泳动微机器人的动力学模型研究

研究对象是以压电元件为驱动器、模仿鱼类游泳方式驱动的微机器人。根据流体力学有关理论,分析了在液体中运动时微机器人驱动翼产生的推进力和微机器人受到的阻力,并对此进行了阻力的有关的实验,在此基础上建立了泳动微机器人的动力学模型,并进行了压电元件驱动频率与微机器人运动速度的仿真,以及液体环境对微机器人运动速度影响的仿真。这些为深入研究泳动微机器人的泳动能力奠定了基础。     

在液体中运动的微机器人振动模型研究

采用智能材料驱动的、在液体中运动的微机器人的振动模型是建立和研究其动力学模型的重要基础.在已建立的静力学模型基础上,建立了微机器人的无阻尼振动模型和有阻尼振动模型,并进行了相关的仿真和实验研究.结果表明:所建立的振动模型与物理模型相符;在无阻尼时,微机器人的动作能够随着输入驱动信号频率的增加而加快;在有阻尼时,当输入驱动信号频率在一定范围内,微机器人能够克服阻尼而动作,并能随着驱动信号频率的增加而加快;此外,微小位移放大机构与微机器人机身相连接的二个柔性铰链的转角刚度、液体环境等参数对微机器人的有阻尼振动性能都会产生相应的影响.     

胶囊微机器人在离体生物环境下的力学实验研究

介绍了一种新的旋转磁场驱动胶囊微机器人运动的方法。旋转磁场由阵列永磁体自转产生,胶囊微机器人具有螺旋表面并内嵌条形永磁体。设计了相应的实验装置,在由二甲基硅油配置的特定粘度的模拟生物体液和离体猪小肠内进行了实验。实验结果表明:在阵列中心区域能够得到大小连续的、转动速度可调的旋转磁场,其转动方向与永磁体转动方向相反。在阵列直径确定后,磁场强度几乎与阵列磁体数成正比。在粘液中,胶囊机器人直径、运动速度以及粘液粘度共同决定需要的外部磁场强度以及胶囊机器人运动时受到的阻力矩。对于能在离体猪小肠中自由旋进的螺旋胶囊微机器人,其受到的阻力小于0.2N,阻力矩小于2.6mN.m。旋转磁场对于样品产生的驱动力矩因样品不同最高可达到3.2~4.5mN.m,能够驱动直径合适的螺旋表面胶囊微机器人可靠地实现前后运动。     

一种新型仿蜗牛微机器人的研究

介绍一种采用直线电机为驱动器的新型仿蜗牛蠕动的微机器人的运动原理和驱动机构。该微型机器人由两个阶梯型平板机体和一个直线驱动器组成，运动原理与蜗牛的爬行原理相似，实验表明，微型机器人的前进速度随着直线驱动器速度、粘液粘度的增大而增大；微型机器人可以在很少粘液，也可以完全浸没在粘液中正常而有效地工作。     

微谐振器中静电切向阻力的仿真分析

微谐振器在MEMS器件中广泛作为感知或致动单元，但其工作在静电场中的部分构件，因微小间隙常会产生静电切向阻力。通过简化硅微谐振器为一微平行板电容模型，利用有限元仿真软件ANSYS时光滑与粗糙表面平板所受到的静电切向阻力进行了仿真分析。结果表明：静电阻力随着平板之间电压、ly／d的增大而增大，光滑表面平板模型仿真结果和理论结果具有较好的一致性，而粗糙表面平板模型仿真结采和理论结果的偏差随着电压的增大而增大。     

液体中运动微机器人的研制

设计液体中运动微机器人主体机构 ,并用有限元法对结构进行仿真。在此基础上设计液体中运动微机器人控制装置。     

外场驱动无缆微型机器人的行走机理

提出了一种以管道外磁场来驱动控制微型管道机器人行走的方法，基于振动原理实现了微机器人的行走。其特点是采用无缆驱动方式，使机器人可靠性和实用性都得到提高。其原理是通过管外时变振荡磁场频率的改变，借助微机器人磁致伸缩合金微驱动器的磁机耦合作用，将时变振荡磁场能转换成机器人弹性腿的振动机械能；上下弹性腿的刚度系数不同，可将微驱动器的轴向振动转化为机器人的径向振动从而实现机器人的行走。介绍了系统组成及工作原理，对行走机理进行了基础性研究，建立了机器人运动方程。实验表明机器人系统切实可行，实现了微机器人的场外无缆驱动控制。     

一种内螺旋管道机器人

提出了一种内螺旋管道机器人(简称内螺旋机器人）。设计了该机器人的结构,建立了机器人的动力学方程,数值计算了机器人在管道内运行时管道内壁所受的压力、机器人的轴向推进力和液体对机器人的周向阻力矩。结果表明,当驱动为外磁场驱动时,内螺旋机器人轴向推进力和周向阻力矩都会增大,但对管道壁的损伤也会增大。以机器人轴向推进力和能效指标为优化目标,采用正交优化方法得到一组最优的内螺旋槽几何参数。根据内螺旋机器人的工作原理,设计制造了内螺旋驱动样机,该样机在充满201甲基硅油管道中的运行实验证明了内螺旋机器人的可行性。提出的内螺旋机器人表面光滑,能悬浮运行,对管壁的损伤小,可用于人体内腔的微细管道中。     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

驱动电压幅值对双压电薄膜管道微机器人运动的影响

研究了一种细小管道内移动微机器人,它可以搭载摄像机进入φ20mm的管道内部进行检测作业.微机器人驱动器采用PZT双压电薄膜驱动器.介绍了微机器人的结构及运动机理.着重介绍了驱动电压幅值对此类微机器人运动的影响,通过建模、仿真以及有限元分析,得到随着驱动电压幅值的增加,驱动器振幅增加,微机器人速度增加的结论,并通过实验验证了此结论,此结论对提高此类微机器人的工作效率有重要意义.     

双压电薄膜管道微机器人的功耗分析及电路优化设计

研究了PZT双压电薄膜管道微机器人的功率消耗,推导出其功耗计算公式S=Kfcv²,指出微机器人功耗与驱动电压幅值平方成正比,与驱动电压的频率成正比,与微机器人的电容成正比.优化设计了微机器人的驱动电路,使得其在驱动电压幅值不变的情况下,大幅度提高运动速度.通过实验验证此结论.以上分析研究是此类微机器人无缆化设计的理论基础.     

基于液晶引流效应的全新微流体驱动方式

对现有微流体驱动技术中普遍存在的微型化难、驱动力小等缺点,提出液晶引流驱动方式。作为开发该驱动方式的第一步,采用理论计算模拟与辅助试验验证相结合的研究方法,以小分子液晶Leslie-Ericksen理论为基础,对上板处于浮动状态下液晶盒的驱动效果及影响因素进行研究。结果表明,连续方波电场作用下引起的液晶引流效应可以驱动液晶盒上板运动,方波电场频率为1 Hz、有效率为5%时驱动速度最大。液晶分子指向矢倾斜角的旋转范围对驱动效果影响较大,所施加电压对于倾斜角的旋转范围没明显影响,两板间的距离却影响很大。通过选择合适的驱动条件已成功得到90μm/s的高驱动速度。采用显微镜下直接观察液晶盒上板运动情况的方法进行试验验证,结果与理论计算结果定性上十分吻合,定量上试验结果偏小,最大差距出现在电场施加后的第三周期,主要原因是液晶盒制作时初始配向误差,可通过改变配向膜的种类及摩擦条件来改善。     

Modeling and motion control of mobile robot for lattice type welding

This paper presents a motion control method and its simulation results of a mobile robot for a lattice type welding. Its dynamic equation and motion control methods for welding speed and seam tracking are described. The motion control is realized in the view of keeping constant welding speed and precise target line even though the robot is driven for following straight line or curve. The mobile robot is modeled based on Lagrange equation under nonholonomic constraints and the model is represented in state space form. The motion control of the mobile robot is separated into three driving motions of straight locomotion, turning locomotion and torch slider control. For the torch slider control, the proportional-integral-derivative (PID) control method is used. For the straight locomotion, a concept of decoupling method between input and output is adopted and for the turning locomotion, the turning speed is controlled according to the angular velocity value at each point of the corner with range of 90° constrained to the welding speed. The proposed control methods are proved through simulation results and these results have proved that the mobile robot has enough ability to apply the lattice type welding line.     

一种履带式移动机器人的控制系统设计

针对一辆无刷电机驱动的履带式移动机器人BHTR-1,对其包括运动控制系统、信息检测系统、无线遥控系统等各部分在内的控制系统进行了设计。运动控制部分采用以DSP LF2407A为主控芯片、以无刷电机专用芯片MC33035和驱动桥MPM3003为电机驱动控制的方案;信息检测系统采用红外传感器来检测环境障碍信息,并安装无线视频设备用以监控机器人运行环境;无线遥控系统采用摇杆式脉宽比例调节方式来实现对机器人的调速及其他运动控制。     

尺蠖式直线微驱动器的设计

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,驱动器最大箝位力为216.43N,最大驱动力为13.5N,在驱动电压120V,频率95Hz时,达到最大速度48.91mm/s。     

基于微小型移动机器人的微操作系统

提出一种新颖的基于宏/微双重驱动微小型移动机器人的微操作系统.机器人在宏运动状态下为典型的轮式机器人,在微运动状态下为尺蠖运动机器人.将集成微夹持器的微操作器安装在机器人移动定位平台上用于实现微操作任务.为了自动导航机器人完成微操作任务,设计外部智能视觉系统.视觉系统分为全局视觉与显微视觉两个子部分,机器人在全局视觉的导航控制下以宏运动状态实现大范围的粗定位,并使机器人微夹持器末端准确地进入显微镜视场.在显微视觉的导航控制下以微运动状态实现小范围、高精度的精定位,并完成微操作任务.试验表明,提出的基于微小型移动机器人的微操作系统能够成功地实现微小零件的夹取与装配.