一种高精度柔性铰链蠕动机器人

本发明涉及一种柔性仿生机器人，特别涉及一种高精度柔性铰链蠕动机器人。

背景技术：

随着科学技术尤其是纳米技术的不断发展，在工业与航空制造、微细胞操作、微电子制造、生物工程等领域迫切需要微纳米级定位精度的微动机构、微纳米级运动精度的执行机构。

柔性铰链机构具有许多优点，结构简单、整体设计制造、免于装配、没有间隙、不需要润滑，具有刚性机构不具有的天然优势。柔性铰链机构通过柔性铰链单元的弹性变形，可以实现高精度的位移，具有纳米级的定位精度和运动精度，现在已经被广泛应用于现代工业、航空航天、生物医药工程等领域。可见，柔性铰链机构非常适合应用于高精度蠕动机构。此外，自然界中的各种昆虫，通过自身的结构和特点，不断适应外部环境的变化，适者生存，爆发出强大的生命力和适应性。例如毛虫和尺蠖等昆虫可以在树叶和树枝上通过蠕动不间断地爬行，为我们开展高精度蠕动机构的研究提供了良好的样本。

目前，针对纳米级定位机构及运动机构的研究有很多，将柔性铰链机构应用于纳米级定位平台的研究也有很多，但大多数机构的位置是固定的，不能适应有工作位置变化要求的场合，使用受到了一定的限制。通过前期研究尺蠖等昆虫的身体结构和运动特点，建立了仿生学结构模型和运动机理模型，并且结合柔性铰链机构的优点，设计并提出了一种基于缺口型柔性铰链机构的高精度柔性蠕动机器人。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供了一种高精度柔性铰链蠕动机器人，包括前足变形机构、躯干蠕动机构及后足变形机构。

所述的前足变形机构包括前足前变形单元1、前足后变形单元2、前足前压电陶瓷3、前足后压电陶瓷4、第一电磁铁5。前足前变形单元1包括8个缺口型的柔性铰链，即第一柔性铰链a1-1、第二柔性铰链a1-2、第三柔性铰链a1-3、第四柔性铰链a1-4、第五柔性铰链a1-5、第六柔性铰链a1-6、第七柔性铰链a1-7和第八柔性铰链a1-8。期中，八个柔性铰链的尺寸相同，位置不同，第一柔性铰链a1-1、第四柔性铰链a1-4、第五柔性铰链a1-5和第八柔性铰链a1-8的铰链中心在机构内侧；第二柔性铰链a1-2、第三柔性铰链a1-3、第六柔性铰链a1-6和第七柔性铰链a1-7的铰链中心在机构外侧。前足前变形单元1与前足前压电陶瓷3通过第一上凸台a1-9和第一下凸台a1-10形成过盈配合连接。前足后变形单元2包括8个缺口型的柔性铰链，即第一柔性铰链b2-1、第二柔性铰链b2-2、第三柔性铰链b2-3、第四柔性铰链b2-4、第五柔性铰链b2-5、第六柔性铰链b2-6、第七柔性铰链b2-7和第八柔性铰链b2-8。期中，八个柔性铰链的尺寸相同，位置不同，柔性铰链b2-1、柔性铰链b2-4、柔性铰链b2-5和柔性铰链b2-8的铰链中心在机构内侧；柔性铰链b2-2、柔性铰链b2-3、柔性铰链b2-6和柔性铰链b2-7的铰链中心在机构外侧。前足后变形单元2与前足后压电陶瓷4通过第二上凸台b2-9和第二下凸台b2-10形成过盈配合连接。前足前变形单元1与前足后变形单元2一体加工设计制造，通过中间的连接刚体1-11进行连接。第一电磁铁5包括第一上第一电磁铁5-1和第一下第一电磁铁5-2，上第一电磁铁5-1与前足前变形单元1中的第一刚体1-12固定连接，下第一电磁铁5-2与前足前变形单元1中的第二刚体1-13固定连接。

所述的躯干蠕动机构包括第一垫片组6、蠕动弯曲梁7、第二垫片组8、第一螺钉组9、第二螺钉组10。第一垫片组6包括多个厚度为0.5mm的带通孔薄片，可根据实际装配确定垫片数量；蠕动弯曲梁7呈一定角度的弯曲，中间凸起，两端有竖直的带通孔的直板连接结构；第一垫片组6、蠕动弯曲梁7左端直板通过第一螺钉组9与前足后变形单元2中的刚体单元2-11连接。第二垫片组8包括多个厚度为0.5mm的带通孔薄片，可根据实际装配确定垫片数量；垫片组8、蠕动弯曲梁7右端直板通过第二螺钉组10与后足前变形单元11上的第三刚体11-1连接。

所述的后足变形机构包括后足前变形单元11、后足后变形单元12、后足前压电陶瓷13、后足后压电陶瓷14、第二电磁铁15。后足前变形单元11与后足后变形单元12分别包括8个缺口型的柔性铰链，柔性铰链的尺寸相同，位置不同。后足前变形单元11与前足前变形单元1的构成与尺寸完全相同，后足后变形单元12与前足后变形单元2的构成与尺寸完全相同。后足前变形单元11与后足前压电陶瓷13通过后足前变形单元11两端的凸台形成过盈配合连接。后足后变形单元12与后足后压电陶瓷14通过后足后变形单元12两端的凸台形成过盈配合连接。后足前变形单元11与后足后变形单元12一体加工设计制造，并通过中间的连接刚体进行连接。第二电磁铁15包括上第二电磁铁15-1和下第二电磁铁15-2，上第二电磁铁15-1与后足后变形单元12中的第四刚体12-1固定连接，下第二电磁铁15-2与后足后变形单元12中的第五刚体12-2固定连接。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述的高精度柔性铰链蠕动机器人，基于柔性铰链机构的弹性变形，保证机构可以实现微纳米级别的连续运动，能够为纳米级定位机构及运动机构提供连续的类尺蠖蠕动，能够适应工作位置的不断变化。

2.本发明所述的高精度柔性铰链蠕动机器人，采用压电陶瓷分别驱动前足变形机构和后足变形机构，设计压电陶瓷的充放电和电磁铁的通断电，规范机构的运动程序，通过蠕动弯曲梁储存和释放变性能，实现了连续运动。

附图说明

图1为一种高精度柔性铰链蠕动机器人示意图。

标号说明：1-前足前变形单元，2-前足后变形单元，3-前足前压电陶瓷，4-前足后压电陶瓷，5-第一电磁铁(上第一电磁铁5-1和下第一电磁铁5-2)，6-第一垫片组，7-蠕动弯曲梁，8-第二垫片组，9-第一螺钉组，10-第二螺钉组，11-后足前变形单元、12-后足后变形单元、13-后足前压电陶瓷、14-后足后压电陶瓷、15-第二电磁铁(上第二电磁铁15-1和下第二电磁铁15-2)。

图2为前足变形机构示意图。

标号说明：1-前足前变形单元，2-前足后变形单元，1-1-第一柔性铰链a、1-2-第二柔性铰链a、1-3-第三柔性铰链a、1-4-第四柔性铰链a、1-5-第五柔性铰链a、1-6-第六柔性铰链a、1-7-第七柔性铰链a、1-8-第八柔性铰链a、1-9-第一上凸台a、1-10-第一下凸台a、1-11-连接刚体、1-12-第一刚体、1-13-第二刚体，2-1-第一柔性铰链b、2-2-第二柔性铰链b、2-3-第三柔性铰链b、2-4-第四柔性铰链b、2-5-第五柔性铰链b、2-6-第六柔性铰链b、2-7-第七柔性铰链b、2-8-第八柔性铰链b、2-9-第二上凸台b、2-10-第二下凸台b、2-11-刚体单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。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。

如图1所示，高精度柔性铰链蠕动机器人，包括前足变形机构、躯干蠕动机构及后足变形机构等。前足前变形单元1与前足前压电陶瓷3通过前足前变形单元1的两端凸台形成过盈配合连接。前足后变形单元2与前足后压电陶瓷4通过前足后变形单元2的两端凸台形成过盈配合连接。前足前变形单元1与前足后变形单元2一体加工设计制造。上第一电磁铁5-1与前足前变形单元1中的第一刚体1-12固定连接，下第一电磁铁5-2与前足前变形单元1中的第二刚体1-13固定连接。第一垫片组6、蠕动弯曲梁7左端直板通过第一螺钉组9与前足后变形单元2中的第三刚体2-11连接。第二垫片组8、蠕动弯曲梁7右端直板通过第二螺钉组10与后足前变形单元11中的第三刚体11-1连接。后足前变形单元11与后足前压电陶瓷13通过后足前变形单元11的两端凸台形成过盈配合连接。后足后变形单元12与后足后压电陶瓷14通过后足后变形单元12的两端凸台形成过盈配合连接。后足前变形单元11与后足后变形单元12一体加工设计制造，并通过中间的连接刚体进行连接。上第二电磁铁15-1与后足后变形单元12中的第四刚体12-1固定连接，下第二电磁铁15-2与后足后变形单元12中的第五刚体12-2固定连接。

如图1和图2所示，所述的前足变形机构包括前足前变形单元1、前足后变形单元2、前足前压电陶瓷3、前足后压电陶瓷4、第一电磁铁5。前足前变形单元1包括八个缺口型的柔性铰链，即柔性铰链a1-1、柔性铰链a1-2、柔性铰链a1-3、柔性铰链a1-4、柔性铰链a1-5、柔性铰链a1-6、柔性铰链a1-7和柔性铰链a1-8。其中，八个柔性铰链的尺寸相同，位置不同，柔性铰链a1-1、柔性铰链a1-4、柔性铰链a1-5柔性铰链a1-8的铰链中心在机构内侧；柔性铰链a1-2、柔性铰链a1-3、柔性铰链a1-6柔性铰链a1-7的铰链中心在机构外侧。前足前变形单元1与前足前压电陶瓷3通过第一上凸台a1-9和第二下凸台a1-10形成过盈配合连接。前足后变形单元2包括八个缺口型的柔性铰链，即柔性铰链b2-1、柔性铰链b2-2、柔性铰链b2-3、柔性铰链b2-4、柔性铰链b2-5、柔性铰链b2-6、柔性铰链b2-7和柔性铰链b2-8。期中，8个柔性铰链的尺寸相同，位置不同，柔性铰链b2-1、柔性铰链b2-4、柔性铰链b2-5柔性铰链b2-8的铰链中心在机构内侧；柔性铰链b2-2、柔性铰链b2-3、柔性铰链b2-6柔性铰链b2-7的铰链中心在机构外侧。前足后变形单元2与前足后压电陶瓷4通过第一上凸台b2-9和第二下凸台b2-10形成过盈配合连接。前足前变形单元1与前足后变形单元2一体加工设计制造，通过中间的连接刚体1-11进行连接。

本发明所述一种高精度柔性铰链蠕动机器人能够为纳米级定位机构及运动机构提供连续的类尺蠖蠕动，能够适应有工作位置变化要求的工况，具体的工作过程如下：

高精度柔性铰链蠕动机器人向前(左侧)蠕动过程：上第一电磁铁5-1和下第一电磁铁5-2通电，使前足前变形单元1左侧固定，上第二电磁铁15-1和下第二电磁铁15-2断电，使后足变形机构可以沿着光滑金属表面移动。前足前压电陶瓷3和前足后压电陶瓷4同时充电，压电陶瓷将伸长，将使前足前变形单元1和前足后变形单元2同时向内侧收缩变形，通过第一垫片组6和第一螺钉组9，带动蠕动弯曲梁7向左侧运动。蠕动弯曲梁7通过第二垫片组8和第二螺钉组10带动后足变形机构整体向左运动。总体来看，前足变形机构的左侧固定，由于前足前变形单元1和前足后变形单元2的变形，带动后足变形机构向左侧移动，在这个过程中，前足后变形机构2可以起到放大变形的作用，能够增强整个机构的变形能力。然后，上第二电磁铁15-1和下电磁15-2充电，使后足后变形单元12的右侧固定，上第一电磁铁5-1和下第一电磁铁5-2断电，使前足变形机构自由，可以沿着光滑金属表面移动。此时，前足前压电陶瓷3和前足后压电陶瓷4同时放电，压电陶瓷将变回原长，将使前足前变形单元1和前足后变形单元2同时向外扩张变形，通过第一垫片组6和螺钉组9，对蠕动弯曲梁7有压紧的趋势，随后，蠕动弯曲梁7将释放变形能，推动前足变形机构整体向左侧运动。重复上述过程，可以完成整个机构的向左前方的连续蠕动。

高精度柔性铰链蠕动机器人向后(右侧)蠕动过程：上第二电磁铁15-1和下第二电磁铁15-2通电，使后足后变形单元12右侧固定，上第一电磁铁5-1和上电磁5-2断电，使前足前变形机构可以沿着光滑金属表面移动。后足前压电陶瓷13和后足后压电陶瓷14同时充电，压电陶瓷将伸长，将使后足前变形单元11和后足后变形单元12同时向内侧收缩变形，通过第二垫片组8和螺钉组10，带动蠕动弯曲梁7向右侧运动。蠕动弯曲梁7通过第一垫片组6和螺钉组9带动前足变形机构整体向右运动。总体来看，后足变形机构的右侧固定，由于后足前变形单元11和后足后变形单元12的变形，带动前足变形机构向右侧移动，在这个过程中，后足前变形机构11可以起到放大变形的作用，能够增强整个机构的变形能力。然后，上第一电磁铁5-1和下第一电磁5-2充电，使前足前变形单元11的左侧固定，上第二电磁铁15-1和下第二电磁铁15-2断电，使后足变形机构自由，可以沿着光滑金属表面移动。此时，后足前压电陶瓷13和后足后压电陶瓷14同时放电，压电陶瓷将变回原长，将使后足前变形单元11和后足后变形单元12同时向外扩张，对蠕动弯曲梁7有压紧的趋势，随后，蠕动弯曲梁7将释放变形能，推动后足变形机构整体向右侧运动。重复上述过程，可以完成整个机构的向右后方的连续蠕动。