专利名称：基于混合驱动的六自由度微小型机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电精密仪器领域，特别涉及一种基于压电和电磁混合驱动的微小型机器人，尤指一种基于混合驱动的六自由度微小型机器人。本发明能够实现六自由度精密运动及定位。对于微小型机器人的研发和精密仪器内关键零部件的高精度定位将会起到非常重要的促进作用，对微机电系统(MEMS)技术和纳米工程等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑和推动作用。
背景技术：
MEMS (Micro Electronic Mechanical System )技术是一项面向 21 世纪的高新技术，受到了许多国家的政府部门、学术界和工业界的高度重视。微小型机器人是MEMS研究开发的重要分支。微细加工技术和微型机械电子产品的出现为微小型机器人的产生奠定了基础，各种微小型机器人的研究成果不断涌现，它已成为举世瞩目的重大科技发展方向。 微小型机器人不可简单理解为普通机器人的微小化。微机器人学是一个多学科交叉的前沿学科，它以机械电子技术为基础，还涉及到化学、计算机科学、材料科学、生物科学、通信和自动控制等许多领域。微小型机器人能进入人所不及的狭小空间内作业，又不扰乱周围环境，在工业、信息处理、通讯、航空航天、航海、医学与生物工程、农业、家庭服务和保安等领域有着潜在的广阔的应用前景。由于受自身尺寸和作业空间的限制，微小型机器人难以采用常规机器人的驱动器、传动机构和执行机构。目前，国内外已有许多微小型机器人的样机问世，它们都采用了新颖的驱动方式和移动技术。这些微小型机器人大多采用压电材料、形状记忆合金和人工肌肉等智能材料作为驱动元件，可以实现高精度和高分辨率的移动或者旋转。然而，有一些微小型机器人输出稳定、精度高，但限于驱动元件的输出位移，其行程很小，仅有几十微米，限制了其应用范围； 有一些微小型机器人能够实现大行程的移动或者旋转，但承载能力较弱，并且结构复杂，整体刚度较差；还有一些微小型机器人仅仅能够实现单自由度的移动或者转动，抑或具有两、 三个自由度，不能够实现多自由度的精密运动，在一些定位要求极其精确的场合中具有很大的局限性。因此，设计开发一种精度高、行程大、承载能力较强，具有多自由度的微小型机器人很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混合驱动的六自由度微小型机器人，解决了现有技术的上述问题。其具有多种运动模式，能够实现六自由度的高频运动，具有高稳定性、高精度和大行程等优点。本发明的上述目的通过以下技术方案实现
基于混合驱动的六自由度微小型机器人，包括柔性主架18、初级位移放大机构I、11、 III、IV 3、5、12、14、次级位移放大机构 I ,IIJILIV 1、6、10、16、微型电磁铁 I ,IIJILIV 4,8、9、13、主压电叠堆17和压电叠堆I、II、III、IV2、7、11、15，所述次级位移放大机构I、11、 IIKIV 1、6、10、16分别通过螺钉19对称设置于柔性主架18的四侧，初级位移放大机构I、 II、III、IV3、5、12、14分别粘结在次级位移放大机构I、II、III、IV 1、6、10、16上，微型电磁铁 I、II、III、IV4、8、9、13通过螺钉19分别与次级位移放大机构I ,IIJILIV 1、6、10、16固定连接，主压电叠堆17设置于柔性主架18内，压电叠堆I、II JILIV 2、7、11、15分别设置于初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14内。所述的次级位移放大机构I、II JILIV 1、6、10、16均为由直角柔性铰链连接为一体的六边形结构，该次级位移放大机构I、II、III、IV 1、6、10、16的位移输入端分别与初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14的位移输出端相粘结，形成四个交叉90°的两级位移放大机构。该机构能够将安装于其内的压电叠堆I、II >IIKIV 2、7、11、15的水平方向的输出位移进行放大，并转换为竖直方向的位移输出。所述的柔性主架18的整体为一个对称结构，中部为一菱形柔性结构，当安装于其内的主压电叠堆17带电伸长时，该机构能够沿主压电叠堆17的轴向和横向同时输出位移。所述的主压电叠堆17两端的安装顶板通过正圆形柔性铰链与柔性主架18的菱形柔性结构连接为一体，当主压电叠堆17受到弯矩作用时，两端的顶板能够绕柔性铰链旋转一个小角度，使主压电叠堆17与两端的顶板始终保持为面一面接触，增强主压电叠堆17的工作寿命。所述的初级位移放大机构I、II JILIV 3、5、12、14均为由直角柔性铰链连接为一
体的矩形结构。本发明采用压电元件和电磁元件进行混合驱动，其中主压电叠堆17和压电叠堆 I、IKIIKIV 2、7、11、15的作用是驱动柔性机构变形进而输出位移，微型电磁铁I、11、111、 IV 4、8、9、13是该机器人的支撑和钳位部分。通过控制主压电叠堆17、压电叠堆I、II JIL IV 2、7、11、15和微型电磁铁I、II、III、IV 4、8、9、13驱动电压的时序来实现机器人的多种运动模式，并完成六自由度的精密运动和定位。本发明中，柔性主架18整体为一个对称结构，以保证微型机器人的中心与柔性主架18的中心相重合，增强微型机器人运动时的稳定性，其中部为菱形柔性结构，外部为四个相同的基板。当主压电叠堆17带电伸长时，柔性主架18能够沿χ方向和y方向同时输出位移，且两个方向位移量的比值与菱形结构的角度有关。主压电叠堆17两端的安装顶板通过正圆形柔性铰链与菱形柔性结构相连，两端的顶板能够绕柔性铰链旋转一个小角度， 使主压电叠堆17与两端的顶板始终保持为面一面接触，能够避免主压电叠堆17受到弯矩作用，进而提高主压电叠堆17的使用寿命。初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14为由直角柔性铰链连接为一体的矩形结构，当安装于其内的压电叠堆I、II、III、IV2、7、11、15 带电伸长时，驱动该结构的柔性铰链变形，压电叠堆I、II、III、IV2、7、11、15的变形量经一定比例放大后从该柔性结构两侧的位移输出端输出，且位移输出方向为y方向。次级位移放大机构I、II、III、IV 1、6、10、16为由直角柔性铰链连接为一体的六边形结构，其两侧的位移输入端分别与初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14的位移输出端相粘结，形成四个交叉90°的两级位移放大机构。初级位移放大机构输出的y方向位移作为输入量驱动次级位移放大机构变形，该输入量经一定比例放大后从该柔性结构上下的位移输出端输出，且位移输出方向为ζ方向。次级位移放大机构I、II、III、IV1、6、10、16的上位移输出端与柔性主架18通过螺钉19紧密固定，下位移输出端通过螺钉19分别与微型电磁铁I、II、 III、IV4、8、9、13固定连接。微型电磁铁I、II、III、IV 4、8、9、13是该机器人的支撑和钳位部分，当给微型电磁铁供电时，根据电流磁效应，将会在其周围产生一定强度的磁场。本发明涉及的微小型机器人其运动的工作平台组成材料为铁等铁磁体金属，当给微型电磁铁供电时，工作平台与微型电磁铁之间能够产生较强的吸引磁力，进而使微型电磁铁紧密贴合在工作平台上，实现钳位功能。本发明的积极效果是提出一种基于压电和电磁混合驱动的微小型机器人，其中压电叠堆是机器人的驱动部分，微型电磁铁是机器人的支撑和钳位部分。该机器人的工作平台组成材料须为铁、钴等铁磁体材料，当微型电磁铁供电时，两者之间能够产生较强的吸引磁力，微型电磁铁紧吸附在平台上，有助于增强微型机器人运动的稳定性。通过对压电叠堆和微型电磁铁提供不同的供电顺序，该机器人能够实现六自由度运动，其中χ方向移动、 y方向移动和ζ方向转动这三个自由度的行程可以实现无限大，仅取决于工作平台的尺寸， 其余三个自由度的行程取决于压电叠堆的输出位移以及机器人柔性结构的相关尺寸。微小型机器人的主体结构部分多处采用了柔性铰链，具有结构紧凑、无润滑和高精度等优点。
图1是本发明的整体结构示意2是本发明的侧视图。图中
1.次级位移放大机构I， 4.微型电磁铁I， 7.压电叠堆II， 10.次级位移放大机构III， 13.微型电磁铁IV， 16.次级位移放大机构IV，
2.压电叠堆I， 5.初级位移放大机构II， 8.微型电磁铁II， 11.压电叠堆III， 14.初级位移放大机构IV， 17.主压电叠堆，
3.初级位移放大机构I， 6.次级位移放大机构II， 9.微型电磁铁III， 12.初级位移放大机构III， 15.压电叠堆IV， 18.柔性主架，19.螺钉。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式
。参见图1及图2，本发明的基于混合驱动的六自由度微小型机器人包括柔性主架 18、初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14、次级位移放大机构I、II、III、IV 1、6、10、 16、微型电磁铁 I、II、III、IV4、8、9、13、主压电叠堆 17 和压电叠堆 I、II、III、IV 2、7、11、15， 所述次级位移放大机构I、II、III、IV 1、6、10、16分别通过螺钉19对称设置于柔性主架18 的四侧，初级位移放大机构I、II、III、IV3、5、12、14分别粘结在次级位移放大机构I、11、 III、IV 1、6、10、16上，微型电磁铁I、IIJILIV 4、8、9、13通过螺钉19分别与次级位移放大机构I、II、III、IV 1、6、10、16固定连接，主压电叠堆17设置于柔性主架18内，压电叠堆I、 II、III、IV 2、7、11、15分别设置于初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14内。所述的次级位移放大机构I、II JILIV 1、6、10、16均为由直角柔性铰链连接为一体的六边形结构，该次级位移放大机构I、II、III、IV 1、6、10、16的位移输入端分别与初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14的位移输出端相粘结，形成四个交叉90°的两级位移放大机构。该机构能够将安装于其内的压电叠堆I、II >IIKIV 2、7、11、15的水平方向的输出位移进行放大，并转换为竖直方向的位移输出。所述的柔性主架18的整体为一个对称结构，中部为一菱形柔性结构，当安装于其内的主压电叠堆17带电伸长时，该机构能够沿主压电叠堆17的轴向和横向同时输出位移。所述的主压电叠堆17两端的安装顶板通过正圆形柔性铰链与柔性主架18的菱形柔性结构连接为一体，当主压电叠堆17受到弯矩作用时，两端的顶板能够绕柔性铰链旋转一个小角度，使主压电叠堆17与两端的顶板始终保持为面一面接触，增强主压电叠堆17的工作寿命。所述的初级位移放大机构I、II、III、IV3、5、12、14均为由直角柔性铰链连接为一
体的矩形结构。本发明采用压电元件和电磁元件进行混合驱动，其中主压电叠堆17和压电叠堆 I、IKIIKIV 2、7、11、15的作用是驱动柔性机构变形进而输出位移，微型电磁铁I、11、111、 IV 4、8、9、13是该机器人的支撑和钳位部分。通过控制主压电叠堆17、压电叠堆I、11、111、 IV 2、7、11、15和微型电磁铁I、II、III、IV 4、8、9、13驱动电压的时序来实现机器人的多种运动模式，并完成六自由度的精密运动和定位。参见图1及图2，本发明的具体工作方式是
初始状态主压电叠堆17、压电叠堆I、II、III、IV2、7、11、15和微型电磁铁I、11、111、 IV 4、8、9、13均不带电，机器人由微型电磁铁I、II >IILIV 4、8、9、13支撑且处于自由状态。(1)运动模式I :x方向移动
压电叠堆I、III 2、11带电伸长，初级位移放大机构I、ΙΙΙ 3、12和次级位移放大机构I、
III1、10在其作用下发生变形，由于微型电磁铁I、ΙΙΙ4、9的支撑作用，机器人的柔性主架18 将带动初级位移放大机构II、IV 5、14、次级位移放大机构II、IV 6、16、压电叠堆II、IV 7、15 和微型电磁铁II、IV 8、13整体沿ζ方向上升一个高度，此时机器人由微型电磁铁I、III 4、9 支撑；给微型电磁铁I 4供电，由于电流磁效应，微型电磁铁I 4将紧紧的吸附在工作平台上，进而实现钳位作用；主压电叠堆17带电伸长，柔性主架18在其作用下发生变形，带动初级位移放大机构III12、次级位移放大机构III10、压电叠堆III 11和微型电磁铁III9沿χ方向移动一个微步长；给微型电磁铁III 9供电，微型电磁铁III 9吸附在工作平台上，之后给微型电磁铁I 4断电，此时机器人的钳位由微型电磁铁III9来实现；随后，主压电叠堆17断电回缩，柔性主架18恢复原状，带动初级位移放大机构I 3、次级位移放大机构I 1、压电叠堆 I 2和微型电磁铁I 4沿X方向移动一个微步长；给微型电磁铁I 4供电，微型电磁铁I 4 吸附在工作平台上，之后给微型电磁铁ΙΙΙ9断电，此时机器人的钳位由微型电磁铁I 4来实现。以上是机器人沿χ方向移动的一个工作周期，运动时需要将微型电磁铁II、IV8、13处于悬空状态，以防止运动时对机器人有y方向的扰动。该机器人工作时具有严格的电压时序要求，并且在高频驱动电压下能够沿χ方向快速移动。(2)运动模式II :y方向移动
压电叠堆II、IV 7、15带电伸长，初级位移放大机构II、IV 5、14和次级位移放大机构II、
IV6、16在其作用下发生变形，由于微型电磁铁II、IV 8、13的支撑作用，机器人的柔性主架 18将带动初级位移放大机构I、III 3、12、次级位移放大机构I、ΙΙΙ 1、10、压电叠堆I、ΙΙΙ 2、11和微型电磁铁I、III4、9整体沿Z方向上升一个高度，此时机器人由微型电磁铁II、IV 8、 13支撑；给微型电磁铁IV 13供电，由于电流磁效应，微型电磁铁IV 13将紧紧的吸附在工作平台上，进而实现钳位作用；主压电叠堆17带电伸长，柔性主架18在其作用下发生变形，带动初级位移放大机构IV 14、次级位移放大机构IV 16、压电叠堆IV 15和微型电磁铁IV 13沿y 方向移动一个微步长；给微型电磁铁II 8供电，微型电磁铁II 8吸附在工作平台上，之后给微型电磁铁IV 13断电，此时机器人的钳位由微型电磁铁II 8来实现；随后，主压电叠堆17 断电回缩，柔性主架18恢复原状，带动初级位移放大机构IV 14、次级位移放大机构IV 16、压电叠堆IV 15和微型电磁铁IV 13沿y方向移动一个微步长；给微型电磁铁II 8供电，微型电磁铁II 8吸附在工作平台上，之后给微型电磁铁IV 13断电，此时机器人的钳位由微型电磁铁II 8来实现。以上是机器人沿y方向移动的一个工作周期，运动时需要将微型电磁铁I、
III4、9处于悬空状态，以防止运动时对机器人有X方向的扰动。该机器人工作时具有严格的电压时序要求，并且在高频驱动电压下能够沿y方向快速移动。(3)运动模式III :z方向移动
给微型电磁铁I、II、III、IV 4、8、9、13供电，由于电流磁效应所产生的吸引磁力，机器人将会紧密吸附在工作平台上，并由微型电磁铁I、II、III、IV4、8、9、13同时支撑；压电叠堆I、II、III、IV2、7、11、15带电伸长，初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14和次级位移放大机构I、II >IIKIV 1、6、10、16在其作用下发生变形；由于微型电磁铁I、II JILIV 4、 8、9、13的支撑作用，次级位移放大机构I、II >IILIV 1、6、10、16的ζ向变形将会带动柔性主架18沿ζ向移动。机器人ζ向移动的行程取决于压电叠堆I、II、III、IV2、7、11、15的最大输出位移以及初级位移放大机构I、II、III、IV 3、5、12、14和次级位移放大机构I、II、111、
IV1、6、10、16结合形成的两级位移放大机构的位移放大比。(4)运动模式IV :x方向转动
给微型电磁铁II 8供电，由于电流磁效应所产生的吸引磁力，将会紧密吸附在工作平台上，此时机器人由微型电磁铁I、II、III、IV4、8、9、13同时支撑；压电叠堆II 7带电伸长， 初级位移放大机构II 5和次级位移放大机构II 6在其作用下发生变形；由于微型电磁铁 II 8的支撑作用，柔性主架18的这一侧沿Z向上升一个微长度；由于柔性主架18安装有微型电磁铁IV 13的另一侧Z向高度保持不变，柔性主架18将会并带动主压电叠堆17、初级位移放大机构I、III3、12、次级位移放大机构I、ΙΙΙ1、10和压电叠堆I、ΙΙΙ2、11和微型电磁铁
I、ΙΙΙ4、9一起绕X方向转动。机器人绕X方向转动的角度大小取决于压电叠堆II 7的最大输出位移，初级位移放大机构II 5和次级位移放大机构II 6结合形成的两级位移放大机构的位移放大比和柔性主架18上安装微型电磁铁II、IV 8、13两侧基板的中心距离。(5)运动模式V :y方向转动
给微型电磁铁I 4供电，由于电流磁效应所产生的吸引磁力，将会紧密吸附在工作平台上，此时机器人由微型电磁铁I、II >IIKIV 4、8、9、13同时支撑；压电叠堆I 2带电伸长， 初级位移放大机构I 3和次级位移放大机构I 1在其作用下发生变形；由于微型电磁铁 I 4的支撑作用，柔性主架18的这一侧沿Z向上升一个微长度；由于柔性主架18安装有微型电磁铁III 9的另一侧Z向高度保持不变，柔性主架18将会并带动主压电叠堆17、初级位移放大机构II、IV 5、14、次级位移放大机构II、IV 6、16和压电叠堆II、IV 7、15和微型电磁铁
II、IV8、13—起绕y方向转动。机器人绕y方向转动的角度大小取决于压电叠堆I2的最大输出位移，初级位移放大机构I 3和次级位移放大机构I 1结合形成的两级位移放大机构的位移放大比以及柔性主架18上安装微型电磁铁I、III 4、9两侧基板的中心距离。
(6)运动模式VI :ζ方向转动
给微型电磁铁I、II 4、8供电，由于电流磁效应所产生的吸引磁力，微型电磁铁I、 II 4、8将紧密吸附在工作平台上；压电叠堆I、11 2、7带电伸长，初级位移放大机构I、 II 3、5和次级位移放大机构I、II 1、6在其作用下发生变形，由于微型电磁铁I、II 4、8的支撑作用，机器人的柔性主架18将带动主压电叠堆17、初级位移放大机构III、IV 12、14、次级位移放大机构III、IV 10、16、压电叠堆III、IV 11、15和微型电磁铁III、IV 9、13整体沿ζ方向上升，此时机器人由微型电磁铁I、II 4、8支撑；主压电叠堆17带电伸长，柔性主架在其作用下发生变形，并绕微型电磁铁I 4旋转一个微角度；压电叠堆III 11带电伸长，初级位移放大机构III 12和次级位移放大机构III 10在其作用下发生变形，带动微型电磁铁III 9沿ζ方向下降并与工作平台接触；给微型电磁铁III 9供电，由于电流磁效应，微型电磁铁III 9将吸附在工作平台上；然后给微型电磁铁I 4和压电叠堆I 2断电，初级位移放大机构I 3和次级位移放大机构I 1恢复原状，带动微型电磁铁I 4沿ζ方向上升，与工作平台脱离接触， 此时机器人的钳位由微型电磁铁II、ΙΙΙ8、9来实现；主压电叠堆17断电回缩，柔性主架18 恢复原状，并且绕微型电磁铁II 8旋转一个微角度；压电叠堆I 2带电伸长，初级位移放大机构I 3和次级位移放大机构I 1在其作用下发生变形，带动微型电磁铁I 4沿ζ方向下降并与工作平台接触；给微型电磁铁I 4供电，由于电流磁效应，微型电磁铁I 4将吸附在工作平台上；然后给微型电磁铁III8和压电叠堆III 11断电，初级位移放大机构III12和次级位移放大机构III10恢复原状，带动微型电磁铁III9沿ζ方向上升，与工作平台脱离接触，此时机器人的钳位和支撑再次由微型电磁铁I、II 4、8来实现。以上是机器人完成绕ζ方向转动的一个工作周期，通过多次重复此运动过程，机器人可以实现任意角度的转动。
权利要求
1.一种基于混合驱动的六自由度微小型机器人，其特征在于包括柔性主架(18)、初级位移放大机构 I、II、III、IV(3、5、12、14)、次级位移放大机构 I、II、III、IV (1、6、10、16)、 微型电磁铁I、II、III、IV(4、8、9、13)、主压电叠堆(17)和压电叠堆I、II、III、IV (2、7、11、 15)，所述次级位移放大机构I、II、III、IV(1、6、10、16)分别通过螺钉(19)对称设置于柔性主架(18)的四侧，初级位移放大机构I、II、III、IV(3、5、12、14)分别粘结在次级位移放大机构 I、II、III、IV(1、6、10、16)上，微型电磁铁 I、II、III、IV(4、8、9、13)通过螺钉(19)分别与次级位移放大机构I、II、III、IV(1、6、10、16)固定连接，主压电叠堆(17)设置于柔性主架(18)内，压电叠堆I、II、III、IV(2、7、11、15)分别设置于初级位移放大机构I ,IIJILIV (3、5、12、14)内。
2.根据权利要求1所述的基于混合驱动的六自由度微小型机器人，其特征在于所述的次级位移放大机构I、II、III、IV(1、6、10、16)均为由直角柔性铰链连接为一体的六边形结构，该次级位移放大机构I、II、III、IV(1、6、10、16)的位移输入端分别与初级位移放大机构I、II、III、IV(3、5、12、14)的位移输出端相粘结，形成四个交叉90°的两级位移放大机构。
3.根据权利要求1所述的基于混合驱动的六自由度微小型机器人，其特征在于所述的柔性主架(18)的整体为一个对称结构，中部为一菱形柔性结构。
4.根据权利要求1所述的基于混合驱动的六自由度微小型机器人，其特征在于所述的主压电叠堆(17)两端的安装顶板通过正圆形柔性铰链与柔性主架(18)的菱形柔性结构连接为一体。
5.根据权利要求1或2所述的基于混合驱动的六自由度微小型机器人，其特征在于 所述的初级位移放大机构I、II、III、IV(3、5、12、14)均为由直角柔性铰链连接为一体的矩形结构。
全文摘要
本发明涉及一种基于混合驱动的六自由度微小型机器人，属于微机电精密仪器领域。其主要由柔性主架、初级位移放大机构、次级位移放大机构、压电叠堆和微型电磁铁组成。压电叠堆是微型机器人的驱动部分，安装于主架和初级位移放大机构内。次级位移放大机构与初级位移放大机构粘结为一体，形成两级位移放大机构，能够将压电叠堆的输出位移进行大比例的放大。次级位移放大机构通过螺钉对称安装于柔性主架四侧的基板上，与柔性主架形成固定配合。微型电磁铁通过螺钉与次级位移放大机构相连，是机器人的支撑和钳位部分。本发明基于压电和电磁混合驱动，能够实现六自由度精密运动及定位，具有大行程、高分辨率等优点。
文档编号B25J7/00GK102284955SQ201110205928
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者任露泉, 傅璐, 刘长胜, 史成利, 曲涵, 李建平, 胡晓利, 赵宏伟, 赵波, 黄虎 申请人:吉林大学