一种微型步行机器人及其驱动方法
【专利摘要】本发明公开了一种微型步行机器人及其驱动方法，它包括前端、后端、导轨、机体和直线步进电机。前端和后端均为方块结构，加工有两个定位孔；导轨为细长圆柱，用于固定前端和后端并使得机体能沿导轨自由运动；机体整体呈方块形，加工有导轨槽和电机槽；驱动电机采用微型压电步进电机。本发明可以独立行走与各种不同的表面，对表面粗糙度，硬度有非常好的适应能力；采用压电步进电机驱动，具有很高的输出力和输出速度；结构简单，可以完全自动化3d打印加工，成本低廉。
【专利说明】一种微型步行机器人及其驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于直线电机的单自由度连续运动装置，尤其涉及一种基于微型压电直线电机的微型尺蠖型步行机器人。
【背景技术】
[0002]近年来，微型机器人已经在灾难救助，工业检测和医疗诊断等领域展现出了非常优秀的应用前景。在微型机器人的设计制造过程中，最重要的部分就是驱动原理和驱动部件的选择。一方面，传统的轮式驱动机器人无法适应不平整、光滑或者柔性的工作环境。昆虫和蠕虫的仿生学研究提供了许多优秀的环境适应性微型机器人工作原理。微型仿蚯蚓机器人通过模拟蚯蚓周期性“伸张-收缩”运动过程，能够有效地适应复杂的地形地貌，并提供客观的力和速度输出。另一方面，传统的电磁电机并不能完全满足微型化情况下的驱动需求，通常力矩太小，结构太复杂，转速太高。新的微型智能驱动器诸如离子交换聚合金属材料驱动器，形状记忆合金驱动器，压电驱动器等逐步应用到微型机器人的驱动中去。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微型步行机器人及其驱动方法，本发明结构简单、加工制造成本低廉、便于实现，能够在非常狭小的空间内实现连续快速的直线运动，适应多种不同的表面特性，并输出较大的负载力。
[0004]本发明解决其技术问题采用的技术方案是:一种新的微型步行机器人及其驱动方法，包括前端、后端、导轨，机体和直线步进电机。直线步进电机固定在机体的电机槽内，直线步进电机输出轴通过机体输出轴槽与前端电机轴槽和后端电机轴槽形成配合，限制直线步进电机输出轴的运动；前端和后端通过两条细长的导轨固定在一起；导轨通过机体导轨槽与机体形成配合，约束机体的运动方向；前端纤毛后后端纤毛分别固定在前端和后端的底部，在微型机器人的运动过程中起锚点作用。
[0005]本发明的有益效果是:本发明采用了类似蚯蚓的周期性驱动方案，将微型直线电机的短行程往复运动转化为机器人连续的无限形成运动。与其他的机器人驱动方案相比较，本发明的结构简单，有利于批量加工和成本的降低。同时，本发明采用的驱动方案使得该机器人能够有效地适应多种不同的地形地貌，也能够通过高性能的直线电机获得较高的输出力和客观的输出速度。这种小型机器人的技术优势，使得他能够在未来的医疗设备领域获得良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是本发明的结构原理示意图；
图2是本发明机体的结构示意图；
图3是本发明导轨的结构示意图；
图4是本发明电机的结构示意图； 图5是本发明前端的结构示意图；
图6是本发明后端的结构示意图；
图7是本发明的基于蚯蚓运动机制的原理示意图；
图中:后端1、电机轴2、机体3、电机机体4、前端5、导轨6、机体导轨槽7、机体电机槽8、机体电机轴孔9、导轨10、前端导轨孔11、前端电机轴孔12、后端导轨孔13、后端电机轴孔14、后端纤毛15、机体纤毛16、前端纤毛17。
【具体实施方式】
[0007]如图1所示，本发明包括前端5、后端1、机体3、导轨6和电机机体4和电机轴2。其中，电机机体4安装在机体电机槽8中，电机轴与机体电机轴孔9、前端电机轴孔12和后端电机轴孔14形成配合；导轨6与机体导轨槽7、前端导轨孔11和后端导轨孔13形成配合；前端纤毛17、后端纤毛15和机体纤毛16分别安装在对应的前端5，后端I和机体3的底部。
[0008]如图2所示，所述的机体3基本结构呈方块状。机体3两侧加工有机体导轨槽7，用于固定导轨6 ;其内部加工有机体电机槽8和机体电机轴孔9,用于固定电机机体4和电机轴2。机体纤毛16胶结在机体3底部。
[0009]如图3所示，所述的导轨6是一根细长的圆柱杆。
[0010]如图4所示，所述的直线步进电机包含电机机体4和电机轴2。
[0011]如图5所示，所述的前端5基本结构呈方块状。前端5的一端加工有两个导轨孔11和一个电机轴孔12，分别用于导轨6和电机轴2的单向限位；前端纤毛17安装在前端5的底部。
[0012]如图6所示，所述的后端I基本结构呈方块状。后端I的一端加工有两个导轨孔13和一个电机轴孔14分别用于导轨6和电机轴2的单向限位；后端纤毛15安装在后端I的底部。
[0013]如图7所示，本发明设计的微型机器人采用类蚯蚓的运动原理。初始状态时，微型直线电机处于非驱动状态(图7 (a))，前端纤毛17，后端纤毛15和机体纤毛16均处于非直立状态；当微型直线电机启动沿某一方向运动，电机轴2相对于电机机体4向前运动。在这种相对运动的作用下，机体纤毛16处于直立状态，阻止机体3发生运动，而前端纤毛17和后端纤毛15均处于非直立状态，不影响前端5和后端I的运动。这样，前端5和后端I向前运动一端距离；当微型直线电机改变运转方向，沿相反的方向运动，电机轴2相对于电机机体4向后运动。这种相对运动促使前端纤毛17和后端纤毛15处于直立状态,使前端5和后端I静止不动。相反，机体纤毛16恢复非直立状态，不影响机体3运动。这样，机体3向前运动一段距离。在这个过程中，机体3，前端5和后端均I向前运动了一段距离。最终，整个机器人恢复到初始状态。如此循环往复，该机器人即可连续向前运动。根据该运动原理，本发明可以用常用的微型步进电机实现连续的直线运动，可控制性好，输出力矩和输出速度可以满足大量微型机器人应用的需求。同时，本发明具备良好的可扩充性，通过集成更多的操作部件，可以完成更多的任务，实现更多的功能。
[0014]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明的原理，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种新型微小步行机器人及其驱动方法，其特征是:它包括前端(5)、机体(3)、后端(I )、电机机体(4 )和电机轴(2 )等；其中，电机机体(4 )安装在机体电机槽(8 )中，电机轴与机体电机轴孔(9)、前端电机轴孔(12)和后端电机轴孔(14)形成配合；导轨(6)与机体导轨槽(7)、前端导轨孔(11)和后端导轨孔(13)形成配合；前端纤毛(17)、后端纤毛(15)和机体纤毛(16)分别安装在对应的前端(5)，后端(I)和机体(3)的底部。
2.根据权利要求1所述的一种新型微小步行机器人及其驱动方法，其特征在于:所述的机体(3)两侧加工有机体导轨槽(7)，用于固定导轨(6);其内部加工有机体电机槽(8)和机体电机轴孔(9),用于固定电机机体(4)和电机轴(2);机体纤毛(16)胶结在机体(3)底部。
3.根据权利要求1所述的一种新型微小步行机器人及其驱动方法，其特征在于:所述的前端(5)基本结构呈方块状；前端(5)的一端加工有两个导轨孔(11)和一个电机轴孔(12)，分别用于导轨(6)和电机轴(2)的单向限位；前端纤毛(17)安装在前端(5)的底部。
4.根据权利要求1所述的一种新型微小步行机器人及其驱动方法，其特征在于:所述的后端(I)的一端加工有两个导轨孔(13)和一个电机轴孔(14)分别用于导轨(6)和电机轴(2 )的单向限位；后端纤毛(15 )安装在后端(I)的底部。
【文档编号】B25J7/00GK103692431SQ201310651256
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】傅新, 周茂瑛, 刘伟庭 申请人:浙江大学