同一條豎直線上，以使線圈和永 久磁鐵的磁力線分布均勻。上述的平面行走模塊的工作原理1是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)原理，即在壓電陶 瓷的極化方向施加電壓，壓電陶瓷會產(chǎn)生機(jī)械變形；當(dāng)加正向電壓時(shí)，壓電陶瓷會產(chǎn)生變形 伸長；加反向電壓時(shí)，壓電陶瓷會產(chǎn)生變形縮短；當(dāng)去掉外加電壓后，壓電陶瓷的變形隨之消失。上述的平面行走模塊的工作原理2是電磁鐵通電后，具有磁性，能吸附在金屬平 臺上；斷電后，磁性隨之消失。上述的縱向微動模塊的工作原理是，給螺線管線圈通電流，處于磁場中的線圈就 會受到力(洛倫茲力)的作用，其方向與電流方向和磁場方向均保持垂直(方向惟一)；通 電流后，螺線管線圈兩端會形成N、S兩個(gè)磁極，與永久磁鐵相互吸引或排斥。上述的縱向微動模塊的縱向移動量與驅(qū)動電流的大小在一定范圍內(nèi)近似呈線性 關(guān)系，通過調(diào)節(jié)輸入的電流信號的大小和方向，可以控制縱向微動模塊的位移量和方向。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果本發(fā)明使用線性音圈馬達(dá)(VCM)、積層式壓電陶瓷(PZT)和電磁鐵(EM)混合驅(qū)動 微小機(jī)器人，其中積層式壓電陶瓷(PZT)和電磁鐵(EM)聯(lián)合驅(qū)動平面三個(gè)方向(Χ、Υ、Θ方 向)的運(yùn)動；采用線性音圈馬達(dá)(VCM)線性驅(qū)動實(shí)現(xiàn)Z方向的運(yùn)動。本發(fā)明以線性音圈馬 達(dá)(VCM)、積層式壓電陶瓷(PZT)和電磁鐵(EM)混合驅(qū)動作為微小機(jī)器人的驅(qū)動方式，有效 地克服了單一使用壓電陶瓷驅(qū)動所導(dǎo)致的在豎直方向(Ζ方向)所產(chǎn)生的高頻率振動。本 發(fā)明提出的使用彎曲簧片的線性音圈馬達(dá)，往復(fù)運(yùn)動無摩擦力存在，克服了傳統(tǒng)音圈馬達(dá) 在負(fù)載情況下，由于滑動軸承的存在，往復(fù)運(yùn)動時(shí)摩擦力不同，導(dǎo)致的位移與輸入電流存在 滯后所產(chǎn)生的非線性問題；通過簧片彎曲度的設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有音圈馬達(dá)(VCM)技術(shù)中分 辨率與行程范圍的矛盾。本發(fā)明提出的積層式壓電陶瓷、電磁鐵和音圈馬達(dá)混合驅(qū)動型微 小機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，與現(xiàn)有的微小機(jī)器人相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低，高重復(fù)精度等優(yōu)點(diǎn)，實(shí) 現(xiàn)高分辨率的四個(gè)自由度(Χ、Υ、Ζ、θ)的微運(yùn)動。本發(fā)明提出的微小機(jī)器人結(jié)構(gòu)，體積小， 能夠組成微小機(jī)器人群，通過協(xié)調(diào)控制，完成復(fù)雜的目標(biāo)任務(wù)。


圖1為實(shí)施方式中一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施方式中平面行走模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實(shí)施方式中一個(gè)U型電磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實(shí)施方式中另一個(gè)U型電磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為實(shí)施方式中縱向微動模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施方式中各模塊的設(shè)計(jì)包括3個(gè)自由度的平面行走模塊、1個(gè)自由度的縱向 微動模塊。平面行走模塊由兩個(gè)U型電磁鐵、四個(gè)積層式壓電陶瓷元件組成。縱向微動模 塊由線圈、兩個(gè)永久磁鐵、兩個(gè)簧片、前支撐架以及后支撐架組成?？v向微動模塊通過支架 平臺搭載在平面行走模塊上。圖1為本發(fā)明一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，一種混合 驅(qū)動式微小機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)包括平面行走模塊1，縱向微動模塊2。平面行走模塊1具有 平面兩個(gè)移動自由度(Χ、Υ方向)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(Θ方向)，縱向微動模塊2具有豎直 方向(Ζ方向)一個(gè)移動自由度。具體地按微小機(jī)器人的兩個(gè)組成部分?jǐn)⑹鋈缦?.平面行走模塊1由兩個(gè)U型電磁鐵(4、5)和四個(gè)積層式壓電陶瓷元件(6、7、8和9)組成。如圖2所示為平面行走模塊1的結(jié)構(gòu)示意圖，兩個(gè)U型電磁鐵(4、5)垂直交叉， 呈“十”字型，四個(gè)積層式壓電陶瓷元件(6、7、8和9)呈正方形排列，且分別位于所述“十” 字型劃分成的四個(gè)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)積層式壓電陶瓷元件(6、7、8和9)的兩端分別與兩個(gè)U型 電磁鐵(4、5)連接，整個(gè)平面行走模塊1由兩個(gè)U型電磁鐵(4、5)支撐。上述的U型電磁鐵(4、5)由U型導(dǎo)磁鐵芯和繞在U型導(dǎo)磁鐵芯兩垂直端的線圈構(gòu) 成，U型導(dǎo)磁鐵芯的中段部分有凹槽。其中一個(gè)U型電磁鐵4的凹槽向上，如圖3所示 ’另 一個(gè)U型電磁鐵5的凹槽向下，如圖4所示。平面行走模塊1具有平面兩個(gè)移動自由度(X、Y方向)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(θ方 向)。平面行走模塊1的運(yùn)動是通過四個(gè)積層式壓電陶瓷元件(6、7、8和9)和兩個(gè)U型電 磁鐵(4、5)的相互配合來實(shí)現(xiàn)的。平面行走模塊1沿平面X方向運(yùn)動的流程為U型電磁鐵4通電，U型電磁鐵5不 通電，通電的U型電磁鐵4的腳與金屬平臺表面相吸固定，而不通電的U型電磁鐵5的腳可 以自由移動或轉(zhuǎn)動；然后給積層式壓電陶瓷元件6加正電壓，積層式壓電陶瓷元件8加負(fù)電 壓，則積層式壓電陶瓷元件6產(chǎn)生變形伸長，積層式壓電陶瓷元件8產(chǎn)生變形縮短，推動可 自由移動或轉(zhuǎn)動的U型電磁鐵5沿X方向移動一小步。然后將U型電磁鐵4斷電，U型電 磁鐵5通電，此時(shí)斷電的U型電磁鐵4可以自由移動或轉(zhuǎn)動，而通電的U型電磁鐵5的腳與 金屬平臺表面相吸固定；積層式壓電陶瓷元件(6、8)兩端不再加電壓，則積層式壓電陶瓷 元件(6、8)變?yōu)樵L，拉動可自由移動或轉(zhuǎn)動的U型電磁鐵4沿X方向移動一小步。不斷 重復(fù)上述過程，則微小機(jī)器人可以沿平面X方向做直線運(yùn)動。平面行走模塊1沿平面Y方向運(yùn)動的流程為U型電磁鐵4通電，U型電磁鐵5不 通電，通電的U型電磁鐵4的腳與金屬平臺表面相吸固定，而不通電的U型電磁鐵5的腳可 以自由移動或轉(zhuǎn)動；然后給積層式壓電陶瓷元件7加正電壓，積層式壓電陶瓷元件9加負(fù)電 壓，則積層式壓電陶瓷元件7產(chǎn)生變形伸長，積層式壓電陶瓷元件9產(chǎn)生變形縮短，推動可 自由移動或轉(zhuǎn)動的U型電磁鐵5沿Y方向移動一小步。然后將U型電磁鐵4斷電，U型電 磁鐵5通電，此時(shí)斷電的U型電磁鐵4可以自由移動或轉(zhuǎn)動，而通電的U型電磁鐵5的腳與 金屬平臺表面相吸固定；積層式壓電陶瓷元件(7、9)兩端不再加電壓，則積層式壓電陶瓷 元件(7、9)變?yōu)樵L，拉動可自由移動或轉(zhuǎn)動的U型電磁鐵4沿Y方向移動一小步。不斷 重復(fù)上述過程，則微小機(jī)器人可以沿平面Y方向做直線運(yùn)動。平面行走模塊1做平面旋轉(zhuǎn)(θ方向)運(yùn)動的流程為U型電磁鐵4通電，U型電 磁鐵5不通電，通電的U型電磁鐵4的腳與金屬平臺表面相吸固定，而不通電的U型電磁鐵 5的腳可以自由移動或轉(zhuǎn)動；然后給積層式壓電陶瓷元件(6、8)加正電壓，積層式壓電陶瓷 元件(7、9)加負(fù)電壓，則積層式壓電陶瓷元件(6、8)產(chǎn)生變形伸長，積層式壓電陶瓷元件 (7,9)產(chǎn)生變形縮短，推動可自由移動或轉(zhuǎn)動的U型電磁鐵5順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。然后將 U型電磁鐵4斷電，U型電磁鐵5通電，此時(shí)斷電的U型電磁鐵4可以自由移動或轉(zhuǎn)動，而通 電的U型電磁鐵5的腳與金屬平臺表面相吸固定；同時(shí)四個(gè)積層式壓電陶瓷元件(6、7、8和 9)兩端不再加電壓，則積層式壓電陶瓷元件(6、7、8和9)變?yōu)樵L，拖動可自由移動或轉(zhuǎn)動 的U型電磁鐵4沿著θ方向旋轉(zhuǎn)一定角度。不斷重復(fù)上述過程，則微小機(jī)器人可以做平面 旋轉(zhuǎn)(Θ方向)運(yùn)動。2.縱向微動模塊2由線圈10、兩個(gè)永久磁鐵(11、12)、兩個(gè)簧片(13、14)、前支撐架15和后支撐架16組成。如圖5所示為縱向微動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，兩個(gè)永久磁鐵(11、 12)安裝在前支撐架(15)上，且兩個(gè)永久磁鐵(11、12)在豎直方向上隔開，線圈(10)安裝 在后支撐架(16)上，且線圈(10)位于兩個(gè)永久磁鐵(11、12)之間，前支撐架(15)和后支 撐架(16)通過簧片連接在一起?？v向微動模塊2中，所述后支撐架16上設(shè)有用于鑲嵌安裝線圈10的半圓型凹槽， 半圓型凹槽的半徑與線圈10半徑相等。所述前支撐架15具有上下兩個(gè)分支，每個(gè)分支上 設(shè)有用于鑲嵌安裝永久磁鐵(11、12)的通孔，通孔的半徑與永久磁鐵(11、12)半徑相等，通 孔的深度與永久磁鐵(11、12)的高度相等。兩個(gè)永久磁鐵(11、12)關(guān)于線圈10的中心上 下對稱，且線圈10的中心軸線與兩個(gè)永久磁鐵(11、12)的中心軸線在同一條豎直線上，以 使線圈10和永久磁鐵(11、12)的磁力線分布均勻。縱向微動模塊2中，所述后支撐架16固定安裝在支架平臺3上，前支撐架15的上 下端通過簧片與后支撐架16上下兩端相連接，使得鑲嵌有永久磁鐵(11、12)的前支撐架15 能上、下自由運(yùn)動，可以有效克服傳統(tǒng)音圈馬達(dá)(VCM)移動線圈部分時(shí)，線圈導(dǎo)線的重力、 牽引力對精度的影響?？v向微動模塊2中，由簧片(13、14)傳遞運(yùn)動，可以有效避免傳統(tǒng)音 圈馬達(dá)(VCM)采用導(dǎo)軌軸承傳遞運(yùn)動所導(dǎo)致的正反回差大，重復(fù)精度差，磁滯現(xiàn)象等引起 的非線性問題。通過將簧片(13、14)彎曲，使彎折處在簧片的中部，彎折處到簧片兩端連線 的距離與簧片伸直時(shí)總長度的比例為1 4 1 6，可以有效解決現(xiàn)有音圈馬達(dá)(VCM)技 術(shù)中分辨率與行程范圍的矛盾?？v向微動模塊2中，兩個(gè)永久磁鐵(11、12)的磁極分布如圖5所示。給線圈10通 電，線圈10形成上、下兩個(gè)磁極；當(dāng)線圈10上、下磁極分別為N、S時(shí)，線圈10上方的永久 磁鐵11與線圈10相互排斥，而下方的永久磁鐵12與線圈10相互吸引，從而使得前支撐架 15豎直向上運(yùn)動；將電流反向，線圈上、下磁極分別改變?yōu)镾、N，此時(shí)上方的永久磁鐵11與 線圈10相互吸引，而下方的永久磁鐵11與線圈10相互排斥，從而使得前支撐架15豎直向 下運(yùn)動。當(dāng)線圈10與永久磁鐵(11、12)之間的磁力與前支撐架15克服簧片變形產(chǎn)生的力 相等時(shí)，前支撐桿15保持此時(shí)的位移量不變。通過調(diào)節(jié)輸入電流的大小和方向，可以控制 線圈10與永久磁鐵(11、12)之間磁力的大小和方向，從而控制前支撐架15上、下運(yùn)動的線 性位移量和方向。本發(fā)明提出的混合驅(qū)動型微小機(jī)器人，通過積層式壓電陶瓷(PZT)、電磁鐵(EM) 和線性音圈馬達(dá)(VCM)混合驅(qū)動，其中積層式壓電陶瓷(PZT)和電磁鐵(EM)聯(lián)合驅(qū)動平面 行走模塊運(yùn)動，線性音圈馬達(dá)(VCM)驅(qū)動縱向微動模塊運(yùn)動，完成微小機(jī)器人Χ、Υ、Ζ、θ方 向的四自由度運(yùn)動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、尺寸微小，能夠在微空間或狹窄空間中代替人類完成 精密操作、檢測。由上述可知，本發(fā)明提出的混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，使用積層式壓電陶 瓷(ΡΖΤ)、電磁鐵(EM)和線性音圈馬達(dá)(VCM)混合驅(qū)動微小機(jī)器人，其中積層式壓電陶瓷 (PZT)和電磁鐵(EM)聯(lián)合驅(qū)動(X、Y、θ )方向的運(yùn)動，線性音圈馬達(dá)(VCM)驅(qū)動Z方向的 運(yùn)動。采用壓電陶瓷和電磁鐵相互配合的方式驅(qū)動平面行走模塊，克服了傳統(tǒng)方式壓電元 件驅(qū)動行程小的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微小機(jī)器人平面內(nèi)全方位的運(yùn)動。縱向微動模塊由成本低、高加 速度、快速響應(yīng)的線性音圈馬達(dá)(VCM)驅(qū)動，使用簧片、線圈構(gòu)成線性音圈馬達(dá)；其往復(fù)運(yùn) 動無摩擦力存在，克服了傳統(tǒng)音圈馬達(dá)在負(fù)載情況下，由于滑動軸承的存在，往復(fù)運(yùn)動時(shí)摩擦力不同，導(dǎo)致的位移與輸入電流存在滯后的現(xiàn)象；通過簧片彎曲度的設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有音 圈馬達(dá)(VCM)技術(shù)中分辨率與行程范圍的矛盾。本發(fā)明以積層式壓電陶瓷(PZT)、電磁鐵 (EM)和線性音圈馬達(dá)(VCM)混合驅(qū)動作為微小機(jī)器人的驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，有效 地解決了現(xiàn)有的驅(qū)動方式中，重力方向(Z方向)容易產(chǎn)生的高頻率振動，重復(fù)精度差等非 線性問題；平面運(yùn)動范圍過小，分辨率與行程范圍的矛盾問題，實(shí)現(xiàn)了微小機(jī)器人平面和重 力方向的精確定位。本發(fā)明提出的壓電陶瓷和音圈馬達(dá)混合驅(qū)動型微小機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，與 現(xiàn)有的微小機(jī)器人相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、高重復(fù)精度等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高分辨率的四個(gè) 自由度(Χ、Υ、Ζ、θ)的微運(yùn)動。本發(fā)明的微小機(jī)器人可在微空間或狹窄空間中代替人類完 成精密操作、檢測；也能夠組成微小機(jī)器人群，協(xié)調(diào)控制完成微細(xì)操作，為顯微操作自動化 的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，包括平面行走模塊(1)和縱向微動模塊(2)；微小機(jī)器人總共具有四個(gè)自由度，其中平面行走模塊(1)實(shí)現(xiàn)平面上的兩個(gè)移動自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，縱向微動模塊(2)實(shí)現(xiàn)豎直方向的一個(gè)移動自由度；縱向微動模塊(2)通過支架平臺(3)搭載在平面行走模塊(1)上；平面行走模塊(1)由積層式壓電陶瓷和電磁鐵聯(lián)合驅(qū)動，縱向微動模塊(2)由線性音圈馬達(dá)驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述平面行 走模塊包括兩個(gè)U型電磁鐵和四個(gè)積層式壓電陶瓷元件，所述兩個(gè)U型電磁鐵垂直交叉，呈 “十”字型；所述四個(gè)積層式壓電陶瓷元件呈正方形排列，且分別位于所述“十”字型劃分成 的四個(gè)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)積層式壓電陶瓷元件的兩端分別與兩個(gè)U型電磁鐵連接，整個(gè)平面行 走模塊由所述兩個(gè)U型電磁鐵支撐。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述U型電 磁鐵由U型導(dǎo)磁鐵芯和繞在U型導(dǎo)磁鐵芯兩垂直端的線圈構(gòu)成，U型導(dǎo)磁鐵芯的中段部分 有凹槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述縱向微 動模塊(2)包括線圈(10)、兩個(gè)永久磁鐵(11、12)、兩個(gè)簧片(13、14)、前支撐架(15)和后 支撐架(16)；所述兩個(gè)永久磁鐵(11、12)安裝在前支撐架(15)上，且兩個(gè)永久磁鐵(11、 12)在豎直方向上隔開，線圈(10)安裝在后支撐架(16)上，且線圈(10)位于兩個(gè)永久磁鐵 (11、12)之間，前支撐架(15)和后支撐架(16)通過簧片連接在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述后支撐 架(16)固定安裝在支架平臺(3)上，前支撐架(15)的上下兩端通過簧片與后支撐架(16) 連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述簧片為 彎折型，彎折處在簧片的中部，彎折處到簧片兩端連線的距離與簧片伸直時(shí)總長度的比例 為 1 4 1 6。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述后支撐 架上設(shè)有用于鑲嵌安裝所述線圈的半圓型凹槽，半圓型凹槽的半徑與線圈半徑相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述前支撐 架具有上下兩個(gè)分支，每個(gè)分支上設(shè)有用于鑲嵌安裝所述永久磁鐵的通孔，通孔的半徑與 永久磁鐵半徑相等，通孔的深度與永久磁鐵的高度相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求4 8任一項(xiàng)所述的一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述兩個(gè)永久磁鐵關(guān)于線圈的中心上下對稱，且線圈的中心軸線與兩個(gè)永久磁鐵的中心軸 線在同一條豎直線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合驅(qū)動式微小機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，屬于微小機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。微小機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)包括平面行走模塊和縱向微動模塊。微小機(jī)器人總共具有四個(gè)自由度，其中平面行走模塊實(shí)現(xiàn)平面上的兩個(gè)移動自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，縱向微動模塊實(shí)現(xiàn)豎直方向的一個(gè)移動自由度。縱向微動模塊通過支架平臺搭載在平面行走模塊上，平面行走模塊由積層式壓電陶瓷和電磁鐵聯(lián)合驅(qū)動，縱向微動模塊由線性音圈馬達(dá)驅(qū)動。本發(fā)明有效地解決了現(xiàn)有的微小機(jī)器人驅(qū)動方式中，重力方向容易產(chǎn)生的高頻率振動、重復(fù)精度差等非線性問題；平面運(yùn)動范圍過小、分辨率與行程范圍的矛盾問題。本發(fā)明的微小機(jī)器人可在微空間或狹窄空間代替人類完成精密操作、檢測；也能夠組成微小機(jī)器人群，協(xié)調(diào)控制完成微細(xì)操作，為顯微操作自動化的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
文檔編號B25J7/00GK101947779SQ20101027158
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者吳志斌, 張勤, 杜啟亮 申請人:華南理工大學(xué)