基于碰撞與粘滑復合驅動的微小型機器人移動機構研究.pdf

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

2、結構簡單，無傳動副，易于小型化；該機構可以采用粘滑驅動原理實現(xiàn)小于1μm的較高的運動分辨力；也可以采用碰撞力驅動原理實現(xiàn)大于200mm/s的較高運動速度。在保證結構簡單的同時解決了高運動分辨力與高運動速度之間的矛盾。
　　本文提出的移動機構其基本單元是柔性足，機構將利用柔性足的彈性變形和振動實現(xiàn)運動。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成了一個碰撞振動系統(tǒng)。首先，基于模態(tài)分析結果

3、與模態(tài)疊加理論，對高階振動模態(tài)進行截斷，針對低階模態(tài)的振型與頻率構造了柔性足的多剛體有限自由度模型，實現(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，搭建實驗系統(tǒng)測量了碰撞引起的柔性足運動參數(shù)的變化，結合參數(shù)分析與綜合，對碰撞模型參數(shù)進行了辨識。
　　粘滑驅動原理主要依靠機構動作的快、慢交替，切換機構與行走表面間的滑移、粘滯狀態(tài)，實現(xiàn)高分辨力的運動。將粘

4、滑驅動過程分解為粘滯階段與振動滑移階段，對它們分別進行靜力學分析與瞬態(tài)動力學分析。采用數(shù)值仿真的方法研究了機構振動與摩擦力之間的耦合關系，得到了不同驅動電壓下的運動分辨力。
　　在一定頻率的正弦信號激勵下，系統(tǒng)進入諧振狀態(tài)。柔性足在振動的同時與行走表面發(fā)生碰撞并驅動機構快速運動。研究了柔性足的運動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了隨足端振幅增大、系統(tǒng)由擬周期運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)律的碰撞力驅動原理。
　　研制了移動機構的實驗樣機，該機構尺寸為70mm×35mm×15mm，重量為3克。搭建了實驗系統(tǒng)，并對機構的運動性能進行了測試。采用粘滑驅動原理，該機構可以實現(xiàn)0.88μm的運動分辨力，分辨力隨驅動電壓的變化趨勢與理論分析結果基本吻合，證實了分析的有效性。采用碰撞力驅動原理，機構可以實現(xiàn)280mm/s的運動速度，當激勵頻率為4.05KHz時出現(xiàn)速度峰值，與理論分析結果基本吻合，碰撞時間測量結果證