專利名稱：基于mems的爬壁輪式機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的裝置，尤其涉及的是一種基于MEMS的爬 壁輪式機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微型爬壁機(jī)器人作為一種特殊的移動機(jī)器人，將地面移動機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù) 有機(jī)結(jié)合，能夠在垂直壁面上靈活移動，從而實(shí)現(xiàn)了在三維空間內(nèi)的自由移動，大大擴(kuò)展了 移動微型機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。由于微型爬壁機(jī)器人屬于MEMS (Micro Electro Mechanical Systems微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)領(lǐng)域，受尺寸效應(yīng)的影響，其吸附裝置和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與尺寸 較大的爬壁機(jī)器人必然有所不同。目前微型爬壁機(jī)器人的研究主要分為三種類型真空吸 附、磁力吸附和仿壁虎腳掌吸附。磁力吸附方式結(jié)構(gòu)簡單，吸附力較大，對壁面凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣 的問題。特別是永磁吸附，與電磁鐵方式吸附相比，它還具有吸附不耗能、結(jié)構(gòu)簡單、安全性 高、不受斷電影響等優(yōu)點(diǎn)。雖然基于此吸附方式的爬壁機(jī)器人雖然只能應(yīng)用在一些可導(dǎo)磁 的壁面上，但鑒于很多機(jī)械器材都是采用可導(dǎo)磁的材料制造，所以此類爬壁機(jī)器人具有比 較廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Takeda.M等在《Micro Electro Mechanical Systems))(微電子機(jī)械系統(tǒng))2000 年 1 月發(fā)表的 development of chain-type micromachine forinspection of outer tube surfaces(basic performance of the 1st prototype)(一種用于圓管外表面檢測的鏈?zhǔn)綑C(jī)器人(第一個(gè)原型機(jī)器人的基本性能)，該 技術(shù)公開了一種電磁微馬達(dá)驅(qū)動的微型爬壁機(jī)構(gòu)，其總體尺寸為5mmX9mmX6. 5mm,電磁微 馬達(dá)的輸出通過一個(gè)傳動比為201的行星減速器來驅(qū)動直徑為5mm的永磁輪，使其在導(dǎo)磁 的壁面上移動。該裝置尺寸雖然很小，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，傳輸效率非常低，其所需零部件 的加工對加工設(shè)備的要求比較高，必須采用昂貴的LIGA微細(xì)加工技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于MEMS的爬壁輪式機(jī)構(gòu)，通 過將電磁驅(qū)動與永磁吸附輪進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，利用MEMS技術(shù)制作減小整體尺寸，采用直接 驅(qū)動的方式在有限的體積內(nèi)大大提高了其負(fù)載能力，使其適合作為磁吸附式微型爬壁人的 移動機(jī)構(gòu)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)動輪、繞組、輪架、轉(zhuǎn)軸、軸承 和連接板，其中轉(zhuǎn)動輪固定于轉(zhuǎn)軸的中央，轉(zhuǎn)動輪的兩側(cè)分別設(shè)有輪架，輪架固定與連接 板上，輪架的內(nèi)表面用UV-LIGA技術(shù)設(shè)置繞組，輪架上固定軸承，轉(zhuǎn)軸套接于繞組的中央通 孔，轉(zhuǎn)軸的兩端固定在軸承內(nèi)。所述的繞組是環(huán)形，由多組線圈組成，中央設(shè)有通孔。所述的線圈通過弓|線和外部電源相連。
所述的線圈中央設(shè)有磁芯。所述的轉(zhuǎn)動輪包括多極磁體和導(dǎo)磁環(huán)，其中圓盤狀多極磁體的中央固定于轉(zhuǎn) 軸上，導(dǎo)磁環(huán)繞于多極磁體周圍。所述的導(dǎo)磁環(huán)上嵌有永磁環(huán)。所述的多極磁體的磁化方向垂直圓盤表面，各磁極等角度分布，相鄰的兩個(gè)磁極 方向相反。所述的引線和線圈是銅制成，磁芯是鐵鎳合金制成。所述的輪架是硅制成。所述的多極磁體材料是釤鈷稀土制成，導(dǎo)磁環(huán)是鐵鎳合金制成，永磁環(huán)的釤鈷稀 土制成。所述的轉(zhuǎn)軸和連接板是鈦制成。當(dāng)該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，首先通過引線對相對成180°的兩個(gè)線圈通電，通電線圈由于處 在其上方的轉(zhuǎn)動輪的磁場中，因此會受到電磁力的作用。由于繞組固定在輪架上，轉(zhuǎn)動輪受 到反作用力而旋轉(zhuǎn)一定的角度。由于轉(zhuǎn)動輪的磁極對稱分布，當(dāng)相對的兩個(gè)線圈串聯(lián)通電 時(shí)，轉(zhuǎn)動輪所受的轉(zhuǎn)矩也增大一倍。當(dāng)這一對磁極轉(zhuǎn)出通電的線圈上表面時(shí)，停止對該組線 圈通電，同時(shí)對下一組線圈通電，轉(zhuǎn)動輪所受轉(zhuǎn)矩的方向不變，仍會繼續(xù)向前旋轉(zhuǎn)。因此只 要通電的相序正確，轉(zhuǎn)動輪就可以持續(xù)旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用繞組中間夾一片轉(zhuǎn)動輪的結(jié)構(gòu)， 顯著增大了電磁場的作用面積，從而提高了該機(jī)構(gòu)電磁驅(qū)動的力矩。該機(jī)構(gòu)驅(qū)動吸附一體 化的設(shè)計(jì)，減少了中間傳動環(huán)節(jié)，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、尺寸較小、輸出效率高、負(fù) 載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是繞組的局部示意圖；圖3是轉(zhuǎn)動輪的局部示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例包括連接板1、輪架2、繞組3、轉(zhuǎn)軸4、軸承5和轉(zhuǎn)動輪6， 其中轉(zhuǎn)動輪6固定于轉(zhuǎn)軸4的中央，轉(zhuǎn)動輪6的兩側(cè)分別設(shè)有輪架2，輪架2固定與連接 板1上，輪架2的內(nèi)表面采用UV-LIGA技術(shù)加工中央設(shè)有通孔的環(huán)形繞組3，輪架2上固定 軸承5，轉(zhuǎn)軸4套接于繞組3的中央通孔，轉(zhuǎn)軸4的兩端固定在軸承5內(nèi)。如圖2所示，繞組3由六組線圈7組成，線圈7通過引線8和外部電源相連，線圈 7中央設(shè)有磁芯9用于增強(qiáng)磁性。如圖3所示，轉(zhuǎn)動輪6包括多極磁體10和導(dǎo)磁環(huán)11，其中圓盤狀多極磁體10 位于中央，通過充磁機(jī)寫入八個(gè)磁極，磁化方向垂直圓盤表面，磁極等角度均勻分布，相鄰的兩個(gè)磁極方向相反，導(dǎo)磁環(huán)11繞于多極磁體10周圍，可以直接與導(dǎo)磁壁面接觸，導(dǎo)磁環(huán) 11上嵌有永磁環(huán)12，用于增加對導(dǎo)磁壁面的吸附力。所述的引線8和線圈7是銅制成，磁芯9是鐵鎳合金制成。所述的輪架2是硅制成。所述的多極磁體10材料是釤鈷稀土制成，導(dǎo)磁環(huán)11是鐵鎳合金制成，永磁環(huán)12 的釤鈷稀土制成。所述的轉(zhuǎn)軸4和連接板1是鈦制成。通過對線圈7通電，使轉(zhuǎn)動輪6中的多極磁體10受到磁場力的作用而旋轉(zhuǎn)，按照 一定的相序通電，就可以使轉(zhuǎn)動輪6持續(xù)旋轉(zhuǎn)。將本機(jī)構(gòu)設(shè)于微型爬壁機(jī)器人上，就可以實(shí) 現(xiàn)爬壁的功能。本實(shí)施例的最小尺寸長X寬X高為2mmXlmmX2. 5mm，尺寸越大，其爬壁和驅(qū) 動能力也越強(qiáng)。
權(quán)利要求
一種基于MEMS的爬壁輪式機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括轉(zhuǎn)動輪、由多組線圈組成的繞組、輪架、轉(zhuǎn)軸、軸承和連接板，其中轉(zhuǎn)動輪固定于轉(zhuǎn)軸的中央，轉(zhuǎn)動輪的兩側(cè)分別設(shè)有輪架，輪架固定與連接板上，輪架的內(nèi)表面設(shè)有由多組線圈組成的繞組，輪架上固定軸承，轉(zhuǎn)軸套接于由多組線圈組成的繞組的中央通孔，轉(zhuǎn)軸的兩端固定在軸承內(nèi)；所述的轉(zhuǎn)動輪包括多極磁體和導(dǎo)磁環(huán)，多極磁體的中央固定于轉(zhuǎn)軸上，多極磁體的磁化方向垂直圓盤表面，各磁極等角度分布，相鄰的兩個(gè)磁極方向相反，導(dǎo)磁環(huán)繞于多極磁體周圍；所述的多極磁體為圓盤狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS的爬壁輪式機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的輪架的內(nèi)表面 設(shè)有環(huán)形繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于MEMS的爬壁輪式機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的線圈中央 設(shè)有磁芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS的爬壁輪式機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的導(dǎo)磁環(huán)上嵌有 永磁環(huán)。
全文摘要
一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的基于MEMS的爬壁輪式機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)動輪、繞組、輪架、轉(zhuǎn)軸、軸承和連接板，轉(zhuǎn)動輪固定于轉(zhuǎn)軸的中央，轉(zhuǎn)動輪的兩側(cè)分別設(shè)有輪架，輪架固定與連接板上，輪架的內(nèi)表面采用UV-LIGA技術(shù)加工中央有通孔的環(huán)形繞組，輪架上固定軸承，轉(zhuǎn)軸套接于繞組的中央通孔，轉(zhuǎn)軸的兩端固定在軸承內(nèi)。本發(fā)明采用繞組中間夾一片轉(zhuǎn)動輪的結(jié)構(gòu)，顯著增大了電磁場的作用面積，從而提高了該機(jī)構(gòu)電磁驅(qū)動的力矩。該機(jī)構(gòu)驅(qū)動吸附一體化的設(shè)計(jì)，減少了中間傳動環(huán)節(jié)，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、尺寸較小、輸出效率高、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B25J5/00GK101817180SQ20101015142
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者張大偉, 李振波, 楊帆, 陳佳品 申請人:上海交通大學(xué)