本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域與微型爬行機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合的裝置，具體是一種基于靜電場中結(jié)構(gòu)的自激振動原理、采用直流電壓驅(qū)動的仿生機(jī)械昆蟲。

背景技術(shù)：

足式機(jī)器人相比輪式機(jī)器人有更多的優(yōu)勢，更容易實現(xiàn)在多種地面環(huán)境下運(yùn)動，適合在狹小空間中執(zhí)行任務(wù)。微型機(jī)械昆蟲的機(jī)動性等重要參數(shù)指標(biāo)和其采用何種驅(qū)動系統(tǒng)密切相關(guān)，因此，對微型爬行機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的探索、研究和發(fā)展一直是學(xué)術(shù)界、工業(yè)界關(guān)注的熱點問題。

微型爬行機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)一般由驅(qū)動器、傳動機(jī)構(gòu)、支撐腿三部分組成。隨著微納米加工技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的體積逐步縮小，其運(yùn)動的方式更接近昆蟲，驅(qū)動器選擇也在發(fā)生變化。體積偏大的爬行機(jī)器人，尚可采用技術(shù)成熟、輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)作為驅(qū)動器，再通過傳動機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為帶有一定軌跡的往復(fù)運(yùn)動。然而隨著體積的減小，電機(jī)的性能以及傳動機(jī)構(gòu)的效率因尺度效應(yīng)而急劇下降。目前，昆蟲尺寸量級的爬行機(jī)器人，多采用基于新型驅(qū)動原理的微驅(qū)動器，如壓電陶瓷驅(qū)動器、形狀記憶合金驅(qū)動器。

昆蟲尺寸的爬行機(jī)器人，主要用于在室內(nèi)、洞穴等狹窄空間執(zhí)行任務(wù)，需要響應(yīng)快、速度快，且可攜帶的能源有限，這就要求微爬行機(jī)器人具有反應(yīng)迅速、運(yùn)動速度快以及能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。目前，驅(qū)動器主要有形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動、靜電驅(qū)動、人造肌肉驅(qū)動、壓電陶瓷驅(qū)動等。SMA驅(qū)動的驅(qū)動速度很慢，遠(yuǎn)達(dá)不到執(zhí)行快速響應(yīng)的任務(wù)，且能量轉(zhuǎn)換效率低，用作爬行機(jī)器人效果不佳；傳統(tǒng)靜電驅(qū)動的驅(qū)動位移和驅(qū)動力都很小，人造肌肉驅(qū)動的配套系統(tǒng)重量很大，導(dǎo)致二者產(chǎn)生的動力不能克服較大的摩擦力；壓電陶瓷驅(qū)動的總體性能較為均衡，是現(xiàn)階段比較熱門的微驅(qū)動原理。哈佛大學(xué)Wood等人曾設(shè)計出了一種爬行機(jī)器人HAMR-VP，實現(xiàn)快速爬行。但是其不足之處在于，其高壓交流電源和控制電路由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量大，無法集成在機(jī)器人身上而只能外置，從而導(dǎo)致爬行運(yùn)動所需的能量和控制信號只能通過細(xì)銅線傳導(dǎo)至機(jī)器人上，即僅能實現(xiàn)帶導(dǎo)線爬行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于靜電自激驅(qū)動原理的仿生機(jī)械昆蟲，其采用靜電力作為驅(qū)動力，因為能量轉(zhuǎn)換效率很高；且結(jié)構(gòu)簡單，易于進(jìn)一步微型化。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：本發(fā)明的基于靜電自激驅(qū)動原理的仿生機(jī)械昆蟲，具體包括：骨架結(jié)構(gòu)、排梁結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)、支撐腿、電極結(jié)構(gòu)、電源及配套電路。其中，骨架結(jié)構(gòu)包括兩個帶孔及槽的支撐架，分別用于支撐排梁結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)以及電極結(jié)構(gòu)；排梁結(jié)構(gòu)由兩個或多個導(dǎo)電微梁并排連接組成，其一端固支在一個帶孔支撐架上，另一端懸空或粘一小塊碳纖維片或其他材料的重物；兩個電極結(jié)構(gòu)分別安裝在兩個骨架結(jié)構(gòu)支撐架的槽里，將排梁結(jié)構(gòu)夾在中間，并與之平行；兩個橫梁結(jié)構(gòu)安裝在兩個骨架結(jié)構(gòu)支撐架的槽里，與電極保持平行；支撐腿分別粘在兩個橫梁結(jié)構(gòu)上，與橫梁成一定角度支撐在地面上；電源及配套電路的輸出端與所述電極相連，為兩電極提供可調(diào)直流電壓。

更進(jìn)一步的，當(dāng)直流電壓施加在兩電極上后，穩(wěn)定的靜電場會產(chǎn)生于兩電極之間，此時所述的一段固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)能夠在靜電場中產(chǎn)生自激振動，同時撞動兩邊電極，使整個機(jī)構(gòu)發(fā)生晃動并前進(jìn)，與自然界中爬行昆蟲爬行的姿態(tài)相似。

更進(jìn)一步的，所述骨架結(jié)構(gòu)的材料的制備材料可以是各種非導(dǎo)電輕質(zhì)材料，如塑料、輕木等。

更進(jìn)一步的，所述排梁結(jié)構(gòu)的制備材料可以是各種導(dǎo)電材料，如硅、金、鋁、銅、形狀記憶合金等。所述的電極結(jié)構(gòu)和橫梁結(jié)構(gòu)可以由金屬化薄膜或碳纖維經(jīng)過激光切割制成，或者通過MEMS加工工藝得到。

更進(jìn)一步的，所述的支撐腿的制備材料可以是各種有一定彈性及支撐能力的材料，如碳纖維絲、銅絲、形狀記憶合金絲等。

更進(jìn)一步的，所述電源及配套電路可以是薄膜電容、陶瓷電容或者電化學(xué)電容通過集成電路技術(shù)微型化，并集成在機(jī)身上。

更進(jìn)一步的，由于驅(qū)動原理和結(jié)構(gòu)十分簡單，本發(fā)明的總長度通常小于3cm，經(jīng)MEMS工藝微型化后，本發(fā)明的身長可以小于1cm甚至1mm。

另外，本發(fā)明提供一種用于上述的基于靜電自激驅(qū)動原理的仿生機(jī)械昆蟲的驅(qū)動方法，綜合利用排梁結(jié)構(gòu)自激振動帶動整體機(jī)構(gòu)晃動時兩側(cè)與地面成一角度的支撐腿和地面摩擦力不同，以及利用撞擊使橫梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時橫梁前后部分的與地面成一角度的支撐腿與地面摩擦力不同，從而使機(jī)構(gòu)前進(jìn)。

更進(jìn)一步的，經(jīng)過理論計算和試驗研究，當(dāng)所述的排梁結(jié)構(gòu)由2-5個圓柱形導(dǎo)電微梁并排連接構(gòu)成、且導(dǎo)電微梁的長徑比(長度與直徑之比)為400～800左右、電極間距與導(dǎo)電微梁長度之比為0.05～0.15時，排梁結(jié)構(gòu)能夠在沒有交流驅(qū)動信號的情況下，僅依靠直流電壓，通過自身運(yùn)動狀態(tài)的反饋作用調(diào)節(jié)能量輸入，始終保持在一階固有頻率附近的振動狀態(tài)，并帶動懸臂梁前段粘貼的重物進(jìn)行振動撞擊兩邊電極。從結(jié)構(gòu)動力學(xué)角度來講，所述排梁結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)象屬于一種靜電場中的“自激振動”。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)能量轉(zhuǎn)換效率高。如前所述，仿生機(jī)械昆蟲對于的能量轉(zhuǎn)化效率取決于驅(qū)動器的電-機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率、傳動機(jī)構(gòu)的傳動效率。對于本發(fā)明，首先，其驅(qū)動器是利用電-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換效率很高(90％左右)的靜電力作為驅(qū)動力；其次，本發(fā)明直接采用振動的懸臂梁撞擊兩端電極使整個機(jī)構(gòu)產(chǎn)生晃動的方法驅(qū)動，沒有復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，并且所選用碰撞的材料恢復(fù)系數(shù)都較高，因此傳動效率高。

(2)結(jié)構(gòu)簡單。本發(fā)明提供的基于結(jié)構(gòu)靜電自激驅(qū)動原理的仿生機(jī)械昆蟲，其中懸臂梁結(jié)構(gòu)在靜電場中的自激振動頻率始終保持在一階固有頻率附近，且能夠自動跟隨一階固有頻率的變化而變化，不需要任何復(fù)雜的交流發(fā)生和頻率跟隨裝置，可以脫離導(dǎo)線的束縛自由爬行。另一方面，懸臂梁結(jié)構(gòu)的自激振動可以直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行前進(jìn)，不需要額外的變換機(jī)構(gòu)。本發(fā)明提出的簡單驅(qū)動原理和結(jié)構(gòu)，在降低驅(qū)動器重量、提高行進(jìn)速度與穩(wěn)定性的同時，也有利于機(jī)器人的進(jìn)一步微型化。理論上，利用現(xiàn)有的MEMS加工工藝，本發(fā)明的總長度可以小于1cm甚至1mm。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)軸測圖；

圖2為本發(fā)明的骨架結(jié)構(gòu)一邊的平面圖；

圖3為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)的前視圖(剖視)；

圖4為本發(fā)明工作時排梁結(jié)構(gòu)振動以及整體結(jié)構(gòu)的晃動過程示意圖。

圖5為本發(fā)明工作時橫梁結(jié)構(gòu)受撞擊變形示意圖以及整個過程中腿部摩擦力受力分析示意圖，其中，圖5(a)為撞擊時受力分析示意圖，圖5(b)為撞擊后受力分析示意圖，圖5(c)為橫梁受撞擊變形示意圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為排梁結(jié)構(gòu)，2為電極結(jié)構(gòu)，3為骨架結(jié)構(gòu)，4為橫梁結(jié)構(gòu)，5為支撐腿，6為陶瓷電容器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于靜電自激驅(qū)動原理的仿生機(jī)械昆蟲的一個實施例子，包括：排梁結(jié)構(gòu)1，電極結(jié)構(gòu)2，骨架結(jié)構(gòu)3，橫梁結(jié)構(gòu)4，支撐腿5，陶瓷電容器6。其中骨架結(jié)構(gòu)3為排梁結(jié)構(gòu)1、電極結(jié)構(gòu)2和橫梁結(jié)構(gòu)4提供支撐，支撐腿5與橫梁結(jié)構(gòu)4相連，為整個機(jī)構(gòu)提供支撐。電極結(jié)構(gòu)2間夾有陶瓷電容器6，陶瓷電容器6為電極結(jié)構(gòu)2提供直流電壓。

如圖2所示，骨架結(jié)構(gòu)一邊上有多個小槽與兩個小孔，兩個孔為排梁結(jié)構(gòu)的固支孔，用于固定排梁結(jié)構(gòu)，小槽分別為固定兩個電極結(jié)構(gòu)與兩個橫梁結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，排梁結(jié)構(gòu)1包括兩根長導(dǎo)電微梁平行排列，分別固定在骨架結(jié)構(gòu)3上的兩個小孔中，排梁結(jié)構(gòu)2的自由端部粘貼有小塊導(dǎo)電重物。其中，兩根長導(dǎo)電微梁截面可以是任意形狀(由于圓形截面的摩擦和碰撞損耗較小，本實例去圓形)，長度15～30mm，本實例取20mm，直徑30-60μm(本實例取56μm)，間距0.3-1mm(本實例取0.5mm)。排梁結(jié)構(gòu)1的一端穿過骨架結(jié)構(gòu)2上的兩個小孔并固定，另一端粘貼有一小塊重物以加大撞擊時的力，可根據(jù)實驗要求改變其材料與質(zhì)量，本實例中重物選取為邊長為3mm的正方形碳纖維片。

本發(fā)明的仿生機(jī)械昆蟲的驅(qū)動原理是：采用直流電壓驅(qū)動，基于排梁結(jié)構(gòu)1在靜電場中的自激振動，來撞擊兩側(cè)橫梁結(jié)構(gòu)使其發(fā)生晃動來推動整體結(jié)構(gòu)前進(jìn)的，具體為：將高壓電源的輸出端分別接在兩側(cè)電極結(jié)構(gòu)2上，此時電極2之間會產(chǎn)生一個穩(wěn)定的靜電場；在該靜電場中，排梁結(jié)構(gòu)1因靜電感應(yīng)效應(yīng)而受到靜電力，并克服結(jié)構(gòu)的彈性回復(fù)力產(chǎn)生偏移；當(dāng)直流電壓進(jìn)一步增大時，靜電力和偏移也隨之增大，直到彈性回復(fù)力無法與靜電力保持平衡時，排梁結(jié)構(gòu)1發(fā)生失穩(wěn)(pull-in)而與電極2發(fā)生碰撞；由于排梁結(jié)構(gòu)1固定在絕緣的胸腔骨架3上，既沒有與任何電極相連也沒有接地，處于電勢浮動狀態(tài)，因此排梁結(jié)構(gòu)1與電極2的碰撞并沒有導(dǎo)致短路；與上述碰撞過程同時進(jìn)行的是電極2對排梁結(jié)構(gòu)1的充電和放電過程(使排梁結(jié)構(gòu)1的電勢與電極2的電勢相同，若碰撞的是正電極，則是充電過程，若碰撞的是負(fù)電極，則是放電過程)，由于排梁結(jié)構(gòu)1的電容很小，這一充放電過程可以瞬間完成；碰撞和充放電完成后，由于異性相斥原理，排梁結(jié)構(gòu)1所受的靜電力將反向，靜電力與回復(fù)力共同驅(qū)動排梁結(jié)構(gòu)1向反方向運(yùn)動，直到與另一個電極2發(fā)生碰撞并進(jìn)行充放電；如此反復(fù)，上述排梁結(jié)構(gòu)1和電極2的碰撞和充放電過程，就可以使排梁結(jié)構(gòu)1形成穩(wěn)定的大幅振動。排梁結(jié)構(gòu)1發(fā)生大幅振動，將撞擊橫梁結(jié)構(gòu)4，同時由于支撐腿與地面存在一個角度，故整體結(jié)構(gòu)會發(fā)生如圖4所示的晃動，晃動的結(jié)果是使整個結(jié)構(gòu)達(dá)到前進(jìn)的目的。圖5所示為本發(fā)明前進(jìn)的另一個原理說明：排梁結(jié)構(gòu)1在電場中受力撞擊一側(cè)橫梁結(jié)構(gòu)4，橫梁結(jié)構(gòu)發(fā)生微彎曲變形，如圖5(c)所示，左邊部分受到拉力，有向右運(yùn)動的趨勢，而右邊部分被向左拉，有向左運(yùn)動的趨勢，由于腿與地面存在一個角度，兩邊腿所受的地面支撐力不同，則兩邊所受摩擦力f也不同，如圖5(c)有f₁<f₂。要使整個機(jī)構(gòu)平衡，則需兩邊f(xié)₁＝f₂，則顯然右邊f(xié)₂為靜摩擦力，右邊不會發(fā)生滑動，而左邊f(xié)₁較小為滑動摩擦力，使左部分向右移動。當(dāng)振動的微梁撞擊離開后，如圖5(b)所示，橫梁機(jī)構(gòu)在自身彈性力作用下要恢復(fù)到原始狀態(tài)，產(chǎn)生的力的方向與之前撞擊的相反，若均為滑動摩擦力有f₁’>f₂’，同上分析，產(chǎn)生左半部分不動、右半部分向右運(yùn)動的結(jié)果，至此通過一個完整的撞擊離開動作，整個機(jī)構(gòu)向右前進(jìn)一段距離。當(dāng)排梁結(jié)構(gòu)1撞擊到另一邊的橫梁結(jié)構(gòu)4時，同上述分析，效果相同。由以上兩種原理綜合作用，整個機(jī)構(gòu)可以達(dá)到前進(jìn)的目的。

本發(fā)明中，骨架結(jié)構(gòu)3的制備材料可以是各種非導(dǎo)電輕質(zhì)材料，如塑料、輕木等。排梁結(jié)構(gòu)1的制備材料可以是各種導(dǎo)電材料，如硅、金、鋁、銅、形狀記憶合金等。電極結(jié)構(gòu)2和橫梁結(jié)構(gòu)4可以由金屬化薄膜或碳纖維經(jīng)過激光切割制成，或者通過MEMS加工工藝得到。所述的支撐腿5的制備材料可以是各種有一定彈性及支撐能力的材料，如碳纖維絲、銅絲、形狀記憶合金絲等。所述電源及配套電路可以是薄膜電容、陶瓷電容或者電化學(xué)電容通過集成電路技術(shù)微型化，并集成在機(jī)身上。

總之，本發(fā)明中的排梁結(jié)構(gòu)能夠在直流電壓驅(qū)動下產(chǎn)生自激振動，通過碰撞傳遞能量使整體結(jié)構(gòu)可以前進(jìn)；本發(fā)明舍棄了以往微型仿生機(jī)械昆蟲所必須的復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)十分簡單，大大降低了仿生機(jī)械昆蟲的重量，更容易微型化，讓制成總長度小于1cm甚至1mm的仿生機(jī)械昆蟲成為可能；再加上采用靜電力作為驅(qū)動力，相比壓電驅(qū)動等現(xiàn)有驅(qū)動原理，本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)化效率較高。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述的屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。

以上所述，僅是本發(fā)明的實施例子，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明原理和技術(shù)實質(zhì)對以上實施例子所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。