基于碰撞與粘滑復(fù)合驅(qū)動的微小型機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)研究.pdf

1、微小型機(jī)器人具有小體積、高柔性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在表面檢測、微機(jī)電系統(tǒng)組裝、微外科手術(shù)、生物工程、光學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。微小型機(jī)器人的特點(diǎn)及精密作業(yè)任務(wù)的需求通常要求其移動機(jī)構(gòu)必須具備結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動分辨力高、運(yùn)動速度快等特點(diǎn)，而現(xiàn)有的微小型機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)大都難以同時兼顧以上三個方面的要求。
　　針對精密作業(yè)微小型機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)存在的以上問題，提出一種碰撞-粘滑復(fù)合驅(qū)動的新型移動機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由一體化的基體和柔性驅(qū)動足組成，

2、結(jié)構(gòu)簡單，無傳動副，易于小型化；該機(jī)構(gòu)可以采用粘滑驅(qū)動原理實(shí)現(xiàn)小于1μm的較高的運(yùn)動分辨力；也可以采用碰撞力驅(qū)動原理實(shí)現(xiàn)大于200mm/s的較高運(yùn)動速度。在保證結(jié)構(gòu)簡單的同時解決了高運(yùn)動分辨力與高運(yùn)動速度之間的矛盾。
　　本文提出的移動機(jī)構(gòu)其基本單元是柔性足，機(jī)構(gòu)將利用柔性足的彈性變形和振動實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。在行走表面的約束作用下，柔性足在振動的同時會與行走表面發(fā)生碰撞，基體、柔性足與行走表面構(gòu)成了一個碰撞振動系統(tǒng)。首先，基于模態(tài)分析結(jié)果

3、與模態(tài)疊加理論，對高階振動模態(tài)進(jìn)行截斷，針對低階模態(tài)的振型與頻率構(gòu)造了柔性足的多剛體有限自由度模型，實(shí)現(xiàn)了對無限自由度碰撞振動系統(tǒng)的降維處理。然后，基于Hertz接觸理論與Coulomb摩擦理論建立了柔性足與行走表面的碰撞模型，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量了碰撞引起的柔性足運(yùn)動參數(shù)的變化，結(jié)合參數(shù)分析與綜合，對碰撞模型參數(shù)進(jìn)行了辨識。
　　粘滑驅(qū)動原理主要依靠機(jī)構(gòu)動作的快、慢交替，切換機(jī)構(gòu)與行走表面間的滑移、粘滯狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高分辨力的運(yùn)動。將粘

4、滑驅(qū)動過程分解為粘滯階段與振動滑移階段，對它們分別進(jìn)行靜力學(xué)分析與瞬態(tài)動力學(xué)分析。采用數(shù)值仿真的方法研究了機(jī)構(gòu)振動與摩擦力之間的耦合關(guān)系，得到了不同驅(qū)動電壓下的運(yùn)動分辨力。
　　在一定頻率的正弦信號激勵下，系統(tǒng)進(jìn)入諧振狀態(tài)。柔性足在振動的同時與行走表面發(fā)生碰撞并驅(qū)動機(jī)構(gòu)快速運(yùn)動。研究了柔性足的運(yùn)動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了隨足端振幅增大、系統(tǒng)由擬周期運(yùn)動過渡到混沌的過程。選取碰撞截面建立系統(tǒng)的龐加萊映射，通過研究龐加萊截面上點(diǎn)的分布規(guī)律揭示了基

5、于概率統(tǒng)計規(guī)律的碰撞力驅(qū)動原理。
　　研制了移動機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，該機(jī)構(gòu)尺寸為70mm×35mm×15mm，重量為3克。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能進(jìn)行了測試。采用粘滑驅(qū)動原理，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)0.88μm的運(yùn)動分辨力，分辨力隨驅(qū)動電壓的變化趨勢與理論分析結(jié)果基本吻合，證實(shí)了分析的有效性。采用碰撞力驅(qū)動原理，機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)280mm/s的運(yùn)動速度，當(dāng)激勵頻率為4.05KHz時出現(xiàn)速度峰值，與理論分析結(jié)果基本吻合，碰撞時間測量結(jié)果證