专利名称：一种混合驱动式微小机器人的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于微操作的微小机器人运动驱动机构，属于微小型机器人领域。
背景技术：
近年来，随着微纳米技术的迅猛发展，研究对象不断向微细化发展，对微小零件进 行加工、调整和成本检查，微机电系统(MEMS)的装配作业等工作都需要微操作机器人的参 与。在自适应光学、光纤对接、医学、生物学，特别是动植物基因工程、农产品改良育种等领 域，需要完成注入细胞融合、微细手术等精细操作，都离不开高精度的微操作机器人系统， 微操作机器人是人们探索微观世界不可缺少的重要工具。传统的微小机器人驱动方式主要有微电机驱动、压电陶瓷驱动、电磁驱动，形状记 忆合金驱动等。微电机驱动具有行程大、输出力大等优点，但需要采用运动传递装置(轴 承、导轨、丝杠等)，正反回差大，重复精度较差，采用高精密传动副价格非常昂贵。压电陶 瓷驱动具有结构紧凑、分辨率高、响应快、输出力大、无机械损耗、无磁场、无污染等优点，缺 点是输出位移范围小、存在非线性和磁滞效应，高精密的压电陶瓷驱动装置造价非常高，而 且在重力(Z)方向驱动时容易产生高频率的振动。形状记忆合金驱动利用特殊材料的形状 记忆效应为原理，具有体积小、重量轻、精度高、动作柔性好、不易受周围环境影响等优点， 缺点是响应速度慢。为了克服上述微机器人单纯驱动结构的缺点，哈尔滨工业大学研制了 面向微操作的微小型机器人，该机器人机械本体由基于宏/微复合驱动的移动定位平台和 3自由度球基微操作器构成，宏动部分由微电机驱动，微动部分由压电陶瓷和电磁体配合实 现；上海大学研制了电磁力驱动的步进式管内移动微型机器人，基于双压电膜驱动的惯性 冲击原理的微型机器人，不需要软轴驱动的螺旋式小电机驱动的机器人；上海交通大学研 制了基于2mm微型马达的毫米级微型移动机器人。但上述微小机器人的驱动系统都存在着 高成本、分辨率与行程范围匹配问题，很难实际应用。本文提出基于线性音圈马达(VCM)、积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)混合驱 动式微小机器人的结构，包括平面行走模块和纵向微动模块。其中平面行走模块采用积层 式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)联合驱动，实现平面Χ、Υ、Θ方向三个自由度的运动；纵向 微动模块采用无导轨轴承的线性音圈马达(VCM)驱动，实现Z方向一个自由度的运动。关 于使用线性音圈马达(VCM)驱动式微小机器人的结构，国内外文献均未有记载。VCM具有低 成本，高加速度，快速响应，平滑力特性等优良性能，通过对其结构的优化设计，可以克服应 用在重力方向时由摩擦，磁滞产生的非线性误差，实现高重复精度，高线性；解决了现有音 圈马达(VCM)技术中分辨率与行程范围的矛盾。本发明以线性音圈马达(VCM)、积层式压电 陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)混合驱动作为微小机器人的驱动方式，结构简单、尺寸小，有效地 解决了现有的驱动方式中，重力方向(Ζ方向)容易产生的高频率振动问题；重复精度差等 非线性问题；运动范围过小，分辨率与行程范围的矛盾问题，实现了微小机器人平面和重力 方向的精确定位。本发明的混合驱动微小机器人可在微空间或狭窄空间中代替人类完成精密操作、检测；也能够组成微小机器人群，协调控制完成微细操作，为显微操作自动化的实现奠定基 石出。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种混合驱动式微小机器人 的结构，本发明的目的通过如下技术方案实现—种混合驱动式微小机器人的结构，包括平面行走模块和纵向微动模块，微小机 器人总共具有四个自由度，其中平面行走模块实现平面上的两个移动自由度和一个旋转自 由度，纵向微动模块实现竖直方向的一个移动自由度，平面行走模块直接放置于金属平台 上，纵向微动模块则通过支架平台搭载在平面行走模块上；平面行走模块由积层式压电陶 瓷(PZT)和电磁铁(EM)联合驱动，纵向微动模块由线性音圈马达(VCM)驱动；所述平面行 走模块和纵向微动模块不需要采用传统的运动传递装置(导轨、丝杠等)。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述平面行走模块包括两个U型电磁 铁和四个积层式压电陶瓷元件，所述两个U型电磁铁垂直交叉，呈“十”字型；所述四个积层 式压电陶瓷元件呈正方形排列，且分别位于所述“十”字型划分成的四个区域内，每个积层 式压电陶瓷元件的两端分别与两个U型电磁铁连接，整个平面行走模块由所述两个U型电 磁铁支撑。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述U型电磁铁由U型导磁铁芯和绕 在U型导磁铁芯两垂直端的线圈构成，U型导磁铁芯的中段部分有凹槽。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述纵向微动模块包括线圈、两个永 久磁铁、两个簧片、前支撑架和后支撑架；所述两个永久磁铁安装在前支撑架上，且两个永 久磁铁在竖直方向上隔开，线圈安装在后支撑架上，且线圈位于两个永久磁铁之间，前支撑 架和后支撑架通过簧片连接在一起。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述后支撑架固定安装在支架平台 上，前支撑架的上下两端通过簧片与后支撑架上下两端相连接，前支撑架能沿着竖直方向 上、下自由运动。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述簧片为弯折型，弯折处在簧片的 中部，弯折处到簧片两端连线的距离与簧片伸直时总长度的比例为1 4 1 6。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述后支撑架上设有用于镶嵌安装所 述线圈的半圆型凹槽，半圆型凹槽的半径与线圈半径相等。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述前支撑架具有上下两个分支，每 个分支上设有用于镶嵌安装所述永久磁铁的通孔，通孔的半径与永久磁铁半径相等，通孔 的深度与永久磁铁的高度相等。上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述两个永久磁铁关于线圈的中心上 下对称，且线圈的中心轴线与两个永久磁铁的中心轴线在同一条竖直线上，以使线圈和永 久磁铁的磁力线分布均勻。上述的平面行走模块的工作原理1是压电陶瓷的逆压电效应原理，即在压电陶 瓷的极化方向施加电压，压电陶瓷会产生机械变形；当加正向电压时，压电陶瓷会产生变形 伸长；加反向电压时，压电陶瓷会产生变形缩短；当去掉外加电压后，压电陶瓷的变形随之消失。上述的平面行走模块的工作原理2是电磁铁通电后，具有磁性，能吸附在金属平 台上；断电后，磁性随之消失。上述的纵向微动模块的工作原理是，给螺线管线圈通电流，处于磁场中的线圈就 会受到力(洛伦兹力)的作用，其方向与电流方向和磁场方向均保持垂直(方向惟一)；通 电流后，螺线管线圈两端会形成N、S两个磁极，与永久磁铁相互吸引或排斥。上述的纵向微动模块的纵向移动量与驱动电流的大小在一定范围内近似呈线性 关系，通过调节输入的电流信号的大小和方向，可以控制纵向微动模块的位移量和方向。与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果本发明使用线性音圈马达(VCM)、积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)混合驱动 微小机器人，其中积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)联合驱动平面三个方向(Χ、Υ、Θ方 向)的运动；采用线性音圈马达(VCM)线性驱动实现Z方向的运动。本发明以线性音圈马 达(VCM)、积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)混合驱动作为微小机器人的驱动方式，有效 地克服了单一使用压电陶瓷驱动所导致的在竖直方向(Ζ方向)所产生的高频率振动。本 发明提出的使用弯曲簧片的线性音圈马达，往复运动无摩擦力存在，克服了传统音圈马达 在负载情况下，由于滑动轴承的存在，往复运动时摩擦力不同，导致的位移与输入电流存在 滞后所产生的非线性问题；通过簧片弯曲度的设计，解决了现有音圈马达(VCM)技术中分 辨率与行程范围的矛盾。本发明提出的积层式压电陶瓷、电磁铁和音圈马达混合驱动型微 小机器人的机构，与现有的微小机器人相比，具有结构简单、成本低，高重复精度等优点，实 现高分辨率的四个自由度(Χ、Υ、Ζ、θ)的微运动。本发明提出的微小机器人结构，体积小， 能够组成微小机器人群，通过协调控制，完成复杂的目标任务。
图1为实施方式中一种混合驱动式微小机器人的结构示意图。图2为实施方式中平面行走模块结构示意图。图3为实施方式中一个U型电磁铁的结构示意图。图4为实施方式中另一个U型电磁铁的结构示意图。图5为实施方式中纵向微动模块结构示意图。
具体实施例方式本实施方式中各模块的设计包括3个自由度的平面行走模块、1个自由度的纵向 微动模块。平面行走模块由两个U型电磁铁、四个积层式压电陶瓷元件组成。纵向微动模 块由线圈、两个永久磁铁、两个簧片、前支撑架以及后支撑架组成。纵向微动模块通过支架 平台搭载在平面行走模块上。图1为本发明一种混合驱动式微小机器人的结构示意图。如图1所示，一种混合 驱动式微小机器人的主体结构包括平面行走模块1，纵向微动模块2。平面行走模块1具有 平面两个移动自由度(Χ、Υ方向)和一个旋转自由度(Θ方向)，纵向微动模块2具有竖直 方向(Ζ方向)一个移动自由度。具体地按微小机器人的两个组成部分叙述如下1.平面行走模块1由两个U型电磁铁(4、5)和四个积层式压电陶瓷元件(6、7、8和9)组成。如图2所示为平面行走模块1的结构示意图，两个U型电磁铁(4、5)垂直交叉， 呈“十”字型，四个积层式压电陶瓷元件(6、7、8和9)呈正方形排列，且分别位于所述“十” 字型划分成的四个区域内，每个积层式压电陶瓷元件(6、7、8和9)的两端分别与两个U型 电磁铁(4、5)连接，整个平面行走模块1由两个U型电磁铁(4、5)支撑。上述的U型电磁铁(4、5)由U型导磁铁芯和绕在U型导磁铁芯两垂直端的线圈构 成，U型导磁铁芯的中段部分有凹槽。其中一个U型电磁铁4的凹槽向上，如图3所示 ’另 一个U型电磁铁5的凹槽向下，如图4所示。平面行走模块1具有平面两个移动自由度(X、Y方向)和一个旋转自由度(θ方 向)。平面行走模块1的运动是通过四个积层式压电陶瓷元件(6、7、8和9)和两个U型电 磁铁(4、5)的相互配合来实现的。平面行走模块1沿平面X方向运动的流程为U型电磁铁4通电，U型电磁铁5不 通电，通电的U型电磁铁4的脚与金属平台表面相吸固定，而不通电的U型电磁铁5的脚可 以自由移动或转动；然后给积层式压电陶瓷元件6加正电压，积层式压电陶瓷元件8加负电 压，则积层式压电陶瓷元件6产生变形伸长，积层式压电陶瓷元件8产生变形缩短，推动可 自由移动或转动的U型电磁铁5沿X方向移动一小步。然后将U型电磁铁4断电，U型电 磁铁5通电，此时断电的U型电磁铁4可以自由移动或转动，而通电的U型电磁铁5的脚与 金属平台表面相吸固定；积层式压电陶瓷元件(6、8)两端不再加电压，则积层式压电陶瓷 元件(6、8)变为原长，拉动可自由移动或转动的U型电磁铁4沿X方向移动一小步。不断 重复上述过程，则微小机器人可以沿平面X方向做直线运动。平面行走模块1沿平面Y方向运动的流程为U型电磁铁4通电，U型电磁铁5不 通电，通电的U型电磁铁4的脚与金属平台表面相吸固定，而不通电的U型电磁铁5的脚可 以自由移动或转动；然后给积层式压电陶瓷元件7加正电压，积层式压电陶瓷元件9加负电 压，则积层式压电陶瓷元件7产生变形伸长，积层式压电陶瓷元件9产生变形缩短，推动可 自由移动或转动的U型电磁铁5沿Y方向移动一小步。然后将U型电磁铁4断电，U型电 磁铁5通电，此时断电的U型电磁铁4可以自由移动或转动，而通电的U型电磁铁5的脚与 金属平台表面相吸固定；积层式压电陶瓷元件(7、9)两端不再加电压，则积层式压电陶瓷 元件(7、9)变为原长，拉动可自由移动或转动的U型电磁铁4沿Y方向移动一小步。不断 重复上述过程，则微小机器人可以沿平面Y方向做直线运动。平面行走模块1做平面旋转(θ方向)运动的流程为U型电磁铁4通电，U型电 磁铁5不通电，通电的U型电磁铁4的脚与金属平台表面相吸固定，而不通电的U型电磁铁 5的脚可以自由移动或转动；然后给积层式压电陶瓷元件(6、8)加正电压，积层式压电陶瓷 元件(7、9)加负电压，则积层式压电陶瓷元件(6、8)产生变形伸长，积层式压电陶瓷元件 (7,9)产生变形缩短，推动可自由移动或转动的U型电磁铁5顺时针旋转一定角度。然后将 U型电磁铁4断电，U型电磁铁5通电，此时断电的U型电磁铁4可以自由移动或转动，而通 电的U型电磁铁5的脚与金属平台表面相吸固定；同时四个积层式压电陶瓷元件(6、7、8和 9)两端不再加电压，则积层式压电陶瓷元件(6、7、8和9)变为原长，拖动可自由移动或转动 的U型电磁铁4沿着θ方向旋转一定角度。不断重复上述过程，则微小机器人可以做平面 旋转(Θ方向)运动。2.纵向微动模块2由线圈10、两个永久磁铁(11、12)、两个簧片(13、14)、前支撑架15和后支撑架16组成。如图5所示为纵向微动模块的结构示意图，两个永久磁铁(11、 12)安装在前支撑架(15)上，且两个永久磁铁(11、12)在竖直方向上隔开，线圈(10)安装 在后支撑架(16)上，且线圈(10)位于两个永久磁铁(11、12)之间，前支撑架(15)和后支 撑架(16)通过簧片连接在一起。纵向微动模块2中，所述后支撑架16上设有用于镶嵌安装线圈10的半圆型凹槽， 半圆型凹槽的半径与线圈10半径相等。所述前支撑架15具有上下两个分支，每个分支上 设有用于镶嵌安装永久磁铁(11、12)的通孔，通孔的半径与永久磁铁(11、12)半径相等，通 孔的深度与永久磁铁(11、12)的高度相等。两个永久磁铁(11、12)关于线圈10的中心上 下对称，且线圈10的中心轴线与两个永久磁铁(11、12)的中心轴线在同一条竖直线上，以 使线圈10和永久磁铁(11、12)的磁力线分布均勻。纵向微动模块2中，所述后支撑架16固定安装在支架平台3上，前支撑架15的上 下端通过簧片与后支撑架16上下两端相连接，使得镶嵌有永久磁铁(11、12)的前支撑架15 能上、下自由运动，可以有效克服传统音圈马达(VCM)移动线圈部分时，线圈导线的重力、 牵引力对精度的影响。纵向微动模块2中，由簧片(13、14)传递运动，可以有效避免传统音 圈马达(VCM)采用导轨轴承传递运动所导致的正反回差大，重复精度差，磁滞现象等引起 的非线性问题。通过将簧片(13、14)弯曲，使弯折处在簧片的中部，弯折处到簧片两端连线 的距离与簧片伸直时总长度的比例为1 4 1 6，可以有效解决现有音圈马达(VCM)技 术中分辨率与行程范围的矛盾。纵向微动模块2中，两个永久磁铁(11、12)的磁极分布如图5所示。给线圈10通 电，线圈10形成上、下两个磁极；当线圈10上、下磁极分别为N、S时，线圈10上方的永久 磁铁11与线圈10相互排斥，而下方的永久磁铁12与线圈10相互吸引，从而使得前支撑架 15竖直向上运动；将电流反向，线圈上、下磁极分别改变为S、N，此时上方的永久磁铁11与 线圈10相互吸引，而下方的永久磁铁11与线圈10相互排斥，从而使得前支撑架15竖直向 下运动。当线圈10与永久磁铁(11、12)之间的磁力与前支撑架15克服簧片变形产生的力 相等时，前支撑杆15保持此时的位移量不变。通过调节输入电流的大小和方向，可以控制 线圈10与永久磁铁(11、12)之间磁力的大小和方向，从而控制前支撑架15上、下运动的线 性位移量和方向。本发明提出的混合驱动型微小机器人，通过积层式压电陶瓷(PZT)、电磁铁(EM) 和线性音圈马达(VCM)混合驱动，其中积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)联合驱动平面 行走模块运动，线性音圈马达(VCM)驱动纵向微动模块运动，完成微小机器人Χ、Υ、Ζ、θ方 向的四自由度运动。本发明结构简单、尺寸微小，能够在微空间或狭窄空间中代替人类完成 精密操作、检测。由上述可知，本发明提出的混合驱动式微小机器人的结构，使用积层式压电陶 瓷(ΡΖΤ)、电磁铁(EM)和线性音圈马达(VCM)混合驱动微小机器人，其中积层式压电陶瓷 (PZT)和电磁铁(EM)联合驱动(X、Y、θ )方向的运动，线性音圈马达(VCM)驱动Z方向的 运动。采用压电陶瓷和电磁铁相互配合的方式驱动平面行走模块，克服了传统方式压电元 件驱动行程小的缺点，实现微小机器人平面内全方位的运动。纵向微动模块由成本低、高加 速度、快速响应的线性音圈马达(VCM)驱动，使用簧片、线圈构成线性音圈马达；其往复运 动无摩擦力存在，克服了传统音圈马达在负载情况下，由于滑动轴承的存在，往复运动时摩擦力不同，导致的位移与输入电流存在滞后的现象；通过簧片弯曲度的设计，解决了现有音 圈马达(VCM)技术中分辨率与行程范围的矛盾。本发明以积层式压电陶瓷(PZT)、电磁铁 (EM)和线性音圈马达(VCM)混合驱动作为微小机器人的驱动方式，结构简单、尺寸小，有效 地解决了现有的驱动方式中，重力方向(Z方向)容易产生的高频率振动，重复精度差等非 线性问题；平面运动范围过小，分辨率与行程范围的矛盾问题，实现了微小机器人平面和重 力方向的精确定位。本发明提出的压电陶瓷和音圈马达混合驱动型微小机器人的机构，与 现有的微小机器人相比，具有结构简单、成本低、高重复精度等优点，实现高分辨率的四个 自由度(Χ、Υ、Ζ、θ)的微运动。本发明的微小机器人可在微空间或狭窄空间中代替人类完 成精密操作、检测；也能够组成微小机器人群，协调控制完成微细操作，为显微操作自动化 的实现奠定基础。
权利要求
一种混合驱动式微小机器人的结构，包括平面行走模块(1)和纵向微动模块(2)；微小机器人总共具有四个自由度，其中平面行走模块(1)实现平面上的两个移动自由度和一个旋转自由度，纵向微动模块(2)实现竖直方向的一个移动自由度；纵向微动模块(2)通过支架平台(3)搭载在平面行走模块(1)上；平面行走模块(1)由积层式压电陶瓷和电磁铁联合驱动，纵向微动模块(2)由线性音圈马达驱动。
2.根据权利要求1所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于所述平面行 走模块包括两个U型电磁铁和四个积层式压电陶瓷元件，所述两个U型电磁铁垂直交叉，呈 “十”字型；所述四个积层式压电陶瓷元件呈正方形排列，且分别位于所述“十”字型划分成 的四个区域内，每个积层式压电陶瓷元件的两端分别与两个U型电磁铁连接，整个平面行 走模块由所述两个U型电磁铁支撑。
3.根据权利要求2所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于所述U型电 磁铁由U型导磁铁芯和绕在U型导磁铁芯两垂直端的线圈构成，U型导磁铁芯的中段部分 有凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于所述纵向微 动模块(2)包括线圈(10)、两个永久磁铁(11、12)、两个簧片(13、14)、前支撑架(15)和后 支撑架(16)；所述两个永久磁铁(11、12)安装在前支撑架(15)上，且两个永久磁铁(11、 12)在竖直方向上隔开，线圈(10)安装在后支撑架(16)上，且线圈(10)位于两个永久磁铁 (11、12)之间，前支撑架(15)和后支撑架(16)通过簧片连接在一起。
5.根据权利要求4所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于所述后支撑 架(16)固定安装在支架平台(3)上，前支撑架(15)的上下两端通过簧片与后支撑架(16) 连接。
6.根据权利要求4所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于所述簧片为 弯折型，弯折处在簧片的中部，弯折处到簧片两端连线的距离与簧片伸直时总长度的比例 为 1 4 1 6。
7.根据权利要求4所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于所述后支撑 架上设有用于镶嵌安装所述线圈的半圆型凹槽，半圆型凹槽的半径与线圈半径相等。
8.根据权利要求4所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于所述前支撑 架具有上下两个分支，每个分支上设有用于镶嵌安装所述永久磁铁的通孔，通孔的半径与 永久磁铁半径相等，通孔的深度与永久磁铁的高度相等。
9.根据权利要求4 8任一项所述的一种混合驱动式微小机器人的结构，其特征在于 所述两个永久磁铁关于线圈的中心上下对称，且线圈的中心轴线与两个永久磁铁的中心轴 线在同一条竖直线上。
全文摘要
本发明涉及一种混合驱动式微小机器人的结构，属于微小机器人技术领域。微小机器人的整体结构包括平面行走模块和纵向微动模块。微小机器人总共具有四个自由度，其中平面行走模块实现平面上的两个移动自由度和一个旋转自由度，纵向微动模块实现竖直方向的一个移动自由度。纵向微动模块通过支架平台搭载在平面行走模块上，平面行走模块由积层式压电陶瓷和电磁铁联合驱动，纵向微动模块由线性音圈马达驱动。本发明有效地解决了现有的微小机器人驱动方式中，重力方向容易产生的高频率振动、重复精度差等非线性问题；平面运动范围过小、分辨率与行程范围的矛盾问题。本发明的微小机器人可在微空间或狭窄空间代替人类完成精密操作、检测；也能够组成微小机器人群，协调控制完成微细操作，为显微操作自动化的实现奠定基础。
文档编号B25J7/00GK101947779SQ20101027158
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者吴志斌, 张勤, 杜启亮 申请人:华南理工大学