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1、苏州大学第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛基于谐振驱动原理的微型移动科技发明制作摘 要：微型机器人是随着微机电、微制造等技术的迅速发展而产生的机器人领域新的研究方向，在军事、医疗、精密作业等领域具有重要的应用前景。本课题提出了一种新型谐振式移动机构。创造性地利用了机构的振动和弹性变形进行驱动，将整个移动机构简化为一个构件，具有无线控制、运动速度快、功耗低、易于小型化和批量制造的优点。所研制的陆地机器人，管道机器人和水面机器人可作为通用移动平台搭载作业装置或微型传感器，进行单机或多机组网作业，用于微小精密元件的组装，检测狭小空间的有毒气体、核工业中的放射性物质和大范围的水面环境监测，或作
2、为军事侦察设施用于城市巷战以及广阔水域中的情报搜集等。关键词：谐振驱动；微型机器人；无线控制；侦察；检测；Abstract: Micro-robot, with the MEMS, micro-manufacturing technologies arising from the rapid development of new research field of robotics, It is applied in military, medical, precision operation and other important areas.This project proposes a
3、new type of resonant mobile body.Creative use the vibration and elastic deformation of the body to drive, the whole moving body is reduced to a component, It has wireless control, movement speed, low power consumption, compact and easy-to-volume manufacturing advantages.The developed land robot, min
4、iature pipeline robot and Water-moving micro-robot can be used as general-purpose mobile robot platform equipped plant or micro-sensor network for single or multi-machine operation, precision components for the assembly of small, toxic gas detection confined space, nuclearIndustry radioactive materi
5、al and a wide range of water environment monitoring, military surveillance or as facilities for urban warfare and intelligence gathering in the vast waters, and so on.Keywords: resonant-driven; micro-robot; wireless control; reconnaissance; detection;一、 背景 本项目当前的研究现状近些年随着微电子技术、精密微加工及一体化制造技术、微传感技术，新材
6、料、特别是MEMS技术的发展，在机器人家族中又诞生了一个新的分支微小型机器人。对微小型机器人的研究将在很大程度上刺激新型致动材料、新型驱动原理、极端制造方法、高能量密度的新能源等相关技术领域的发展。微型移动机器人在军事、医疗、精密作业等领域具有重要的应用前景。n 军事： 微型机器人具有体积小、隐蔽性好、机动性好、生存能力强、成本低等特点，在城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争中具有重要作用。其可在微小空间进行可控操作；可吸附于敌方移动装备，隐蔽地潜入敌人作战指挥中心搜集重要情报或进行电磁强干扰；可安装微型高能炸药或携带某种极小弹头，攻击敌方电子装备的关键部件；也可在战场探
7、测核生化战剂等。 “蚊蝇飞行器”、“蚂蚁机器士兵”、“智能尘埃”等微型机器人在现代战争的“点穴战”中具有不可估量的重要作用。图1军用微型机器人n 精密作业： 微型机器人具有价格低廉（可批量制造）、能在狭小空间作业（如原子力显微镜真空腔内等）、高度柔性的优点，可方便地根据需要增减微小型机器人的数量来改变系统的规模及功能，并可针对不同任务目标快速组装新的作业系统。德国卡尔斯鲁厄大学等8所科研机构共同开发的MINIMAN系列微机器人，成功实现了微齿轮的装配和花粉细胞拾取等精密作业。美国MIT研制的Nanowalker微型机器人能够对物体表面进行纳米级精密测量。这些系统展现了微型机器在精密作业领域广阔
8、的应用前景。 图2精密作业微机器人但随着机器人的特征尺度由宏观向介观甚至微观的延伸，尺度效应引发的能源供给与消耗之间的矛盾变得越发难以解决。这对微型机器人的机构、驱动、设计与控制等方面提出了新挑战。寻求高功率/自重比的驱动部件、高效率的微型移动机构成为了目前微型机器人研究领域的重要研究内容。本课题就是针对微机器人研究中面临的以上问题提出一种利用谐振原理驱动的新型微机器人。该机器人通过机构的振动实现运动，将整个移动机构简化为一个构件，实现了致动、传动、执行元件的一体化，使得结构简单易于小型化和批量制造。二、本项目研究的基本思路本课题研究基于如图1所示的谐振式移动机构本体。图3谐振式微型移动机器人
9、三维结构图项目研究主要从以下几个部分展开：谐振驱动机理分析 研究谐振驱动机构在支撑表面约束下的复杂振动和机构与支撑表面之间的碰撞力，并分析谐振驱动机理。基于谐振驱动的移动机构设计 基于谐振驱动原理，选择致动材料，设计致动、传动、执行一体化的移动机构。控制、驱动系统小型化与低功耗设计 根据致动材料的特性与移动机构的工作频率设计小型化的驱动电路，以低功耗为原则开发嵌入式控制与通讯模块并编写相应软件程序。新型特殊功用机器人的机构设计 在机器人发明创新领域，根据机器人的驱动原理设计出新型机器人作业机构，使机器人在特殊工作场合也能够达到制动、传动、控制、执行一体化。主要研究方向为微型工业管道机器人，微型
10、水上移动机器人。样机研制与实验研究 研制试验样机并搭建实验系统。观测机构的振动曲线，验证驱动机理的理论分析结果。对样机的速度、能耗的频率特性进行实验研究在项目的研制过程中，为了提高项目的先进性与应用性研究重点将主要放在：如何采用谐振原理解决微型机器人运动效率与能耗之间的矛盾；进行能源模块、主控模块、驱动模块、无线通信模块的系统集成与小型化设计；研制出运动速度快、无缆的、可长时间（1小时以上）持续工作的面向精密作业的地面微型移动机器人样机；针对研究成果的创新性和实用价值申请发明专利。三、项目的基本研究过程图4 项目实际研究框图首先对机构的实现和运动机的理进行可行性分析。根据机理分析结果与项目预研
11、实验，设计谐振式移动机构的本体结构。在弹性较好的弹簧钢带上，利用放电加工手段制成特定的平面结构，再弯折成空间结构作为弹性基体，在弹性基体上粘接双压电膜，制成移动机构本体。以低功耗和小型化为原则，选取MSP430系列微处理器作为主控芯片，利用微处理器的D/A模块外加微型运放驱动双压电膜，采用集成式红外接收头为通讯模块。将主控、驱动、通讯电路及电源模块集成在一块电路板上并将电路板与移动机构本体固连，完成样机制作。根据完成的实验样机进行用于工业狭长管道检测的微型移动机器人和水面微型机器人的研制开发。具体的研究过程如下：a.面向精密微作业的地面微型移动机器人样机；（1）机构驱动机理的研究 在项目初期团
12、队成员就对项目中机器人的新型谐振驱动机理进行系统、认真的学习，在老师的指导下研究谐振驱动机构在支撑表面约束下的复杂振动和机构与支撑表面之间的碰撞力，了解了所研究项目机器人采用的新型驱动方式。（2）微型机器人机构设计与制作 首先，在0.2mm 厚的不锈钢带上用微细放电加工方法制作出柔性足基体。然后，将各柔性足的子结构向同一方向弯折80，并进行淬火以保证其具有一定的弹性。最后，在基体上粘接双压电膜致动器与电路板，去除辅助连接并将双压电膜电极引出。最终完成的微小型机器人移动机构样机如图所示，其总体尺寸为70mm35mm15mm，重约3 克。图5 微型机器人机构实物图（3）微型机器人控制、驱动系统小型
13、化与低功耗设计 在微型机器人控制、驱动系统小型化与低功耗设计方面我们选择了具有超低功耗的单片机MSP430F149进行嵌入式系统的开发，并选用集成度高外围元器件少的无线收发一体芯片nRF2401AG用于控制信号的传输。基于在微型机器人上安装单片机和无线通信模块，通过和PC机的无线通信，由PC机传送数据指令，控制微型机器人灵活移动的设计思想。绘制控制电路原理框图。图6 控制电路原理框图（4）电路板加工 我们将已经调试好的实验电路板各部分进行整合、优化，并通过合理的电路布局和去掉多余部分的元器件、采用微小的贴片元件，使机器人的驱动、控制电路达到进一步的微型化，为了保证最终微型机器人控制电路的质量已
14、将设计好的电路图纸送到电路板制造商进行电路板的加工。 图7微型机器人嵌入式控制与通讯模块 图8无线控制微型机器人样机（5）PC机控制界面设计 用Visual C+编写程序，设计了PC机部分微型机器人控制界面，通过串口将PC机和无线信号发送器相连接并传送指令来控制此机器人的运动。图9 微型机器人PC机控制界面（6）微型机器人的样机实验 在样机研制与实验方面，已经研制出一款基于谐振的微型机器人试验样机并搭建了实验系统，对样机的速度、能耗以及频率特性进行了大量的实验研究，有低功耗实验；运动方向频率测定实验和直线速度测定实验.得到了准确的实验数据，验证了驱动机理的理论分析，总结归纳了试验样机的各项性能
15、指标，符合当初的设计要求。 图10直线速度测定实验原理图 图11 直线速度测定实验实物图 图12 速度随激励频率的变化曲线 图13 速度随驱动电压的变化曲线 直线运动速度实验结论：1 当激励频率在4.05KHz 附近时，运动速度具有明显的峰值。随激励频率的偏离，运动速度下降；2 运动速度随激励电压的提高而增加， 当激励频率为4.05KHz、激励电压为10V 时，运动速度可达280mm/s；3 当激励电压较低时，运动存在死区，死区的大小与激励频率有关。当激励频率为4.05KHz 时，只需1V 的激励电压即可产生运动，运动速度可达16.8mm/s；b基于谐振驱动原理的微型工业管道机器人。图14 工业管道机器人机构图 图15 工业管道机器人柔性足正视图图16 工业管道机器人实物图本发明已完成机构设计，样机加工，同步申请专利。其目的是针对现有技术的不足，提出一种新型谐振式微小型管道机器人移动机构，通过压电膜激励柔性足产生谐振，进而驱动机器人运动。此移动机构无传动副，具有结构简单、易于小型化，且运动速度快、分辨力高的优点，可以极大提高微小型管道机器人的运动性能。c基于谐振驱动原理的水上微型移动机器人。现已完成方案设计，制作出样机，完成了支撑足的疏水处理方法（西北工业大
