[发明专利]一种混合驱动式微小机器人的结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于微操作的微小机器人运动驱动机构，属于微小型机器人领域。

背景技术

近年来，随着微纳米技术的迅猛发展，研究对象不断向微细化发展，对微小零件进行加工、调整和成本检查，微机电系统(MEMS)的装配作业等工作都需要微操作机器人的参与。在自适应光学、光纤对接、医学、生物学，特别是动植物基因工程、农产品改良育种等领域，需要完成注入细胞融合、微细手术等精细操作，都离不开高精度的微操作机器人系统，微操作机器人是人们探索微观世界不可缺少的重要工具。

传统的微小机器人驱动方式主要有微电机驱动、压电陶瓷驱动、电磁驱动，形状记忆合金驱动等。微电机驱动具有行程大、输出力大等优点，但需要采用运动传递装置(轴承、导轨、丝杠等)，正反回差大，重复精度较差，采用高精密传动副价格非常昂贵。压电陶瓷驱动具有结构紧凑、分辨率高、响应快、输出力大、无机械损耗、无磁场、无污染等优点，缺点是输出位移范围小、存在非线性和磁滞效应，高精密的压电陶瓷驱动装置造价非常高，而且在重力(Z)方向驱动时容易产生高频率的振动。形状记忆合金驱动利用特殊材料的形状记忆效应为原理，具有体积小、重量轻、精度高、动作柔性好、不易受周围环境影响等优点，缺点是响应速度慢。为了克服上述微机器人单纯驱动结构的缺点，哈尔滨工业大学研制了面向微操作的微小型机器人，该机器人机械本体由基于宏/微复合驱动的移动定位平台和3自由度球基微操作器构成，宏动部分由微电机驱动，微动部分由压电陶瓷和电磁体配合实现；上海大学研制了电磁力驱动的步进式管内移动微型机器人，基于双压电膜驱动的惯性冲击原理的微型机器人，不需要软轴驱动的螺旋式小电机驱动的机器人；上海交通大学研制了基于2mm微型马达的毫米级微型移动机器人。但上述微小机器人的驱动系统都存在着高成本、分辨率与行程范围匹配问题，很难实际应用。

本文提出基于线性音圈马达(VCM)、积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)混合驱动式微小机器人的结构，包括平面行走模块和纵向微动模块。其中平面行走模块采用积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)联合驱动，实现平面X、Y、θ方向三个自由度的运动；纵向微动模块采用无导轨轴承的线性音圈马达(VCM)驱动，实现Z方向一个自由度的运动。关于使用线性音圈马达(VCM)驱动式微小机器人的结构，国内外文献均未有记载。VCM具有低成本，高加速度，快速响应，平滑力特性等优良性能，通过对其结构的优化设计，可以克服应用在重力方向时由摩擦，磁滞产生的非线性误差，实现高重复精度，高线性；解决了现有音圈马达(VCM)技术中分辨率与行程范围的矛盾。本发明以线性音圈马达(VCM)、积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)混合驱动作为微小机器人的驱动方式，结构简单、尺寸小，有效地解决了现有的驱动方式中，重力方向(Z方向)容易产生的高频率振动问题；重复精度差等非线性问题；运动范围过小，分辨率与行程范围的矛盾问题，实现了微小机器人平面和重力方向的精确定位。

本发明的混合驱动微小机器人可在微空间或狭窄空间中代替人类完成精密操作、检测；也能够组成微小机器人群，协调控制完成微细操作，为显微操作自动化的实现奠定基础。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种混合驱动式微小机器人的结构，本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种混合驱动式微小机器人的结构，包括平面行走模块和纵向微动模块，微小机器人总共具有四个自由度，其中平面行走模块实现平面上的两个移动自由度和一个旋转自由度，纵向微动模块实现竖直方向的一个移动自由度，平面行走模块直接放置于金属平台上，纵向微动模块则通过支架平台搭载在平面行走模块上；平面行走模块由积层式压电陶瓷(PZT)和电磁铁(EM)联合驱动，纵向微动模块由线性音圈马达(VCM)驱动；所述平面行走模块和纵向微动模块不需要采用传统的运动传递装置(导轨、丝杠等)。

上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述平面行走模块包括两个U型电磁铁和四个积层式压电陶瓷元件，所述两个U型电磁铁垂直交叉，呈“十”字型；所述四个积层式压电陶瓷元件呈正方形排列，且分别位于所述“十”字型划分成的四个区域内，每个积层式压电陶瓷元件的两端分别与两个U型电磁铁连接，整个平面行走模块由所述两个U型电磁铁支撑。

上述一种混合驱动式微小机器人的结构中，所述U型电磁铁由U型导磁铁芯和绕在U型导磁铁芯两垂直端的线圈构成，U型导磁铁芯的中段部分有凹槽。