專利名稱：微型多節電磁和壓電蠕動機器人系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種蠕動機器人系統，特別是一種微型多節電磁和壓電蠕動機器人系統。屬于機電技術領域。
背景技術：
微型機器人因其外形尺寸很小，便于進入微小空間實施操作，故能廣泛應用于原子能，石油化工，細小工業管道的檢測及維修，人體腸道、血管等的醫療檢查及醫治等領域。二十世紀90年代以來，很多國家都在致力于微型管道機器人和微型醫用機器人等相關方面的研究。
目前報道的微型管道機器人和微型醫用機器人有多種，主要集中于形狀記憶合金、電磁、電機和壓電驅動的機器人，每種驅動方式都有各自的優缺點。形狀記憶合金驅動器功重比高，但耗能大、響應頻率低，機器人的動作速度難以提高。電磁驅動和電機驅動方式都存在體積難于進一步微型化、發熱嚴重等問題。壓電驅動具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、線性好、頻率響應高、發熱小、無噪聲、易于控制等優點，最大的不足是驅動位移太小。經文獻檢索發現，中國專利名稱為微型多關節電磁蠕動機器人系統，專利申請號為99127201.3，專利公開號1257339，該專利介紹的微型多關節電磁蠕動機器人系統采用了若干個驅動單元件和前艙、后艙聯接成系統的方式，驅動單元件之間以及與前后艙與驅動單元件之間都采用萬向節連接，形成了多節的蠕動系統，采用的是動圈式電磁驅動單元件。該系統攜帶光學成像、傳像、照明等裝置，自動進入人體腔道，以實現當前生物醫學工程領域倡導的體內“微創和無創”診療。該機器人動作原理雖對狹小、柔軟、彎曲的環境具有良好的適應性，但電磁驅動方式存在體積難于進一步微型化、發熱、功重比難于進一步提高等方面問題。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種微型多關節電磁和壓電蠕動機器人系統，使其綜合電磁和壓電驅動的優點，既能產生較大驅動力和較快的運動速度，又控制可靠，運動穩定，發熱小，適于微型管道和柔軟、彎曲環境下的運動，是自治進入微小空間或微小管道完成在線和實時檢測的一種新方法。
本發明是通過以下的技術方案實現的，本發明包括驅動單元件、彈性密封膜、前艙、后艙和萬向節。驅動單元件之間以及前艙、后艙與驅動單元件之間通過萬向節連接，并用彈性密封膜密封，驅動單元件由壓電體、第一電磁鐵、第二電磁鐵和套筒構成，壓電體的兩端分別與第一電磁鐵和第二電磁鐵固定粘結，形成驅動單元件的驅動器。驅動器與套筒之間有微小間隙，使之能在套筒內前后運動，每個驅動單元件的驅動器與下一節驅動單元件的套簡或者是后艙連接。
本發明的兩個電磁鐵在時序作用下交替地吸附在套筒上或者放松，壓電體伸長或者收縮，驅動器輸出單一方向的位移，改變控制時序，驅動器輸出位移的方向發生改變。每個驅動單元件的驅動器與下一節驅動單元件的套筒或者是后艙連接，在適當時序的控制信號作用下，機器人系統實現蠕動爬行動作，改變控制信號頻率，機器人蠕動爬行速度發生改變，改變控制信號時序，機器人蠕動爬行方向發生改變。
因此，只要對各個驅動單元件的每個部件施加一定時序控制電壓信號，機器人系統就能夠實現要求的運動；改變控制時序，機器人運動方向改變；在一定范圍內改變控制信號頻率，即能實現機器人不同的驅動速度。
與現有技術相比，本發明采用了電磁和壓電相結合的驅動單元件，驅動方式發熱小，噪聲低，尺寸小，運行平穩，更易于控制。本發明具有如下優點(1)驅動單元件結構簡單，其關鍵件僅為壓電器件和電磁線圈，尺寸很小；(2)位移傳遞主要依靠電磁鐵與套筒的吸附力，系統的配合、加工精度及裝配要求降低，控制可靠；(3)位移量可通過加在壓電體上的電壓波形、幅值和頻率調節，運動方向可通過兩個電磁鐵的控制時序而改變，控制方便；(4)單驅動器亦可在鐵磁材料的界面上實現可靠運動。


圖1為本發明結構簡2為驅動單元件結構簡3為驅動單元件運動原理示意4為驅動單元件控制信號波形5為本發明工作原理示意圖具體實施方式
如圖1、圖2所示，本發明包括驅動單元件1、彈性密封膜2、前艙3、后艙4和萬向節5。各節驅動單元件1之間、前艙與驅動單元件1之間以及后艙4與驅動單元件1之間通過萬向節5連接，并用彈性密封膜2密封，驅動單元件1由壓電體6、電磁鐵7、電磁鐵8和套筒9構成，壓電體6的兩端分別與電磁鐵7和電磁鐵8固定粘結，形成驅動單元件1的驅動器10。驅動器10與套筒9之間有微小間隙，使之能在套筒9內前后運動，每個驅動單元件1的驅動器10與下一節驅動單元件1的套筒9或者是后艙4連接。
如圖3所示，驅動單元件的運動過程如下(0)為初始狀態，壓電體6放松，電磁體7和電磁體8通電，吸附在套筒9上；(1)電磁體7斷電，不再吸附套筒9；(2)壓電體6伸長，推動電磁鐵7向右運動一個微位移d；(3)壓電體6完全伸長后，電磁鐵7吸附；(4)電磁鐵8放開；(5)壓電體6收縮為原狀，拉動電磁鐵7向右運動一個微位移d。可見，經過一個時序之后，驅動器在套筒9里向右運動了一個微位移d，重復上述控制過程，可以形成較大的位移。改變控制時序，即交換電磁鐵7和電磁鐵8的控制信號，可以實現向左的運動。圖4為驅動單元件的控制信號圖，V1，V2，V3分別為電磁鐵8，壓電體6和電磁鐵7的控制電壓，6個脈沖分別對應圖3中的運動過程的(0)到(5)步。
如圖5為本發明的工作原理示意圖，給三個驅動單元件1分別編號A、B、C。下面結合圖4和圖5分別介紹各個步驟(1)蠕動機器人系統的初始狀態。
(2)編號為B和C的驅動單元件1的電磁鐵7和電磁鐵8吸緊套筒9。編號為A驅動單元件1加圖4(a)所示控制信號，一個循環結束后其驅動器在套筒9中右移微位移d，并將后艙4拖動，其余部分不動，循環多次后形成h的位移。
(3)編號為C的驅動單元件1的電磁鐵7和電磁鐵8吸緊套筒9，編號為A的驅動單元件1不加控制信號，處于放松狀態。編號為B的驅動單元件1加圖4(a)所示控制信號，一個循環結束后其驅動器在套筒9中右移d，并將編號為A的驅動單元件1的套筒9拖動，其余部分不動，循環多次后形成位移h。
(4)編號為A的驅動單元件1的電磁鐵7和電磁鐵8吸緊套筒9，編號為B的驅動單元件1不加控制信號，處于放松狀態。編號為C的驅動單元件1加圖4(a)所示控制信號，一個循環結束后驅動器在套筒9中右移d，并將編號為B的驅動單元件1的套筒9拖動，其余部分不動，循環多次后形成位移h。
(5)編號為A和B的驅動單元件1的電磁鐵7和電磁鐵8吸緊套筒9，編號為C的驅動單元件1加圖4(b)所示的控制信號，一個循環結束后其套筒9被驅動器向右推動位移d，并將前艙3推動，其余部分不動，循環多次后形成位移h。
經過上述一個循環之后，機器人向右運動一個行程h。如果將驅動單元件1運動次序改為C、B和A，在(1)到(3)時加圖4(b)所示控制信號，最后編號為A的驅動單元件1加圖4(a)所示控制信號，將其套筒9和后艙4推動，則機器人形成向左的運動。
權利要求
1.一種微型多節電磁和壓電蠕動機器人系統，包括驅動單元件(1)、彈性密封膜(2)、前艙(3)、后艙(4)和萬向節(5)，其特征在于，各節驅動單元件(1)之間、前艙(3)與驅動單元件(1)之間以及后艙(4)與驅動單元件(1)之間通過萬向節(5)連接，并用彈性密封膜(2)密封，驅動單元件(1)由壓電體(6)、電磁鐵(7)、電磁鐵(8)和套筒(9)構成，壓電體(6)的兩端分別與電磁鐵(7)和電磁鐵(8)固定粘結，形成驅動單元件(1)的驅動器(10)，驅動器(10)與套筒(9)之間有微小間隙，能在套筒(9)內前后運動。
2.根據權利要求1所述的微型多節電磁和壓電蠕動機器人系統，其特征是，每個驅動單元件(1)的驅動器(10)與下一節驅動單元件(1)的套筒(9)或者是后艙(4)連接。
全文摘要
一種微型多節電磁和壓電蠕動機器人系統。屬于機電技術領域。本發明包括驅動單元件、彈性密封膜、前艙、后艙和萬向節。驅動單元件由壓電體、第一電磁鐵、第二電磁鐵和套筒構成，壓電體的兩端分別與第一電磁鐵和第二電磁鐵固定粘結，形成驅動單元件的驅動器。本發明驅動單元件結構簡單，其關鍵件僅為壓電器件和電磁線圈，尺寸很小，位移傳遞主要依靠電磁鐵與套筒的吸附力，系統的配合、加工精度及裝配要求降低，控制可靠，位移量可通過加在壓電體上的電壓波形、幅值和頻率調節，運動方向可通過兩個電磁鐵的控制時序而改變，控制方便；單驅動器亦可在鐵磁材料的界面上實現可靠運動。
文檔編號H02N2/02GK1544208SQ20031010873
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月20日 優先權日2003年11月20日
發明者顏國正, 盧秋紅, 周曲, 丁國清, 顏德田 申請人:上海交通大學