平面直線轉動三自由度微移動機器人的製作方法

2023-06-07 14:15:21 1

專利名稱：平面直線轉動三自由度微移動機器人的製作方法
技術領域：
本發明屬機器人技術領域，具體說是一種耦合實現平面X、Y直線及繞Z軸轉動的三自由度微移動機器人。
隨著科學技術的發展，微動機器人技術的研究已成為當今機器人技術領域中前沿重點研究技術之一。微動機器人技術在民用和軍用方面有重要的應用價值，如生物工程的微作業系統，雷射印表機反射鏡面的加工，飛彈慣性至導的光陀螺反射鏡面的加工等。因此，微動機器人的研究與開發得到國際上許多國家的學者和企業和重視。為實現移動機器人微動位移，國際學術界提出許多新思想新方法，如「衝擊驅動法」、「尺蠖驅動法」等，並已研究出相應的微動機器人。其中，靜崗大學青山尚之(作者)通過小型同步機械人生產超高精密生產機械系統(小型同走機械群による超精密生產機械システム)，精密工學會志64/6(1998)公開了一種以「尺蠖驅動法」為原理的微型機器人，它由前後兩個電磁吸盤分別連接兩條腿，通過中間壓電晶體作收縮動作，向前行走，運動速度及效率不高。東京大學樋口(作者)衝程驅動機構潤滑面上的移動特性(インパクト驅動機構の潤滑面上じおける移動特性)，精密工學會志61-3(1995)公開了一種以衝擊驅動法為原理的微移動機器人，它是用壓電晶體將一物體與本體連結起來，控制壓電晶體突然收縮，機器人本體便獲得一個慣性力，在此慣性力作用下使機器人本體行走，精度較高，但效率不理想。另外日本熊本縣工業技水中心，各和男(作者)用壓電振動的移動機械及摩擦模式(壓電振動を用じた移動機械とその摩擦モデル)，精密工學會志57/8-1991公開了一種振動法行走微型機器人，原理是當機器人受到一定頻率振動時便向前行走，精度低，運動不易控制。中國專利申請01211842.7公開一種基於碰撞驅動法原理的兩自由度微移動機器人，由電磁鐵和驅動本體構成，實現了直線前進方向的微移動，還可以向左、向右作轉彎動作，具有小型、高精度、高效率特點，其不足之處是不能向相反方向作直線後退動作，另外具有轉彎半徑，不適合空間小的場合。
本發明的目的在於提供一種基於碰撞驅動原理，保證精度、效率的同時，能往復運動，適應狹小空間的平面直線轉動三自由度微移動機器人。
本發明的技術方案是包括電磁鐵A、B、C、D及移動本體，每兩個相鄰電磁鐵軸線相互垂直設置，每兩個相對設置電磁鐵軸線相互平行，且驅動方向相反安裝，四個電磁鐵A、B、C、D的外殼與移動本體固連為一體；在所述每個電磁鐵中設有銜鐵、彈簧和電磁線圈，作為驅動體的銜鐵分別裝在電磁鐵A、B、C、D的電磁線圈和位於電磁鐵裡的彈簧中；在將四個電磁鐵A、B、C、D與移動本體固連時，使彈簧產生一定壓縮量，保證銜鐵在彈簧單獨作用下，始終與移動本體接觸；所述移動本體底面安裝有四個高精度鋼球，四個電磁鐵A、B、C、D軸線所構成的平面與移動本體底面四個高精度鋼球頂點所構成的平面相互平行。
本發明具有如下優點1.由於本發明採用「碰撞驅動法」及四個電磁鐵呈兩個相反方向安裝，因而易於實現沿X、Y軸直線微動及繞Z軸微轉動，且直線移動範圍不限、無轉彎半徑、可連續360°轉動，適用於空間狹小的場合。
2.由於本發明採用「碰撞驅動法」及電磁鐵作為驅動元件，使得微動機器人整體結構簡單緊湊，易製作，運動精度高，效率高，且製作成本低。


圖1為本發明主視圖。
圖2為本發明俯視圖。
下面結合附圖和實施例對本發明結構及原理作進一步詳細說明。
本發明的構成如圖1、2所示，包括電磁鐵A1、B2、C3、D4及移動本體5，每兩個相鄰電磁鐵軸線相互垂直設置，每兩個相對設置電磁鐵軸線相互平行，且驅動方向相反安裝，四個電磁鐵A1、B2、C3、D4的外殼與移動本體固連為一體；在所述每個電磁鐵中設有銜鐵10、彈簧11和電磁線圈9，作為驅動體的銜鐵10分別裝在電磁鐵A1、B2、C3、D4的電磁線圈9和位於電磁鐵裡的彈簧11中；在將四個電磁鐵A1、B2、C3、D4與移動本體5固連時，使彈簧11產生一定壓縮量，保證銜鐵10在彈簧11單獨作用下(電磁鐵不通電)，始終與移動本體5接觸；所述移動本體5底面安裝有四個高精度鋼球6，四個電磁鐵A1、B2、C3、D4軸線所構成的平面與移動本體5底面四個高精度鋼球頂點所構成的平面相互平行。
本發明在中科院先進位造技術基地課題實驗中，經過測試，其最小位移精度可達到0.8μm。
本發明方法是根據碰撞運動中動量守恆和動能守恆原理提出的，其運動方程為S=(m1m1+m2)2xgf[a1(e1+1)2-a2(e2+1)2]]]>式中S為移動本體5移動位移，x為驅動體10位移；m1為驅動體10質量；m1+m2為移動本體5質量；a1、a2為驅動體10加速度；e1、e2為材料恢復係數；f為摩擦係數；g為重力加速度，本發明即是基於「碰撞驅動法」驅動的平面X、Y直線及繞Z軸轉動的三自由度微動機器人。其微移動原理如下當電磁鐵A1、D4同時通電後，產生的電磁力作用在銜鐵10上，使之以一定速度被吸向電磁線圈9，直到碰撞到電磁線圈9為止，同時壓縮彈簧11；當斷掉電磁鐵A1、D4的電後，銜鐵10便在彈簧力的作用下，以一定速度向移動本體5移動，直到碰撞到移動本體5。根據「碰撞驅動法」原理，銜鐵10碰撞電磁線圈9和移動本體5分別使移動本體產生相應的微小位移，由於二者移動方向相反，且碰撞移動本體5產生的移動量大於碰撞電磁線圈9產生的移動量，二者之差即是本發明機器人最終的微小位移，這個微小位移是沿著電磁鐵A1、D4合力的方面移動(X軸負向)。同理，電磁鐵A1、B2同時通斷電，亦使本發明機器人沿著二者合力方向移動(Y軸正向)；電磁鐵B2、C3同時通斷電，亦使本發明機器人沿著二者合力方向移動(X軸正向)；電磁鐵C3、D4同時通斷電，亦使本發明機器人沿著二者合力方向移動(Y軸負向)。當兩相對電磁鐵A1、C3通斷時，移動本體5便逆時針轉動；當兩相對電磁鐵B2、D4通斷時，移動本體5便順時針轉動。據此，便可控制本發明實現沿X、Y軸直線移動及繞Z軸轉動。
權利要求
1.一種平面直線轉動三自由度微移動機器人，其特徵在於包括電磁鐵A、B、C、D(1、2、3、4)及移動本體(5)，每兩個相鄰電磁鐵軸線相互垂直設置，每兩個相對設置電磁鐵軸線相互平行，且驅動方向相反安裝，四個電磁鐵A、B、C、D(1、2、3、4)的外殼與移動本體固連為一體。
2.按照權利要求1所述平面直線轉動三自由度微移動機器人，其特徵在於在所述每個電磁鐵中設有銜鐵(10)、彈簧(11)和電磁線圈(9)，作為驅動體的銜鐵(10)分別裝在電磁鐵A、B、C、D(1、2、3、4)的電磁線圈(9)和位於電磁鐵裡的彈簧(11)中；在將四個電磁鐵A、B、C、D(1、2、3、4)與移動本體(5)固連時，使彈簧(11)產生一定壓縮量，保證銜鐵(10)在彈簧(11)單獨作用下，始終與移動本體(5)接觸。
3.按照權利要求1所述平面直線轉動三自由度微移動機器人，其特徵在於所述移動本體(5)底面安裝有四個高精度鋼球(6)，四個電磁鐵A、B、C、D(1、2、3、4)軸線所構成的平面與移動本體(5)底面四個高精度鋼球頂點所構成的平面相互平行。
全文摘要
本發明公開一種平面直線轉動三自由度微移動機器人。包括電磁鐵A、B、C、D及移動本體,每兩個相鄰電磁鐵軸線相互垂直設置,每兩個相對設置電磁鐵軸線相互平行,且驅動方向相反安裝,四個電磁鐵A、B、C、D的外殼與移動本體固連為一體;其電磁鐵中設有作為驅動體的銜鐵、彈簧和電磁線圈,銜鐵分別裝在電磁鐵A、B、C、D的電磁線圈和位於電磁鐵裡的彈簧中。它基於碰撞驅動原理,保證精度、效率的同時,能往復運動,適應狹小空間。
文檔編號B25J11/00GK1380164SQ0111383
公開日2002年11月20日 申請日期2001年4月11日 優先權日2001年4月11日
發明者李小凡, 王 忠, 姚辰, 原培章 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所