本发明属于机械电子工程驱动领域，具体涉及一种离心力驱动装置平台。
背景技术：
现有技术中，在特殊环境下工作的小型和微型机器人，对于其整个装置的密封性能有着较高的要求。但若采用一般的驱动方式(如轮式或履带式)，由于其执行机构必须通过传动机构和动力源相连，这对装置的整体密封处理造成了一定的阻碍，同时也对整个机器人的体积小型化有一定的影响。目前，主要是采用惯性压电驱动器来满足这一要求。所谓惯性压电驱动器，是在惯性和摩擦的作用下通过逆压电效应使电能转化为机械能的转换装置(如黏滑式惯性压电驱动器和冲击式惯性压电驱动器等)，具有结构简单、工作频带宽、分辨率高、工作行程大等优点，在高精度定位装置、医疗机械和机器人系统等领域得到了广泛应用。
虽然能满足微小尺度的定位精度和驱动响应的要求，但由于使用智能材料的原因，其价格一般也很昂贵，维护和使用成本也比较高。同时，目前为了实现装置二维方向的运动，通常必须成对且对称配置压电晶体，这无疑增加了装置的体积，不利于装置的小型化。因此，尽管有诸多优势，但目前无法作为机器人驱动平台大规模应用。
申请号为：200710055358.4的发明申请，公开了一种压电惯性步进驱动装置，属于机电结合领域，驱动压电叠堆一两端分别与移动块一、移动块二粘接，该移动块一和移动块二与底座滑动连接，移动块一与箝位压电叠堆振子一粘接或与复合压电晶片振子一固定连接，移动块二与箝位压电叠堆振子二粘接或与复合压电晶片振子二固定连接，利用压电元件产生的惯性冲击力进行箝位。
申请号为：200710055711.9的发明申请，公开了一种偏置支撑悬臂式压电惯性冲击精密驱动器，基于偏置支撑运动机理可以设计单自由度和多自由度的精密驱动器。金属基板分别和四片压电晶片连接形成压电双晶片，金属基板的两端通过螺钉分别固连冲击质量块，偏置夹持装置与金属基板中间固连，该偏置夹持装置下部固定连接主质量块。驱动元件采用偏置支撑的悬臂式压电双晶片振子，利用对称波形的驱动电信号驱动压电元件快速变形，产生周期性双向不同的惯性冲击力，形成定向运动的精密驱动器。
申请号为：201620045023.9的实用新型申请，公开了一种承载式变摩擦力非对称磁压电惯性旋转驱动器，是一种电磁混合作用驱动机构。驱动器由底座、轴承、轴、旋转主体、磁支架、隔离套、指针和承载装置组成。轴与固定在圆形底座上的轴承连接，顶部安装有指针，隔离套、磁支架通过螺栓与主体块连接，旋转主体与轴过盈配合。当给旋转主体上的压电双晶片施加对称信号时，压电双晶片在非对称夹持下产生非对称惯性力矩，此力矩通过磁支架上的永磁体产生的对称磁场力进一步加强，在承载变摩擦装置的配合下，能实现旋转主体的定向转动，其中的隔离套用于保护驱动器结构。
技术实现要素：
为解决以上问题，通过机械结构的设置实现之前通过惯性压电实现的微位置驱动，简单化结构及降低成本，本发明提供了一种离心力驱动装置平台，其技术方案具体如下：
一种离心力驱动装置平台，其特征在于：在所述装置上设置圆形底盘4，在所述圆形底盘下端面上设置有非转轴支点1、第一转轴支点2、第二转轴支点3，
所述非转轴支点1、第一转轴支点2及第二转轴支点3在圆形底盘上的分布构成俯视角度上的正三角形的三个顶点，所述非转轴支点1构成上顶点，第一转轴支点2构成左端点；在所述圆形底盘4上、非转轴支点1的上方设置一个电机，在电机的电机轴上设置一偏心体；
所述装置在离心力作用下，可绕第一转轴支点及第二转轴支点作旋转运动；
所述的离心力由电机及安装于电机转轴上的偏心体提供；
所述装置通过离心力及非转轴支点与转轴支点所受的摩擦力的合力完成二维平面的移动。
根据本发明的一种离心力驱动装置平台，其特征在于：
所述装置通过电机转向的交替改变，改变在水平面上的旋转方向，整体在水平面上产生“之”字形的前进路线。
根据本发明的一种离心力驱动装置平台，其特征在于：
所述电机转轴的轴线平行于转轴支点连线的中垂线，并指向装置的质心。
根据本发明的一种离心力驱动装置平台，其特征在于：
当所述电机转轴在电机轴伸出方向上看为逆时针方向的旋转运动时，在俯视图上看，整个装置会在水平面作逆时针旋转，其旋转中心为第一转轴支点2；
当所述电机转轴在电机轴伸出方向上看为顺时针方向的旋转运动时，在俯视图上看，整个装置会在水平面作顺时针旋转，其旋转中心为第二转轴支点3。
根据本发明的一种离心力驱动装置平台，其特征在于：
所述的一种离心力驱动装置平台，离心力作用点处所受离心力在旋转面内所处的相位表述具体的运动状态；
所述相位通过支点的角位移、角速度及角加速度反映。
根据本发明的一种离心力驱动装置平台，其特征在于：
所述的角速度及角位移分别通过对角加速度的积分及二重积分得出；
所述的角加速度通过离心力的转矩与转动惯量的比值得出；
所述离心力的转矩遵循以下公式：
Mk＝-Fx*LF+sgn(ωk)*(f1*L1+fk*Lk)；
其中，
下标k：当绕第一转轴支点2旋转时，k为3；当绕第二转轴支点3旋转时，k为2；
Mk：离心力作用点相对于支点k的转矩；
Fx：离心力在水平方向的分力；
LF：离心力作用点到支点的力矩；
sgn(ωk)：关于转动角速度ωk的sgn函数；
f1：非转轴支点所受的摩擦力；
L1：非转轴支点至支点k的距离；
fk：转轴支点k所受的摩擦力；
Lk：支点k至另一转轴支点的距离。
本发明的一种离心力驱动装置平台，通过机械结构的设置实现之前通过惯性压电实现的微位置驱动，由于均使用的是已经技术成熟的机械机构，其成本相对于使用智能材料大幅降低，整个装置的结构简单，易于制造和维护。同时，由于只使用一个动力机构，而且动力机构直接作用在运动执行机构上，大幅简化甚至省去了传动装置，有利于整体的小型化，满足微小型机器人平台的设计要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中的运动示意图；
图3、4为本发明实施例中的受力示意图。
图中，1为非转轴支点；2为第一转轴支点；3为第二转轴支点；4为圆形底盘。
具体实施方式
下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种离心力驱动装置平台作进一步具体说明。
如图1所示的一种离心力驱动装置平台，在所述装置上设置圆形底盘4，在所述圆形底盘下端面上设置有非转轴支点1、第一转轴支点2、第二转轴支点3，
所述非转轴支点1、第一转轴支点2及第二转轴支点3在圆形底盘上的分布构成俯视角度上的正三角形的三个顶点，所述非转轴支点1构成上顶点，第一转轴支点2构成左端点；在所述圆形底盘4上、非转轴支点1的上方设置一个电机，在电机的电机轴上设置一偏心体；
所述装置在离心力作用下，可绕第一转轴支点及第二转轴支点作旋转运动；
所述的离心力由电机及安装于电机转轴上的偏心体提供；
所述装置通过离心力及非转轴支点与转轴支点所受的摩擦力的合力完成二维平面的移动。
其中，
所述装置通过电机转向的交替改变，改变在水平面上的旋转方向，整体在水平面上产生“之”字形的前进路线。
其中，
所述电机转轴的轴线平行于转轴支点连线的中垂线，并指向装置的质心。
其中，
当所述电机转轴在电机轴伸出方向上看为逆时针方向的旋转运动时，在俯视图上看，整个装置会在水平面作逆时针旋转，其旋转中心为第一转轴支点2；
当所述电机转轴在电机轴伸出方向上看为顺时针方向的旋转运动时，在俯视图上看，整个装置会在水平面作顺时针旋转，其旋转中心为第二转轴支点3。
其中，
所述的一种离心力驱动装置平台，离心力作用点处所受离心力在旋转面内所处的相位表述具体的运动状态；
所述相位通过支点的角位移、角速度及角加速度反映。
其中，
所述的角速度及角位移分别通过对角加速度的积分及二重积分得出；
所述的角加速度通过离心力的转矩与转动惯量的比值得出；
所述离心力的转矩遵循以下公式：
Mk＝-Fx*LF+sgn(ωk)*(f1*L1+fk*Lk)；
其中，
下标k：当绕第一转轴支点2旋转时，k为3；当绕第二转轴支点3旋转时，k为2；
Mk：离心力作用点相对于支点k的转矩；
Fx：离心力在水平方向的分力；
LF：离心力作用点到支点的力矩；
sgn(ωk)：关于转动角速度ωk的sgn函数；
f1：非转轴支点所受的摩擦力；
L1：非转轴支点至支点k的距离；
fk：转轴支点k所受的摩擦力；
Lk：支点k至另一转轴支点的距离。
原理及实施例
本发明所采用的技术方案是：
利用电机带动回转体旋转，产生周期变化的离心力，使得平台与接触面之间的摩擦力发生变化，其机械结构能够自动使得摩擦力和离心力相配合，来达到定向驱动的目的。
本技术方案中的装置安装在圆形底盘上。
离心力作用点及两个独立的支点成正三角形布置，支点和底盘固定。
离心力由电机带动回转体旋转产生，安装于离心力作用点的附近，其轴线和底边的中线平行且通过装置的质心，其回转平面垂直于底盘。其回转速度应能保证产生的离心力的水平分力可以克服地面的摩擦力，同时垂直方向上的分力又不至于使得装置产生跳动。
本实施例中以围绕第一转轴支点2为中心的旋转描述单个周期内的运动(围绕第二转轴支点3的运动同理)：
将装置各个部分进一步简化,并将回转体视为一个质点,其力学关系可以得到图3、4所示的力学图.其中各个符号的含义如下：
ω------回转体的恒定转速；
F------回转体产生的离心力；
Fx------离心力在水平方向的分力(以x轴正方向为正)；
Fz------离心力在竖直方向的分力(以z轴正方向为正)；
θ------离心力与水平正方向的夹角(即回转体的相位)；
Mg------装置的重力；
N1------地面对非转轴支点1的支持力；
N2------地面对第一转轴支点2的支持力；
N3------地面对第二转轴支点3的支持力；
根据离心力公式和几何关系可得：
F＝m*ω2*r
Fx＝F*cos(θ)
Fz＝F*sin(θ)
其中m------回转体的质量；
r------回转半径。
假设在整个运动过程中和地面始终保持接触(即竖直方向的加速度始终为零)，同时为了简化运算，认为回转体的回转中心位于非转轴支点1的正上方，那么根据牛顿第二定律，可计算出当回转体转动时,地面对各个支点的支持力为：
其中，H为回转体的回转中心与地面之间的距离；β为装置质心与第一转轴支点2的连线和非转轴支点1与第一转轴支点2、第二转轴支点3构成的正三角形底边之间的夹角。
当与地面的摩擦系数为μ时，根据库仑摩擦定律，各个支点所受的摩擦力的大小为：
f1＝μ*N1
f2＝μ*N2
f3＝μ*N3
回转体以其最低点(相位为-π/2)开始做顺时针旋转。由于回转中心位于非转轴支点1的正上方，因此离心力的分力Fx对于非转轴支点1不会产生转矩；而根据上述的分析，当回转体位于第2，3象限时，第一转轴支点2所受的摩擦力很显然大于第二转轴支点3。于是整个装置在分力Fx(此时为负)的作用下，开始有围绕着第一转轴支点2向左转动的趋势。这时相对于第一转轴支点2的转矩M2为:
M2＝-Fx*LF+sgn(ω2)*(f1*L1+f3*L3)
其中，sgn为和装置的转动角速度ω2(以逆时针为正)有关的函数：
于是根据动量矩定理，质心相对于第一转轴支点2的角加速度：
其中,J2为装置相对于第一转轴支点2的转动惯量.
那么角速度和角位移可表示为:
上述方程均是和回转体的相位θ有关的函数，于是便可以用回转体的相位来描述装置的运动状态。
其运动状态可以分为以下几个阶段，各个阶段和回转体相位的关系如图2所示(其中，A1为静止状态阶段；A2为装置向左转动直到停止阶段；A3为装置减速直到停止阶段；A4为装置向右转动直到停止阶段)：
阶段1：回转体由最低点开始向第3象限的运动过程中，Fz逐渐减小；由第3象限开始向第2象限的运动过程中，Fz由下压的作用变为上拉的效果，因此这一过程中非转轴支点1和第二转轴支点3上的摩擦力逐渐减小。于是这一阶段内转矩M2始终为正，装置作向左的加速转动运动。
阶段2：而当回转体旋转至第一象限时，此时的分力Fx为正，而装置整体由于惯性仍然有向左的转动速度，于是Fx变为阻力。由于速度不能突变，装置整体开始作向左的减速转动直到速度减小为0。
阶段3：之后第二转轴支点3所受的摩擦力大于第一转轴支点2所受的摩擦力，同样在Fx的作用下，装置有绕着第二转轴支点3转动的趋势,采用之前相同的建模方法可以得到相应的运动方程，在此不再叙述。其运动过程类似于阶段1和阶段2，但是此时回转体由第1象限运动至第4象限，分力Fz开始由提拉的效果变为下压的效果，分力Fx的大小也逐渐减小，因此非转轴支点1和第一转轴支点2的摩擦力是逐渐增大的，虽然运动也是先加速后减速至0，但是运动时间短于阶段1和阶段2。
阶段4：此后由于摩擦力的进一步增大，分力Fx不足以产生克服摩擦力的转矩，因此装置处于静止状态。
于是单个回转周期内，装置会先向左转动一定角度，而后再向右转动一定角度。但是向右转动的角度小于向左转动的角度,因此当电机连续顺时针运转足够时间，多个周期的运动效果累加，装置便会慢慢向左转.
同样的，当电机连续逆时针运转足够时间，装置便会慢慢向右转；将电机转动方向交替变换，整个装置就能实现"之"字形前进。
本发明的一种离心力驱动装置平台，通过机械结构的设置实现之前通过惯性压电实现的微位置驱动，由于均使用的是已经技术成熟的机械机构，其成本相对于使用智能材料大幅降低，整个装置的结构简单，易于制造和维护。同时，由于只使用一个动力机构，而且动力机构直接作用在运动执行机构上，大幅简化甚至省去了传动装置，有利于整体的小型化，满足微小型机器人平台的设计要求。