專利名稱：一種纖毛振動驅(qū)動的微型機器人的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及微型機器人技木，尤其涉及的是ー種纖毛振動驅(qū)動的微型機器人。
背景技術(shù)：
近十幾年來，隨著機器人和微加工技術(shù)的迅速發(fā)展，微型機器人技術(shù)已經(jīng)應用到機械、化學和醫(yī)學臨床診斷等諸多領域。管內(nèi)移動微型機器人是微型機器人領域的ー個重要的應用方向，可廣泛應用于電力、化工、供曖、生物醫(yī)學等行業(yè)中的細小孔徑管道(或腔道)的檢測和信息采集，所以日益受到研究者的關(guān)注。目前，在各類學術(shù)期刊上已經(jīng)報道了多種微型機器人，絕大多數(shù)是采用輪式、履帶式或關(guān)節(jié)伸縮蠕動等驅(qū)動方式。目前研究的主流驅(qū)動方式是輪式驅(qū)動，但是因為驅(qū)動輪和傳動機構(gòu)的尺寸無法做到真正的微型化，從而影響了其在微小環(huán)境中的應用，所以驅(qū)動機構(gòu)的微型化問題是微型機器人領域的一大難題。近年來發(fā)展起來的微型機器人種類很多，其中蘇州大學發(fā)明了一種微型管道機器人，約有成人的半截食指般長短粗細，機器人重約6克，渾身長著毛刺，這種微型管道機器人的運動是基于諧振原理，需6伏電壓驅(qū)動，利用機器人體內(nèi)所帶的微型電機帶動偏心輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一定的振動，通過毛刺與管壁非対稱的碰撞與摩擦，驅(qū)動機器人運動(參見 http://news. szhou. cn/2011/04/14971. shtml )。上述這種由多個毛刺振動驅(qū)動的微型機器人，因為采用堅硬的單方向的類金屬毛刺作為驅(qū)動方式，容易造成應用管道(腔道)內(nèi)壁的劃傷甚至破壞，并因為采用單側(cè)傾斜的毛刺，所以只能單方向運動，無法主動改變行進方向和行進速度。同時該微型毛刺機器人采用的是圓形的外形形狀結(jié)構(gòu)，需要機器人的毛刺與所應用管道的內(nèi)壁四周接觸良好，這就使得毛刺機器人只能適用于某一管徑的場合，如管壁內(nèi)徑發(fā)生變化將影響該機器人的應用性能。同時該微型毛刺機器人采用的是有線供能或控制的方式，該方式會阻礙微型機器人按原路返回，這進一歩使得機器人的應用場合受到限制。因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，尚待改進和發(fā)展?？梢?，當前微型機器人的發(fā)展迫切需要ー種結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、行動方向可控、 行進速度可控的無線微型機器人驅(qū)動技木。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于設計一種纖毛振動驅(qū)動的微型機器人，以其特有的柔軟有彈性的驅(qū)動腿避免機器人對應用場合內(nèi)壁的潛在損傷，并利用振動電動機的振動頻率進行控制，實現(xiàn)纖毛驅(qū)動機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)向和行進速度控制，拓展微型機器人的應用場所，同時利用內(nèi)置能源和通訊芯片實現(xiàn)無線驅(qū)動和無線遙控操作，使得該微型機器人可應用于各種可視的或不可視的微小環(huán)境中。同吋，具有柔彈性的纖毛驅(qū)動腿更加適合于在柔性管壁環(huán)境下的應用，其行走動作對于管道的接觸面沒有任何損傷，比較適合于柔性管壁環(huán)境(如人體消化道、血管等)下的應用，在生物醫(yī)學領域中有良好的發(fā)展前景。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種纖毛振動驅(qū)動的微型機器人，所述的微型機器人利用振動電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動帶動纖毛驅(qū)動腿運動驅(qū)動微型機器人行進。所述微型機器人的所有結(jié)構(gòu)布置在三層結(jié)構(gòu)之中。其中，上層是功能模塊，主要包括電源模塊、振動電動機模塊、控制電路模塊和操作模塊四部分。電源模塊由紐扣電池組成，為其他三部分模塊提供電能。振動電動機模塊由偏心振動電動機組成，可根據(jù)控制電路信號進行轉(zhuǎn)速變換。
控制電路模塊與振動電動機模塊和操作模塊連接，根據(jù)程序設定或遙控指令向其他模塊發(fā)出控制信號，控制電路模塊包括微型中央處理器、無線通信芯片和外圍電路元器件，微型中央處理器調(diào)節(jié)振動電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制兩組驅(qū)動腿的振動擺幅差異，達到控制微型機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向及行進速度的目的，無線通信芯片實現(xiàn)遙控信號和檢測信號的無線傳輸。操作模塊可根據(jù)應用目的執(zhí)行具體操作動作，可包括但不限于取樣、檢測、照明、 清洗、圖像采集等功能。中間層為起支撐和連接作用的基板，其與下層結(jié)構(gòu)的纖毛驅(qū)動腿構(gòu)成ー個整體。下層為起驅(qū)動作用的纖毛驅(qū)動腿，下層結(jié)構(gòu)中至少包括兩組直徑不同，數(shù)量不同， 但總的水平截面面積相等，垂直高度相等，且與基底呈一定的對稱傾角的纖毛驅(qū)動腿，纖毛驅(qū)動腿在振動電機不同旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的振動作用下運動，其中振動電動機可按不同的轉(zhuǎn)速振動。所述的微型機器人只需要一個振動電動機即可實現(xiàn)機器人的運動。纖毛驅(qū)動腿因為直徑不同，其固有振動頻率不相同。振動電動機通過不同振動頻率引起兩組纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅并不相同(即產(chǎn)生的驅(qū)動カ也不相同)，當振動電動機的振動頻率與某組纖毛驅(qū)動腿的固有振動頻率接近時則該組纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅變大(即驅(qū)動カ變大)，振動頻率遠離時則該組纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅變小(即驅(qū)動カ變小)。在振動電動機的驅(qū)動下，微型機器人會向著兩組纖毛驅(qū)動腿振動擺幅的差值正向方向運動，機器人可根據(jù)預先程序設定或者遙控控制方式運動。利用控制電路可以控制振動電動機的轉(zhuǎn)速，進而可以達到控制微型機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向及行進速度調(diào)整的目的。所述微型機器人的中間層和下層結(jié)構(gòu)是ー個整體，采用柔軟有彈性且透明的材料 (如PDMS聚ニ甲基硅氧烷)構(gòu)成，全部結(jié)構(gòu)可由磨具灌注或者激光光刻技術(shù)進行加工制作而成。這樣因構(gòu)成微型機器人的材料具有良好的柔彈性，在振動電動機的振動作用下可以不斷的發(fā)生變形和恢復形變產(chǎn)生驅(qū)動力，并且該材料具有良好的透光性易于對機器人內(nèi)外環(huán)境進行觀察?？梢?，本發(fā)明所提供的微型機器人是對現(xiàn)有機器人技術(shù)的ー種改迸，其改進的主要方面有
一、本微型機器人的驅(qū)動方式為利用機械振動帶動纖毛驅(qū)動腿發(fā)生擺動實現(xiàn)機器人運動，易于實現(xiàn)驅(qū)動機構(gòu)的微型化；
ニ、根據(jù)纖毛驅(qū)動腿的固有頻率不同，在振動電動機不同驅(qū)動頻率的振動作用下實現(xiàn)微型機器人的前進、后退、行進速度及行進方向調(diào)整的目的；三、微型機器人的操作模塊可根據(jù)應用目的執(zhí)行具體操作動作，可包括但不限于取樣、 檢測、照明、清洗、圖像采集等功能。


圖1為本發(fā)明的微型機器人的側(cè)視示意圖。圖2為本發(fā)明的微型機器人的斜視示意圖。圖3為本發(fā)明的微型機器人的控制原理框圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖進ー步說明本發(fā)明的具體實施方式
。參見圖1和圖2，微型機器人由三層結(jié)構(gòu)組成，上層結(jié)構(gòu)1包括電源模塊101、控制電路模塊102、振動電動機模塊103和操作模塊104 ；中間層結(jié)構(gòu)2為起支撐和連接作用的基板；下層結(jié)構(gòu)3為起驅(qū)動作用的纖毛驅(qū)動腿，分第一組纖毛驅(qū)動腿301和第二組纖毛驅(qū)動腿302。下層結(jié)構(gòu)3中的兩組纖毛驅(qū)動腿數(shù)量不同、直徑不同、且傾角對稱，通過磨具灌注技術(shù)加工在中間層結(jié)構(gòu)2的下方，與中間層結(jié)構(gòu)2構(gòu)成ー個整體，中間層結(jié)構(gòu)2和下層結(jié)構(gòu) 3均采用PDMS材料，該材料具有良好的柔彈性、且可透光，可直接觀測微型機器人外部和內(nèi)部情況。第一組纖毛驅(qū)動腿301 (如18根)和第二組纖毛驅(qū)動腿302 (如9根)的數(shù)量不等，但水平總截面面積相等，垂直高度相等。因為直徑不同，第一組纖毛驅(qū)動腿301和第二組纖毛驅(qū)動腿302的固有振動頻率不相同。當發(fā)生振動時兩組纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅也不相同(即產(chǎn)生的驅(qū)動カ也不相同)，通過控制電路模塊102可控制兩組驅(qū)動腿301和302的擺幅差異，進而控制微型機器人的行進速度和行進方向。本微型機器人的原理框圖如圖3所示，在微型機器人運動時，通過控制電路模塊 102接收遙控信號或按照預先程序設定控制振動電動機模塊103的振動頻率，當振動頻率接近某組纖毛驅(qū)動腿(301或302)的固有振動頻率時，則該組纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅増大 (即驅(qū)動カ増大)，因纖毛驅(qū)動腿傾斜角度的限制作用，微型機器人向著該組纖毛驅(qū)動腿相反的方向行迸，改變振動電動機的振動頻率可控制機器人的前進、后退、行進速度及行進方向。機器人可根據(jù)預先程序設定或遙控指令控制操作模塊104的工作與否，操作模塊104 可對所處環(huán)境根據(jù)需要完成相應的取樣、檢測、照明、清洗、圖像采集等操作動作。本發(fā)明裝置的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方法非常簡單，可廣泛應用于電力、化工、供曖、尤其是生物醫(yī)學等行業(yè)中的細小管道(或腔道)孔徑內(nèi)部，達到對微小環(huán)境內(nèi)部的檢測和信息采集的需要。本發(fā)明中的電源模塊、控制電路模塊(包含遙控芯片部分)、振動電動機模塊和操作模塊等技木，可根據(jù)實際應用采用現(xiàn)有的各種可能的方案，為本領域技術(shù)人員所熟知，故不再累述。需要注意的是，對于本領域的普通技術(shù)人員來說，可根據(jù)上述說明加以改進和變換，例如操作模塊的功能和個數(shù)，或改變纖毛驅(qū)動腿的尺寸、數(shù)量、位置、傾斜角度等。而所有這些改進和變換都屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種纖毛振動驅(qū)動的微型機器人，其特征在于所述微型機器人包括上、中、下三層結(jié)構(gòu)；下層結(jié)構(gòu)具有至少兩組數(shù)量不同、直徑大小不同的纖毛驅(qū)動腿，所述纖毛驅(qū)動腿與中間層的基板相連接構(gòu)成ー個整體，各組纖毛驅(qū)動腿的總水平截面積相等，垂直高度相等，相鄰兩組纖毛驅(qū)動腿與基板平面呈傾角布置，且傾角對稱；中間層是起支撐和連接上下層作用的基板；上層結(jié)構(gòu)是以中間層的基板為支撐，包括電源模塊、振動電動機模塊、控制電路模塊和操作模塊；所述振動電動機模塊由偏心振動電動機組成，根據(jù)控制電路信號進行轉(zhuǎn)速變換； 所述控制電路模塊與振動電動機模塊和操作模塊連接，根據(jù)程序設定或遙控指令向其他模塊發(fā)出控制信號，控制電路模塊包括微型中央處理器、無線通信芯片和外圍電路元器件，微型中央處理器調(diào)節(jié)振動電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅，達到控制微型機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向及行進速度調(diào)整的目的，無線通信芯片實現(xiàn)遙控信號和檢測信號的無線傳輸；操作模塊根據(jù)應用目的執(zhí)行具體操作動作；電源模塊由紐扣電池組成，為其他三部分模塊提供電能；所述微型機器人由控制電路模塊控制振動電動機的振動頻率，振動電動機作為機器人運動的驅(qū)動源，通過不同振動頻率引起纖毛驅(qū)動腿的振動，由于不同組的纖毛驅(qū)動腿的直徑不同，固有頻率不同，在振動電動機的相同振動頻率驅(qū)動下振動擺幅不同，產(chǎn)生的驅(qū)動カ 也不相同，當振動電動機的振動頻率與纖毛驅(qū)動腿的固有振動頻率接近時則纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅變大(即驅(qū)動カ變大)，振動頻率遠離時則纖毛驅(qū)動腿的振動擺幅變小(即驅(qū)動カ 變小)，因此在振動電動機的驅(qū)動和纖毛驅(qū)動腿傾角的限制下，微型機器人向著兩組纖毛驅(qū)動腿振動擺幅的差值正向方向運動，利用控制電路模塊可控制振動電動機的轉(zhuǎn)速，進而達到控制微型機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向及行進速度調(diào)整的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖毛振動驅(qū)動的微型機器人，其特征在于所述纖毛驅(qū)動腿和基板整體采用柔軟有彈性且透明的材料制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖毛振動驅(qū)動的微型機器人，其特征在于所述操作模塊根據(jù)應用目的，包括但不限于取樣、檢測、照明、清洗、圖像采集等功能。
全文摘要
本發(fā)明為一種纖毛振動驅(qū)動的微型機器人，其由三層結(jié)構(gòu)組成，上層包括電源模塊、振動電動機模塊、控制電路模塊和操作模塊；中間層為起支撐和連接作用的基板；下層至少包括兩組數(shù)量不同、直徑不同、且傾角對稱、總水平截面積相等、垂直高度相等的纖毛驅(qū)動腿。纖毛驅(qū)動腿在振動電機不同轉(zhuǎn)速的振動作用下發(fā)生振動擺動，因為它們的直徑不同，其固有振動頻率不相同，振動擺幅也不相同。當振動電動機的振動頻率與纖毛驅(qū)動腿的固有振動頻率接近時則纖毛驅(qū)動腿的振動幅度變大，振動頻率遠離時則纖毛驅(qū)動腿的振動幅度變小。利用控制電路模塊可以控制振動電動機的轉(zhuǎn)速，進而可以達到控制微型機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向及行進速度調(diào)整的目的。
文檔編號A61B1/00GK102525378SQ20121002319
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者崔建國 申請人:重慶理工大學