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(chǎng)中結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)原理、采用直流電壓驅(qū)動(dòng)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(shì)，更容易實(shí)現(xiàn)在多種地面環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，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(dòng)性等重要參數(shù)指標(biāo)和其采用何種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密切相關(guān)，因此，對(duì)微型爬行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(diǎn)問題。

微型爬行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)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(dòng)的方式更接近昆蟲，驅(qū)動(dòng)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(dòng)的電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為帶有一定軌跡的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。然而隨著體積的減小，電機(jī)的性能以及傳動(dòng)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(jí)的爬行機(jī)器人，多采用基于新型驅(qū)動(dòng)原理的微驅(qū)動(dòng)器，如壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)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(dòng)速度快以及能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，驅(qū)動(dòng)器主要有形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、人造肌肉驅(qū)動(dòng)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)等。SMA驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)位移和驅(qū)動(dòng)力都很小，人造肌肉驅(qū)動(dòng)的配套系統(tǒng)重量很大，導(dǎo)致二者產(chǎn)生的動(dòng)力不能克服較大的摩擦力；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的總體性能較為均衡，是現(xiàn)階段比較熱門的微驅(qū)動(dòng)原理。哈佛大學(xué)Wood等人曾設(shè)計(jì)出了一種爬行機(jī)器人HAMR-VP，實(shí)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(dòng)所需的能量和控制信號(hào)只能通過細(xì)銅線傳導(dǎo)至機(jī)器人上，即僅能實(shí)現(xiàn)帶導(dǎo)線爬行。

技術(shù)實(shí)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(dòng)原理的仿生機(jī)械昆蟲，其采用靜電力作為驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)槟芰哭D(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(dòng)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(gè)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(gè)或多個(gè)導(dǎo)電微梁并排連接組成，其一端固支在一個(gè)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(gè)電極結(jié)構(gòu)分別安裝在兩個(gè)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(gè)橫梁結(jié)構(gòu)安裝在兩個(gè)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(gè)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(chǎng)會(huì)產(chǎn)生于兩電極之間，此時(shí)所述的一段固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)能夠在靜電場(chǎng)中產(chǎn)生自激振動(dòng)，同時(shí)撞動(dòng)兩邊電極，使整個(gè)機(jī)構(gòu)發(fā)生晃動(dòng)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(dòng)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(dòng)原理的仿生機(jī)械昆蟲的驅(qū)動(dòng)方法，綜合利用排梁結(jié)構(gòu)自激振動(dòng)帶動(dòng)整體機(jī)構(gòu)晃動(dòng)時(shí)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(shí)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(jì)算和試驗(yàn)研究，當(dāng)所述的排梁結(jié)構(gòu)由2-5個(gè)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(shí)，排梁結(jié)構(gòu)能夠在沒有交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況下，僅依靠直流電壓，通過自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反饋?zhàn)饔谜{(diào)節(jié)能量輸入，始終保持在一階固有頻率附近的振動(dòng)狀態(tài)，并帶動(dòng)懸臂梁前段粘貼的重物進(jìn)行振動(dòng)撞擊兩邊電極。從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度來講，所述排梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)現(xiàn)象屬于一種靜電場(chǎng)中的“自激振動(dòng)”。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)能量轉(zhuǎn)換效率高。如前所述，仿生機(jī)械昆蟲對(duì)于的能量轉(zhuǎn)化效率取決于驅(qū)動(dòng)器的電-機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。對(duì)于本發(fā)明，首先，其驅(qū)動(dòng)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(dòng)力；其次，本發(fā)明直接采用振動(dòng)的懸臂梁撞擊兩端電極使整個(gè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生晃動(dòng)的方法驅(qū)動(dòng)，沒有復(fù)雜的傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)原理的仿生機(jī)械昆蟲，其中懸臂梁結(jié)構(gòu)在靜電場(chǎng)中的自激振動(dòng)頻率始終保持在一階固有頻率附近，且能夠自動(dòng)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(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)原理和結(jié)構(gòu)，在降低驅(qū)動(dòng)器重量、提高行進(jìn)速度與穩(wěn)定性的同時(shí)，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(cè)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(shí)排梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及整體結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)過程示意圖。

圖5為本發(fā)明工作時(shí)橫梁結(jié)構(gòu)受撞擊變形示意圖以及整個(gè)過程中腿部摩擦力受力分析示意圖，其中，圖5(a)為撞擊時(shí)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)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(dòng)原理的仿生機(jī)械昆蟲的一個(gè)實(shí)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(gè)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(gè)小槽與兩個(gè)小孔，兩個(gè)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(gè)電極結(jié)構(gòu)與兩個(gè)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(gè)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(shí)例去圓形)，長度15～30mm，本實(shí)例取20mm，直徑30-60μm(本實(shí)例取56μm)，間距0.3-1mm(本實(shí)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(gè)小孔并固定，另一端粘貼有一小塊重物以加大撞擊時(shí)的力，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求改變其材料與質(zhì)量，本實(shí)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(dòng)原理是：采用直流電壓驅(qū)動(dòng)，基于排梁結(jié)構(gòu)1在靜電場(chǎng)中的自激振動(dòng)，來撞擊兩側(cè)橫梁結(jié)構(gòu)使其發(fā)生晃動(dòng)來推動(dòng)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(shí)電極2之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的靜電場(chǎng)；在該靜電場(chǎng)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(shí)，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(shí)，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(shì)浮動(dòng)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(shí)進(jìn)行的是電極2對(duì)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(shì)與電極2的電勢(shì)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(dòng)排梁結(jié)構(gòu)1向反方向運(yùn)動(dòng)，直到與另一個(gè)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(dòng)。排梁結(jié)構(gòu)1發(fā)生大幅振動(dòng)，將撞擊橫梁結(jié)構(gòu)4，同時(shí)由于支撐腿與地面存在一個(gè)角度，故整體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生如圖4所示的晃動(dòng)，晃動(dòng)的結(jié)果是使整個(gè)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(gè)原理說明：排梁結(jié)構(gòu)1在電場(chǎng)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(dòng)的趨勢(shì)，而右邊部分被向左拉，有向左運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，由于腿與地面存在一個(gè)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(gè)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(huì)發(fā)生滑動(dòng)，而左邊f(xié)₁較小為滑動(dòng)摩擦力，使左部分向右移動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)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(dòng)摩擦力有f₁’>f₂’，同上分析，產(chǎn)生左半部分不動(dòng)、右半部分向右運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，至此通過一個(gè)完整的撞擊離開動(dòng)作，整個(gè)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(shí)，同上述分析，效果相同。由以上兩種原理綜合作用，整個(gè)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(dòng)下產(chǎn)生自激振動(dòng)，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(dòng)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(dòng)力，相比壓電驅(qū)動(dòng)等現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)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(shí)施例子，并非對(duì)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(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)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)。