專利名稱：一種纖毛振動驅動的微型機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及微型機器人技木，尤其涉及的是ー種纖毛振動驅動的微型機器人。
背景技術：
近十幾年來，隨著機器人和微加工技術的迅速發展，微型機器人技術已經應用到機械、化學和醫學臨床診斷等諸多領域。管內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、生物醫學等行業中的細小孔徑管道(或腔道)的檢測和信息采集，所以日益受到研究者的關注。目前，在各類學術期刊上已經報道了多種微型機器人，絕大多數是采用輪式、履帶式或關節伸縮蠕動等驅動方式。目前研究的主流驅動方式是輪式驅動，但是因為驅動輪和傳動機構的尺寸無法做到真正的微型化，從而影響了其在微小環境中的應用，所以驅動機構的微型化問題是微型機器人領域的一大難題。近年來發展起來的微型機器人種類很多，其中蘇州大學發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伏電壓驅動，利用機器人體內所帶的微型電機帶動偏心輪轉動產生一定的振動，通過毛刺與管壁非対稱的碰撞與摩擦，驅動機器人運動(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動方式，容易造成應用管道(腔道)內壁的劃傷甚至破壞，并因為采用單側傾斜的毛刺，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構，需要機器人的毛刺與所應用管道的內壁四周接觸良好，這就使得毛刺機器人只能適用于某一管徑的場合，如管壁內徑發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，現有技術存在缺陷，尚待改進和發展。可見，當前微型機器人的發展迫切需要ー種結構簡單、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動技木。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于設計一種纖毛振動驅動的微型機器人，以其特有的柔軟有彈性的驅動腿避免機器人對應用場合內壁的潛在損傷，并利用振動電動機的振動頻率進行控制，實現纖毛驅動機器人的前進、后退、轉向和行進速度控制，拓展微型機器人的應用場所，同時利用內置能源和通訊芯片實現無線驅動和無線遙控操作，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境中。同吋，具有柔彈性的纖毛驅動腿更加適合于在柔性管壁環境下的應用，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境(如人體消化道、血管等)下的應用，在生物醫學領域中有良好的發展前景。
本發明的技術方案如下
一種纖毛振動驅動的微型機器人，所述的微型機器人利用振動電動機旋轉產生的振動帶動纖毛驅動腿運動驅動微型機器人行進。所述微型機器人的所有結構布置在三層結構之中。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，可根據控制電路信號進行轉速變換。
控制電路模塊與振動電動機模塊和操作模塊連接，根據程序設定或遙控指令向其他模塊發出控制信號，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，微型中央處理器調節振動電動機的轉速，進而控制兩組驅動腿的振動擺幅差異，達到控制微型機器人前進、后退、轉向及行進速度的目的，無線通信芯片實現遙控信號和檢測信號的無線傳輸。操作模塊可根據應用目的執行具體操作動作，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，其與下層結構的纖毛驅動腿構成ー個整體。下層為起驅動作用的纖毛驅動腿，下層結構中至少包括兩組直徑不同，數量不同， 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動腿，纖毛驅動腿在振動電機不同旋轉轉速的振動作用下運動，其中振動電動機可按不同的轉速振動。所述的微型機器人只需要一個振動電動機即可實現機器人的運動。纖毛驅動腿因為直徑不同，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動腿的振動擺幅并不相同(即產生的驅動カ也不相同)，當振動電動機的振動頻率與某組纖毛驅動腿的固有振動頻率接近時則該組纖毛驅動腿的振動擺幅變大(即驅動カ變大)，振動頻率遠離時則該組纖毛驅動腿的振動擺幅變小(即驅動カ變小)。在振動電動機的驅動下，微型機器人會向著兩組纖毛驅動腿振動擺幅的差值正向方向運動，機器人可根據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速，進而可以達到控制微型機器人前進、后退、轉向及行進速度調整的目的。所述微型機器人的中間層和下層結構是ー個整體，采用柔軟有彈性且透明的材料 (如PDMS聚ニ甲基硅氧烷)構成，全部結構可由磨具灌注或者激光光刻技術進行加工制作而成。這樣因構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生變形和恢復形變產生驅動力，并且該材料具有良好的透光性易于對機器人內外環境進行觀察。可見，本發明所提供的微型機器人是對現有機器人技術的ー種改迸，其改進的主要方面有
一、本微型機器人的驅動方式為利用機械振動帶動纖毛驅動腿發生擺動實現機器人運動，易于實現驅動機構的微型化；
ニ、根據纖毛驅動腿的固有頻率不同，在振動電動機不同驅動頻率的振動作用下實現微型機器人的前進、后退、行進速度及行進方向調整的目的；三、微型機器人的操作模塊可根據應用目的執行具體操作動作，可包括但不限于取樣、 檢測、照明、清洗、圖像采集等功能。


圖1為本發明的微型機器人的側視示意圖。圖2為本發明的微型機器人的斜視示意圖。圖3為本發明的微型機器人的控制原理框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖進ー步說明本發明的具體實施方式
。參見圖1和圖2，微型機器人由三層結構組成，上層結構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 ；中間層結構2為起支撐和連接作用的基板；下層結構3為起驅動作用的纖毛驅動腿，分第一組纖毛驅動腿301和第二組纖毛驅動腿302。下層結構3中的兩組纖毛驅動腿數量不同、直徑不同、且傾角對稱，通過磨具灌注技術加工在中間層結構2的下方，與中間層結構2構成ー個整體，中間層結構2和下層結構 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部情況。第一組纖毛驅動腿301 (如18根)和第二組纖毛驅動腿302 (如9根)的數量不等，但水平總截面面積相等，垂直高度相等。因為直徑不同，第一組纖毛驅動腿301和第二組纖毛驅動腿302的固有振動頻率不相同。當發生振動時兩組纖毛驅動腿的振動擺幅也不相同(即產生的驅動カ也不相同)，通過控制電路模塊102可控制兩組驅動腿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動腿(301或302)的固有振動頻率時，則該組纖毛驅動腿的振動擺幅増大 (即驅動カ増大)，因纖毛驅動腿傾斜角度的限制作用，微型機器人向著該組纖毛驅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 可對所處環境根據需要完成相應的取樣、檢測、照明、清洗、圖像采集等操作動作。本發明裝置的實現結構和驅動方法非常簡單，可廣泛應用于電力、化工、供曖、尤其是生物醫學等行業中的細小管道(或腔道)孔徑內部，達到對微小環境內部的檢測和信息采集的需要。本發明中的電源模塊、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，可根據實際應用采用現有的各種可能的方案，為本領域技術人員所熟知，故不再累述。需要注意的是，對于本領域的普通技術人員來說，可根據上述說明加以改進和變換，例如操作模塊的功能和個數，或改變纖毛驅動腿的尺寸、數量、位置、傾斜角度等。而所有這些改進和變換都屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種纖毛振動驅動的微型機器人，其特征在于所述微型機器人包括上、中、下三層結構；下層結構具有至少兩組數量不同、直徑大小不同的纖毛驅動腿，所述纖毛驅動腿與中間層的基板相連接構成ー個整體，各組纖毛驅動腿的總水平截面積相等，垂直高度相等，相鄰兩組纖毛驅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；上層結構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，根據控制電路信號進行轉速變換； 所述控制電路模塊與振動電動機模塊和操作模塊連接，根據程序設定或遙控指令向其他模塊發出控制信號，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，微型中央處理器調節振動電動機的轉速，進而控制纖毛驅動腿的振動擺幅，達到控制微型機器人前進、后退、轉向及行進速度調整的目的，無線通信芯片實現遙控信號和檢測信號的無線傳輸；操作模塊根據應用目的執行具體操作動作；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動源，通過不同振動頻率引起纖毛驅動腿的振動，由于不同組的纖毛驅動腿的直徑不同，固有頻率不同，在振動電動機的相同振動頻率驅動下振動擺幅不同，產生的驅動カ 也不相同，當振動電動機的振動頻率與纖毛驅動腿的固有振動頻率接近時則纖毛驅動腿的振動擺幅變大(即驅動カ變大)，振動頻率遠離時則纖毛驅動腿的振動擺幅變小(即驅動カ 變小)，因此在振動電動機的驅動和纖毛驅動腿傾角的限制下，微型機器人向著兩組纖毛驅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速，進而達到控制微型機器人前進、后退、轉向及行進速度調整的目的。
2.根據權利要求1所述的纖毛振動驅動的微型機器人，其特征在于所述纖毛驅動腿和基板整體采用柔軟有彈性且透明的材料制作。
3.根據權利要求1所述的纖毛振動驅動的微型機器人，其特征在于所述操作模塊根據應用目的，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
本發明為一種纖毛振動驅動的微型機器人，其由三層結構組成，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動腿。纖毛驅動腿在振動電機不同轉速的振動作用下發生振動擺動，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動腿的固有振動頻率接近時則纖毛驅動腿的振動幅度變大，振動頻率遠離時則纖毛驅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速，進而可以達到控制微型機器人前進、后退、轉向及行進速度調整的目的。
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 優先權日2012年2月2日
發明者崔建國 申請人:重慶理工大學