基本信息
- 項目名稱：
- 基于諧振驅(qū)動原理的微型移動機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對現(xiàn)有的機器人結(jié)構(gòu)復雜、體積大、成本高，不利于在特定環(huán)境下工作等問題，提出一種基于諧振驅(qū)動原理的微型移動機器人。具有控制靈活、速度快、功耗低、便于批量制造等優(yōu)點。本項目將先進的諧振驅(qū)動技術(shù)應用在傳統(tǒng)的機器人領(lǐng)域，用機構(gòu)的振動來產(chǎn)生運動，賦予微型機器人新的理念，開發(fā)出致動、傳動、執(zhí)行一體化的移動機構(gòu)。
- 詳細介紹：
- 本項目設計了一類基于諧振驅(qū)動原理的微型移動機器人，可以作為通用移動平臺搭載作業(yè)裝置或微型傳感器，單機或多機組網(wǎng)作業(yè)。項目的具體研究思路是針對現(xiàn)有微小型機器人在研究中遇到的問題提出了一種新型諧振式驅(qū)動方式，利用Ansys建立柔性足子結(jié)構(gòu)的有限元模型，進行模態(tài)分析，設計雙壓電膜的結(jié)構(gòu)尺寸，進行微型機器人能源模塊、主控模塊、驅(qū)動模塊、無線通信模塊的系統(tǒng)集成與小型化設計，將整個移動機構(gòu)簡化為一個構(gòu)件，實現(xiàn)致動、傳動、執(zhí)行元件的一體化，使其結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化和批量制造?；谠撗芯克枷胙兄频孛?、管道微型移動機器人樣機。研制的微型機器人具有控制靈活、速度快、功耗低、便于批量制造等優(yōu)點，可用于檢測有毒氣體、放射性物質(zhì)，工業(yè)中細小管道的情況，或作為偵察設施用于城市巷戰(zhàn)中的情報搜集等。如制做的管道機器人樣機尺寸20mm*11mm*12mm、可適應的管徑最小為15mm、質(zhì)量9.039g、最大速度接近30mm/s。它可攜帶檢測傳感器廣泛應用于石油、化工以及核電站中細小管道的內(nèi)窺檢測，生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測，管道使用過程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷，以及對埋地舊管道的檢查等。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 一、設計、發(fā)明的目的和基本思路 傳統(tǒng)運動副結(jié)構(gòu)復雜，當特征尺度減小時還面臨傳動效率急劇下降的問題。因此移動機構(gòu)成了制約微小型機器人運動性能，并限制其實際應用的瓶頸。為解決這一現(xiàn)實問題，提出利用諧振原理驅(qū)動機器人運動，用柔性機構(gòu)取代傳統(tǒng)的運動副，以達到簡化機構(gòu)、提高運動效率的目的。通過理論分析與實驗研究，研制了微小型諧振式移動機器人樣機。并面向核工業(yè)管道檢測，研制了微型諧振式管道檢測機器人。 二、創(chuàng)新點 1、提出利用諧振原理驅(qū)動微小型移動機器人，并研制了利用柔性機構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)運動副的新型諧振式微小型機器人移動機構(gòu)； 2、研制了諧振式微小型機器無纜化驅(qū)動控制器； 3、研制了面向核工業(yè)蒸汽發(fā)生器管道檢測的諧振式微小型管道內(nèi)窺機器人。 三、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標 1、進行了諧振式微小型移動機器人致動、傳動、執(zhí)行一體化移動機構(gòu)和動力學參數(shù)的設計與優(yōu)化； 2、研究了基于幅頻特性的諧振式微小型移動機器人運動控制方法； 3、開發(fā)了低功耗、微型化嵌入式控制器。 地面微型機器人機構(gòu)尺寸為 49mm*28mm*24mm ，負荷重量為9.212 g。由7.4v，140mAh的鋰電池供電可持續(xù)工作約53min，設定激勵頻率可控制機器人前、后、左、右運動。微型管道內(nèi)窺機器人長20mm，最大移動速度30mm/s，自重9.039g，功耗較低。在6v電壓下，該微型機器人可在最小內(nèi)徑為15mm的管道內(nèi)移動，速度約為24mm/s，攜帶CMOS微型攝像頭，分辨率為15萬像素。
科學性、先進性
- 本項目將先進的諧振驅(qū)動技術(shù)應用在傳統(tǒng)的機器人領(lǐng)域，用機構(gòu)的振動來產(chǎn)生運動，賦予微型機器人新的理念，開發(fā)出致動、傳動、執(zhí)行一體化的移動機構(gòu)。制作的機器人以及加工技術(shù)同國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比亮點在于驅(qū)動方式新穎、控制靈活、運動速度快、功耗低，且結(jié)構(gòu)簡單，易于批量制造，在制作工藝和成本方面具有顯著優(yōu)勢。此外，可根據(jù)不同的工作環(huán)境要求對機器人尺寸結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而極大提高了微型機器人的綜合性能，增加了新型機器人的科技含量，拓展了機器人的應用領(lǐng)域，因此技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有廣闊的應用前景和經(jīng)濟效益，可顯著提高我國微機器人在狹小環(huán)境監(jiān)測、微系統(tǒng)組裝、細胞操作等領(lǐng)域的使用價值。 《基于諧振設計的微型管道機器人》查新報告表明：外表面覆有一層具有非對稱摩擦特性的微尺度纖毛狀機構(gòu)的諧振驅(qū)動管道機器人未見于國內(nèi)外公開文獻報道。（見附件一） 本產(chǎn)品現(xiàn)已申報1項國家發(fā)明專利(專利申請?zhí)枺?01110086875.4)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1、一種微型管道移動機器人，申請國家發(fā)明專利，專利號：201110086875.4，第一發(fā)明人為項目主持人。（見附件二） 2、基于單片機無線控制的新型諧振式微型移動機器人，已被《2010年IEEE光學儀器與測量》錄用，并于2010年11月刊登，第一作者為項目主持人。（見附件三） 3、中廣核檢測技術(shù)有限公司、蘇州博實機器人技術(shù)有限公司對本項目研制的地面微型移動機器人和微型管道內(nèi)窺檢測機器人進行測試，評價較高。項目作品曾被揚子晚報、蘇州日報、科學時報、江蘇科技報等多家媒體報道。（見附件四、五、六、七） 4、我校第十一屆“挑戰(zhàn)杯”科迪石化大學生課外學術(shù)科技作品競賽特等獎。（見附件八） 5、我校第十二批大學生課外學術(shù)科研基金資助項目，重大項目，項目編號KY2010002Z。（見附件九）
作品所處階段
- 項目現(xiàn)處于中試階段。針對項目的應用正與蘇州博實機器人有限公司，蘇州熱工院等單位開展交流合作。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 可一次性技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作
作品可展示的形式
- 1、實物、產(chǎn)品 2、模型 3、圖紙 4、現(xiàn)場演示 5、圖片 6、錄像 7、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本項目結(jié)構(gòu)簡單，易于批量制造，可以有效降低企業(yè)應用成本；同時體積小，可工作于人類難以進入的狹小空間以及對人類健康產(chǎn)生危害的特殊環(huán)境。可作為通用移動平臺搭載作業(yè)裝置或微型傳感器，單機或多機組網(wǎng)作業(yè)。 發(fā)電、化工、制冷等行業(yè)的熱交換器 , 特別是核電站的熱交換器存在著直徑大小不等的細小管道 , 長期使用后的腐蝕或機械損傷會引起裂縫,釀成嚴重的事故。本項目中的管道機器人可在工業(yè)上各類細小管道中應用，項目研制的微型管道機器人可作為這類檢查機器人的雛形，在機器人上裝載微型CMOS攝像頭，可實現(xiàn)管內(nèi)質(zhì)量檢測，故障診斷等功能，確保工業(yè)生產(chǎn)的安全性，其綜合性能優(yōu)異，經(jīng)企業(yè)試用，反映良好。本產(chǎn)品成本低，發(fā)展空間很大，可替代同類進口產(chǎn)品，市場開發(fā)前景廣闊，推廣應用后將產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟效益。此外，微型機器人具有體積小、隱蔽性好、機動性好、生存能力強、成本低等特點，在城市和惡劣環(huán)境下（如核、生、化戰(zhàn)場等）的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭中也具有重要作用。
同類課題研究水平概述
- 近些年隨著微電子技術(shù)、精密微加工及一體化制造技術(shù)、微傳感技術(shù)，新材料、特別是 MEMS （ 微機電系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，在機器人家族中又誕生了一個新的分支——微小型機器人。 歐盟 ESPRIT 項目資助德國等歐盟國家的共八所大學與飛利浦等兩家公司的科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了 Miniman 系列微小型機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)已成功實現(xiàn)了微小齒輪的裝配。哈爾濱工業(yè)大學研制的宏/微驅(qū)動精密作業(yè)微小型機器人系統(tǒng)于2006年完成了 200μ m軸孔裝配。精密測量、狹小環(huán)境檢測、細胞操作、介入醫(yī)療等都是微小型機器人“大展拳腳”的舞臺。上海大學龔振邦教授研制的尺蠖式微型管道機器人、哈爾濱工業(yè)大學劉品寬等人研制的慣性沖擊式微型管道機器人都可以用于狹小工業(yè)管道的檢測。 研究發(fā)現(xiàn)微小型機器人存在以下問題： (1) 一般的移動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復雜，加工、制造成本高，小型化困難； (2) 受尺度響應影響，移動機構(gòu)小型化后運動性能下降，潤滑等問題難以解決； (3) 傳統(tǒng)移動機構(gòu)存在傳動副，難以實現(xiàn)很高的運動分辨力； (4) 一般的微型機器人能源利用率低，能耗高，無法長時間進行無纜化作業(yè)。 隨著機器人的特征尺度由宏觀向介觀甚至微觀的延伸，尺度效應引發(fā)的能源供給與消耗之間的矛盾變得越發(fā)難以解決。一方面，電池所能攜帶的能源與特征尺寸成立方關(guān)系，當機器人的尺寸減小一個數(shù)量級時，電池所能提供的能源將減小到原來的千分之一。而另一方面，隨著尺寸的減小，與體積相關(guān)的慣性力、重力等的影響降低，而與表面積相關(guān)的摩擦力、粘滯力、表面張力等的影響增加，傳動副的潤滑問題難以解決，摩擦加劇，機構(gòu)的運動效率急劇降低。受兩方面因素綜合作用的影響，目前毫米級的微小型機器人大都無法通過自身攜帶的能源進行長時間的工作，而普遍采用了拖纜供電，如歐盟的miniman系列機器人、MIT的nanowalker等機器人系統(tǒng)。這極大的限制了微小型機器人的實際應用。 尺度效應對微型機器人的機構(gòu)、驅(qū)動、設計與控制等方面提出了新挑戰(zhàn)，尋求高功率自重比的驅(qū)動部件、高效率的微型移動機構(gòu)成為了目前微型機器人研究領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。本項目針對微機器人研究中面臨的以上問題提出一種利用諧振原理驅(qū)動的新型微機器人。該機器人通過機構(gòu)的振動實現(xiàn)運動，將整個移動機構(gòu)簡化為一個構(gòu)件，使得結(jié)構(gòu)簡單易于小型化和批量制造。
