微型机器人驱动系统

1微型机器人的驱动系统种类总结一、SMA驱动的全方位轮式蠕动微机器人形状记忆合金SMA是一种新型功能材料，其特点是具有形状记忆效应，SMA驱动器在特殊场合可代替传统驱动器，如马达气缸等，具有功率质量比大、结构简单、无噪音、无污染、易于控制等特点，因此广泛用作微小型机器人驱动器。SMA驱动器驱动原理如下：1．SMA驱动的全方位轮式蠕动过程①SMA弹簧加热收缩,前轮不动(左边轮为前轮)，后轮前移动，弹性杆恢复原长，前车体和后车体分别绕轮轴转动至垂直位置。车体外形由图1(1)变至图1(2)。图1(1)图1(2)②SMA弹簧继续加热收缩，前车轮继续保持不动，后车轮继续向前滚动，弹性杆松弛，偏置弹簧侧向弯曲，前后车体保持垂直姿态。车体外形由图1(2)变至图1(3)图1(2)图1(3)③SMA弹簧冷却，前车轮向前滚动，后车轮在自锁机构的作用下保持不动，弹性橡皮带逐渐由松弛到拉直状态，前后车体仍旧保持与地面垂直姿态。车体外形由图1(3)变至图1(4)2图1(3)图1(4)④SMA弹簧继续加热收缩，前车轮继续向前滚动，后车轮继续保持不动，弹性杆绷紧，前后车体分别绕轮轴转动至对称位置。车体外形由图1(4)恢复至初始状态图1(1)图1(4)图1(1)图1SMA驱动的全方位轮式蠕动过程示意图至此微型车完成了一个周期的向前蠕动，重复以上步骤微型车可连续向前蠕动。2.存在问题①由于偏心轮逆止机构阻止车轮向后滚动因而微型小车只能前进不能后退。②采用单一的SMA直线驱动器尚无法实现转弯功能。3.改进方案针对以上两个方面的缺点，采用双向自锁装置以实现小车的后退功能。如图2所示。3图2双向自锁装置图3四连杆双向自锁机构原理图工作原理如下：微型蠕动机器人的双向自锁机构如图3所示，摩擦轮2摩擦轮8均铰接在车体上并与横杆5构成平行四连杆结构，竖杆4固定在车体上；SMA丝6一端固定在竖杆4上，另一端固定在摩擦轮8上，此外自锁机构配有两个微型扭簧，扭簧的一端分别固定在摩擦轮2和8上，另一端固定在车体上；当机器人向前蠕动时，SMA丝6冷却，平行四边形双向自锁机构的状态如图a所示，摩擦轮2与车轮接触起锁止作用，使车轮只能向前滚动从而使机器人向前蠕动。机器人反向蠕动时，通过PWM电流对SMA丝6进行加热，SMA丝收缩，从而带动四连杆机构转过一定角度，此时自锁机构的状态如图b所示，摩擦轮1与车轮接触起锁止作用，使车轮只能向后滚动从而使机器人向后蠕动。同时，为实现小车转弯功能，采用如图4所示结构。4图4实现转弯功能的原理结构图二、不同螺纹下微型机器人的无损伤驱动方法目前,国内外对管内行走机器人已经做过许多研究,也提出了各式各样的驱动机构。这些机构驱动机器人在管内行走时,会与管壁发生直接接触,机器人和管壁之间形不成良好的液体润滑状态,当这些机器人对人体肠道或血管进行手术时会很容易造成对人体软组织的损伤,并使病人感受很大的痛苦。研究表明,人体内腔如食道、肠道内腔壁上大都覆盖着一层粘液，一些内腔如血管、小肠等还充满粘液,此种粘液可看成一层动压润滑粘液膜。新型无损伤驱动机器人即利用人体内腔中存在粘液,运用流体动压润滑原理使微型机器人在体内运行时形成动压润滑粘液膜,从而使微型机器人处于悬浮状态,这样就达到了无损伤驱动的目的。由于该机器人中的微电机和圆柱体螺纹均采用矩形螺纹，这种新型的无损伤驱动医用微型机器人（见图5）由一个带右螺旋槽的圆柱形微电机、一个带左螺旋槽的圆柱体和一个柔性联轴器构成。当正向接通微电机电源时，带左螺旋槽的圆柱体顺时针转动，带右螺旋槽的微电机外壳逆时针转动，但两者产生的轴向摩擦牵引力方向相同，从而能带动微型机器人前进；当反向接通微电机电源时，则使微型机器人后退。当它在充满液体的微型管道内运行时，周围会自动形成一层液体动压润滑膜，此膜能使它避免与管道壁直接接触，并为其提供驱动力。图5医用微型机器人驱动机构示意图5三、超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微型机器人以超磁致伸缩薄膜为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是以超磁致伸缩薄膜驱动器为尾鳍,通过改变时变振荡磁场的驱动频率,在超磁致伸缩薄膜的磁机耦合作用下,将时变振荡磁场能转换成驱动器的振动机械能,振动的超磁致伸缩薄膜驱动器再与液体耦合,便产生了机器人的推力，如图6所示。图6超磁致伸缩薄膜的变形图7双鳍鱼形微型机器人图8四鳍鱼形微型机器人6四、仿趋磁细菌的微型机器人为了克服现存微型机器人运动灵活性欠佳的缺点,借鉴趋磁细菌的运动方式,设计了一种内外联合调控的仿生微型机器人。该微型机器人的螺旋桨模仿趋磁细菌的鞭毛,主动推进机器人运行；其体内的永磁块模仿趋磁细菌的磁小体链,与体外导向磁场相互作用控制其运动方向；结果表明,该微型机器人可实现运行速度和运行方向的灵活控制,可在非磁性细小管路的探测中发挥重要作用。仿趋磁细菌的微型机器人的结构示意图如图9所示,包括以下部分:外壳、永磁块、射频接收电路板、微型电机、两组钮扣电池、螺旋桨。微型机器人外壳的头部圆滑,外部无突起和沟槽,其底部有腔体并在其中间开一个轴向通孔；微型电机为微型永磁直流电机,其通过轴向通孔与螺旋桨同接；射频接收电路板接收外部的控制信号,控制微型电机的启动、停比以及转动速度；微型电机与射频接收电路板分别由装在机身内的钮扣电池供电。图9微型机器人结构示怠图五、利用细菌能量驱动的微型机器人利用细菌能量和控制细菌的运动不仅是科学家的梦想，还存在着很多的应用，利用细菌能量驱动的微米级及纳米级的微型机器人可能在现代生物学、化学研究及医学研究、治疗领域有着重要的应用前景。能源供给问题和行为控制问题是微纳机器人研究的重要方向。1．细菌能量驱动理论细菌是一种简单有效的在低雷诺数下游动的生物体，它不需要外部能量来驱7动，而且还能在低雷诺数的液体（如人体血液）里自由快速游动，这种细菌驱动方法引起了科学们的兴趣。细菌按驱动方式可分为鞭毛型和滑动型两种，鞭毛型细菌通过鞭毛的高速旋转获得前进的驱动力(见图10)；而滑动型细菌全身无鞭毛，只能在固体或半固体表面滑动前进(见图11)。图10鞭毛型细菌图11滑动型细菌2．鞭毛型细菌游动原理在多鞭毛细菌中，多根鞭毛一般绑定成束向逆时针方向旋转，从而产生强大的推动力，推动细菌向前移动；而顺时针旋转(CW)时，对应的鞭毛丝从绑定束中脱离，鞭毛解束，此时脱离的旋转鞭毛产生的推进力方向各不相同，菌体在不同方向力作用下，原地翻转(tumble),从而可以改变菌体的运动方向。如图12所示：图12细菌鞭毛表面形态示意图