一种微型机器人

1.本发明涉及微型机器人领域。


背景技术：

2.随着微机电系统(mems)科学与技术的发展，微型机器人技术应运而生。具有毫米和厘米级组件的微型机器人比大型机器人拥有更多优势：它们的小尺寸能够在大型机器人不可行或不可能的环境中运行，能够在狭小的环境中进行精细的操作；微型机器人造价低廉，可以大批量生产，并且可以用他们组建灵活性高且鲁棒性强的传感通信网络。也正因如此，激励着世界各国科研人员不断对微型机器人在一些苛刻条件下的应用展开研究，比如微型机器人可以在自然灾害救援、自然环境探测、医疗检查甚至军事领域展现其不凡的作用。
3.由于柔性机器人的机体本质上由柔软或者可伸长的材料制成，这些材料可以变形并能吸收碰撞产生的大部分能量，与刚性机器人相比，柔性机器人体积小、质量轻，具备更强的负载体重比，柔性可变形的身体结构可以减少对外界环境硬接触时带来的冲击破坏，如在踩踏、碾压后仍能正常工作。较高的鲁棒性和与人体接触的安全性逐渐让科研人员重视起对柔性微型机器人实际应用的研究。但是正是由于柔性结构的设计，也使得负载质量对机器人运动性能的影响更加显著。虽然现在有可以实现转向的柔性机器人，但是在背负负载的情况下柔性微型机器人的转向还不够灵活。如何在柔性微型机器人背负电子设备、传感器、救援药品等负载的情况下实现高灵活度的转向，对柔性微型机器人实现实用化具备重要的价值和意义。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种微型机器人，可以在背负负载的情况下实现高灵活度转向。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种微型机器人，其具有行进动力源，该微型机器人包括机器人骨架和位于所述机器人骨架下方的结构层，所述机器人骨架包括带有支撑结构的躯干，所述结构层包括前腿部、后腿部、左静电力吸附脚垫、右静电力吸附脚垫、左连接薄膜以及右连接薄膜，所述前腿部和所述后腿部的上表面连接于所述躯干的下表面，所述前腿部和所述后腿部与地面接触的部分为圆弧形，所述左静电力吸附脚垫通过所述左连接薄膜连接于所述前腿部的圆弧形部分的一侧，所述右静电力吸附脚垫通过所述右连接薄膜连接于所述前腿部的圆弧形部分的另一侧。
8.进一步地：
9.所述支撑结构包括四个支撑柱、前支撑横梁以及后支撑横梁，其中二个支撑柱设
置在所述躯干的前部的两侧，所述前支撑横梁设置在所述二个支撑柱上，另外二个支撑柱设置在所述躯干的后部的两侧，所述后支撑横梁设置在所述另外二个支撑柱上。
10.还包括粘接在所述支撑柱用于加固所述支撑柱的加固薄膜。
11.所述前腿部和所述后腿部还包括用来粘接所述躯干的矩形部分。
12.所述前腿部的矩形部分与圆弧部分的夹角范围为[30度，90度]，所述后腿部的矩形部分与圆弧部分的夹角范围为[90度，150度]。
[0013]
所述前腿部和所述后腿部各由薄膜材料折叠形成所述矩形部分与所述圆弧部分，所述前腿部和所述后腿部各自展开后的总长度范围是[6毫米，20毫米]，所述圆弧部分与地面接触的切线到折叠线的距离范围是[3毫米，17毫米]。
[0014]
所述前腿部和所述后腿部的矩形部分的宽度与所述躯干的宽度一致。
[0015]
所述躯干、所述前支撑横梁、所述后支撑横梁、所述支撑柱、所述前腿部、所述后腿部的表面设有用于实现连接的粘性层。
[0016]
所述机器人骨架和所述结构层采用聚合物薄膜材料。
[0017]
所述聚合物薄膜材料为pet、pi、pdms、tpu和硅橡胶中的一种或者任意组合。
[0018]
所述行进动力源为柔性压电薄膜。
[0019]
本发明具有如下有益效果：
[0020]
在本发明实施例中，微型机器人包括机器人骨架和位于所述机器人骨架下方的结构层，所述机器人骨架包括带有支撑结构的躯干，所述结构层包括前腿部、后腿部、左静电力吸附脚垫、右静电力吸附脚垫、左连接薄膜以及右连接薄膜，前、后腿部与地面接触的部分为圆弧形，左、右静电力吸附脚垫分别通过左、右连接薄膜连接于所述前腿部的圆弧形部分的两侧，其中，支撑结构可用来支撑负载，该负载可以是驱动机器人的电源设备，也可以是传感器和救援药品等，并且，由于本发明实施例的微型机器人的前、后腿部与地面接触的部分均为圆弧形，当左静电力吸附脚垫或右静电力吸附脚垫吸附在地面上时，该微型机器人的重心会向吸附在地面上的脚垫一侧偏移，可以增加机器人的转向力矩，从而提高机器人的转向灵活性，并且大大缩短了机器人的转向半径，可以让机器人实现原地旋转。由此，本发明提出的微型机器人能够在背负负载的情况下，依靠圆弧腿结构的设计和静电力吸附脚垫实现灵活的转向，且能够实现很小的转弯半径。该微型机器人转向控制灵活，速度快，且带负载能力强。
附图说明
[0021]
图1为本发明实施例的微型机器人的爆炸图；
[0022]
图2为本发明实施例的微型机器人顺时针和逆时针旋转的重心轨迹图。
[0023]
图3为本发明实施例的微型机器人进行走迷宫的路径图；
[0024]
图4为本发明实施例的微型机器人的流程图；
[0025]
图5为本发明实施例的微型机器人的实物图。
具体实施方式
[0026]
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0027]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
[0028]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0029]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0030]
图1为本发明实施例柔性微型机器人的结构示意图，微型机器人具有行进动力源(未图示)。如图1所示，该柔性微型机器人包括：机器人骨架1、位于机器人骨架1下部的结构层2，其中，
[0031]
机器人骨架1包括带有支撑结构的躯干4，位于躯干上的四个支撑柱7和8，用于分别加固四个支撑柱的加固薄膜9，粘接在前支撑柱7上的前支撑横梁5，和粘贴在后支撑柱8上的后支撑横梁6；
[0032]
结构层2包括前腿部10和后腿部11，左静电力吸附脚垫14和右静电力吸附脚垫15，分别用于连接左、右静电力吸附脚垫14、15和前腿部10的左、右连接薄膜12、13，所述前后腿部10、11的上表面粘接至所述带有支撑结构的躯干4的下表面，所述左右静电力吸附脚垫14、15通过所述左右连接薄膜12、13粘接至所述前腿部10的圆弧部分；
[0033]
在本发明实施例中，柔性微型机器人的骨架具有支撑结构，可以用于承载机器人的驱动电路、控制电路和电池，以实现机器人的独立运动，也可以用于承载传感器、救援药品等其他负载。
[0034]
该微型机器人可采用柔性压电薄膜(pvdf)进行驱动，该压电薄膜粘贴在躯干的上侧，其中柔性压电薄膜上镀有电极作为导电层，躯干为非导电层。当压电薄膜上施加正向电压时，导电层在极化方向上伸长，但是由于非导电层的限制，长度方向上的伸长会导致躯干向内侧弯曲，进而导致前腿部10产生向前的动力；同理当压电薄膜上施加反向电压时，躯干由原来的向内侧弯曲转向外侧舒展，进而导致后腿部11向后挤压地面产生前进的动力。压电薄膜在极化方向上随着施加电压的频率产生同频的形变，实现前进的运动。
[0035]
在一实施例中，机器人的支撑结构主要由四个支撑柱7和8、加固薄膜9还有前后支撑横梁5和6构成，其中支撑柱7和支撑柱8均沿中轴线对称分布，四个支撑柱7
‑
8的顶部都可以向内弯折90度，以粘接支撑横梁5和6；
[0036]
支撑柱的高度在制作时可以根据需求调节，高度范围是[2毫米，10毫米]，支撑柱和加固薄膜的宽度范围是[2毫米，4毫米]；
[0037]
支撑横梁的宽度和支撑柱的宽度一致，长度和躯干4的宽度一致，长度范围是[20毫米
‑
26毫米]。
[0038]
以上不同的支撑柱高度会改变机器人整体的重心位置，从而影响机器人的转向和
直线运动的性能，且以上结构均可以通过微加工工艺调整和实现，有不同支撑柱高度的机器人变化例均应落入本发明的保护范围。
[0039]
在一实施例中，机器人有前后两个腿部10和11，并且前后腿部都可以沿着中轴线折叠，并且腿部与地面接触部分是弧形；前腿部10的矩形部分与圆弧部分的夹角范围为[30度，90度]，前腿部展开后总长度范围是[6毫米，20毫米]，圆弧与地面接触的切线到中轴线的距离范围是[3毫米，17毫米]；
[0040]
后腿部11的矩形部分与圆弧部分的夹角范围为[90度，150度]，后腿部展开后总长度范围是[6毫米，20毫米]，圆弧与地面接触的切线到中轴线的距离范围是[3毫米，17毫米]；
[0041]
前后腿部分别粘接在所述躯干4的前后部，所述前、后腿部10、11的中轴线长度与所述躯干4的宽度一致。
[0042]
在一实施例中，所述左、右静电力吸附脚垫14和15通过左、右连接薄膜12和13粘接到所述的前腿部圆弧部分，左右连接薄膜的长度范围是[0,100毫米]，宽度范围为[2毫米,10毫米]。
[0043]
以上较长的连接薄膜可以增大机器人的转向力矩，从而使机器人拥有更高的向心加速度，但是同时较长的连接薄膜也会提高机器人的转向半径，针对不同应用场景来调节连接薄膜的长度，且不同长度的连接薄膜变化例均应落入本发明保护的范围。
[0044]
前后两个腿部支撑起整个机器人的骨架和负载，由于圆弧腿部的设计，容易导致机器人重心不稳，发生倾斜。静电力吸附脚垫的作用一是为了让机器人能够转向，二是起到支撑机器人和稳定其重心的作用。当静电力吸附脚垫上没有通电压时，机器人是处于直行状态；当静电力吸附脚垫上通高压时，由于静电力的作用，脚垫会吸附在地面上，从而导致脚垫和地面之间的摩擦力会增加，当机器人在直行过程中，如果一侧的脚垫通上高压，脚垫就会紧紧吸附在地面，从而限制机器人的直行，同时弧形腿的结构设计使得机器人的重心向吸附的脚垫一侧偏移；连接薄膜的作用是增加转弯半径，从而增大转向力矩；圆弧腿和连接薄膜的应用使得机器人在背负负载的情况下也能轻松实现快速、灵活的转向。
[0045]
在一实施例中，所述躯干4、前后支撑横梁5和6、支撑柱7和8，前后腿部10和11的上表面都有粘性层；
[0046]
所述前后支撑横梁5和6通过粘性层粘接至所述支撑柱7和8的上表面；
[0047]
所述前后腿部21、20通过其上表面的粘性层粘接至所述躯干的下表面；
[0048]
所述支撑横梁5和6通过粘性层可以将负载粘接在其上表面；
[0049]
以上所述的粘性层使得机器人骨架、结构层粘接成为一个完成的机器人转向系统。
[0050]
在一实施例中，所述粘性层的厚度范围为[10微米，200微米]。
[0051]
在一实施例中，所述机器人骨架1、结构层2都采用聚合物薄膜材料制作。
[0052]
在一实施例中，所述聚合物薄膜材料为pet、pi、pdms、tpu和硅橡胶中的一种或者任意组合。
[0053]
在一实施例中，所述聚合物薄膜材料的厚度范围为[10微米，400微米]。
[0054]
以上聚合物材料使得机器人具有柔性可弯曲的的身体结构，并且使得机器人体积小、质量轻，同时柔性可弯曲的结构也使得所述机器人具有较高的鲁棒性。
[0055]
在本发明实施例提出的基于圆弧腿结构实现的柔性微型机器人转向系统中，柔性微型机器人的结构层具有圆弧形的前后腿部、静电力吸附脚垫和连接薄膜，当机器人静电力吸附脚垫上没有施加电压时，机器人处于直行的状态；当静电力吸附脚垫上通上高压后，由于静电力的作用，脚垫会吸附在地面上，从而影响机器人的运动状态；同时弧形腿的结构设计使得机器人的重心向吸附的脚垫一侧偏移；连接薄膜的作用是增加转弯半径，从而增大转向力矩；圆弧腿和连接薄膜的应用使得机器人在背负负载的情况下也能轻松实现快速、灵活的转向。所述柔性微型机器人转向系统在静电力吸附脚垫14和15上施加的电压范围为[1v，800v]，所施加的电压信号的频率范围为[1hz，10khz]，所施加的电压信号的波形可以为正弦波、方波、锯齿波、三角波或者多种波形的叠加。另外所述前后支撑横梁5和6可以用来支撑负载，圆弧腿结构的设计就是为了提高在有负载情况下机器人的转向性能。
[0056]
图2为本发明实施例提出的柔性微型机器人顺时针和逆时针旋转的轨迹图，如图2所示，当柔性微型机器人的左侧静电力吸附脚垫上被施加500vpp电压后，左侧静电力吸附脚垫吸附在地面上，从而导致机器人绕着脚垫发生逆时针旋转；当柔性微型机器人的右侧静电力吸附脚垫上被施加500vpp电压后，右侧静电力吸附脚垫吸附在地面上，从而导致机器人绕着脚垫发生逆时针旋转；机器人顺时针和逆时针旋转半径均为18mm，逆时针旋转向心加速度为1.77mm/s2，顺时针旋转向心加速度为1.34mm/s2[0057]
图3为本发明实施例提出的柔性微型机器走迷宫时的路径图，如图3所示，通过控制左右静电力吸附脚垫上500vpp高压的通断，控制机器人的方向，该柔性微型机器人转向系统行成了如图3所示的运动轨迹，机器人用了43.4s通过了总长约580mm的迷宫。
[0058]
图4为本发明实施例中柔性微型机器人的流程图，如图4所示，该方法包括：
[0059]
步骤401，分别制作带有支撑结构7和8的躯干4、前后支撑横梁5、6，还有用于加固支撑柱的加固薄膜9，形成机器人骨架1；
[0060]
步骤402，分别制作前后腿部10、11，左右连接膜12、13，还有左右静电力吸附脚垫14、15，形成结构层2；
[0061]
步骤403，将前后腿部10和11的上表面粘接至躯干4的下表面，将连接薄膜12和13分别将左右静电力吸附脚垫14和15粘接到前腿部。
[0062]
制作机器人骨架1和结构层2时，可以首先设计好所需要的图形，然后将制作所需的材料通过剪纸工艺加工出所设计的图形，例如采用带有粘性层的120微米厚的pi薄膜材料，通过剪纸机加工出机器人的骨架等折叠之前的形状。具体的加工方式为：将带有衬底的pi薄膜材料粘附在剪纸机的平板上，将设计好的图形文件导入剪纸机，剪纸机就按照设计的图形将上层的pi材料裁切至设计的图形，然后用镊子将裁剪下来的pi图形从衬底上剥离，用于后续折叠加工和粘附连接。优选实施例中，制作静电力吸附脚垫所采用的柔性薄膜材料与机器人其他结构不同，静电力吸附脚垫可采用25微米厚的pet材料进行加工，具体加工方式与所述加工pi结构的方式一致。
[0063]
在加工机器人的前后腿部10和11时，因为腿部一部分为矩形，一部分为弧形，可以通过剪纸机先切割出折痕，然后沿着折痕折叠腿部，弧形部分接触地面，矩形部分用于粘接躯干5的底部。
[0064]
在一实施例中，在将加固薄膜9粘接至前后支撑柱7和7后，还包括，将前支撑横梁5
粘接至前支撑柱7上；
[0065]
将后支撑横梁6粘接至后支撑柱8上；
[0066]
在一实施例中，在将前后腿部10和11的上表面粘接至躯干4的下表面后，还包括：
[0067]
将前腿部10矩形部分与圆弧部分折叠至夹角范围[30度，90度]；
[0068]
将后腿部11矩形部分与圆弧部分折叠至夹角范围[90度，150度]。
[0069]
在一实施例中，所述左、右静电力吸附脚垫14、15分别通过左、右连接薄膜12、13粘接到所述的前腿部圆弧部分。
[0070]
图5为本发明实施例一种基于弧形腿结构的柔性微型机器人实物图，可以看出，该机器人体积小、结构简单，并且能够负载电源、控制电路和控制电路，当然负载也可以换成诸如传感器和救援药品等其他物品。
[0071]
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
[0072]
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。