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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于諧振驅(qū)動原理的微型移動機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對現(xiàn)有的機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)器人。具有控制靈活、速度快、功耗低、便于批量制造等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目將先進(jìn)的諧振驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)的機(jī)器人領(lǐng)域，用機(jī)構(gòu)的振動來產(chǎn)生運(yùn)動，賦予微型機(jī)器人新的理念，開發(fā)出致動、傳動、執(zhí)行一體化的移動機(jī)構(gòu)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一類基于諧振驅(qū)動原理的微型移動機(jī)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(jī)或多機(jī)組網(wǎng)作業(yè)。項(xiàng)目的具體研究思路是針對現(xiàn)有微小型機(jī)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(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)計(jì)雙壓電膜的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行微型機(jī)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(shè)計(jì)，將整個移動機(jī)構(gòu)簡化為一個構(gòu)件，實(shí)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。基于該研究思想研制地面、管道微型移動機(jī)器人樣機(jī)。研制的微型機(jī)器人具有控制靈活、速度快、功耗低、便于批量制造等優(yōu)點(diǎn)，可用于檢測有毒氣體、放射性物質(zhì)，工業(yè)中細(xì)小管道的情況，或作為偵察設(shè)施用于城市巷戰(zhàn)中的情報(bào)搜集等。如制做的管道機(jī)器人樣機(jī)尺寸20mm*11mm*12mm、可適應(yīng)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(yīng)用于石油、化工以及核電站中細(xì)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(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路 傳統(tǒng)運(yùn)動副結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)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(jī)構(gòu)成了制約微小型機(jī)器人運(yùn)動性能，并限制其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。為解決這一現(xiàn)實(shí)問題，提出利用諧振原理驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動，用柔性機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)的運(yùn)動副，以達(dá)到簡化機(jī)構(gòu)、提高運(yùn)動效率的目的。通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，研制了微小型諧振式移動機(jī)器人樣機(jī)。并面向核工業(yè)管道檢測，研制了微型諧振式管道檢測機(jī)器人。 二、創(chuàng)新點(diǎn) 1、提出利用諧振原理驅(qū)動微小型移動機(jī)器人，并研制了利用柔性機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)運(yùn)動副的新型諧振式微小型機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)； 2、研制了諧振式微小型機(jī)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(jī)器人。 三、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo) 1、進(jìn)行了諧振式微小型移動機(jī)器人致動、傳動、執(zhí)行一體化移動機(jī)構(gòu)和動力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化； 2、研究了基于幅頻特性的諧振式微小型移動機(jī)器人運(yùn)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(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸為 49mm*28mm*24mm ，負(fù)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(shè)定激勵頻率可控制機(jī)器人前、后、左、右運(yùn)動。微型管道內(nèi)窺機(jī)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(jī)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(xué)性、先進(jìn)性
- 本項(xiàng)目將先進(jìn)的諧振驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)的機(jī)器人領(lǐng)域，用機(jī)構(gòu)的振動來產(chǎn)生運(yùn)動，賦予微型機(jī)器人新的理念，開發(fā)出致動、傳動、執(zhí)行一體化的移動機(jī)構(gòu)。制作的機(jī)器人以及加工技術(shù)同國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比亮點(diǎn)在于驅(qū)動方式新穎、控制靈活、運(yùn)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(jī)器人尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而極大提高了微型機(jī)器人的綜合性能，增加了新型機(jī)器人的科技含量，拓展了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，因此技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益，可顯著提高我國微機(jī)器人在狹小環(huán)境監(jiān)測、微系統(tǒng)組裝、細(xì)胞操作等領(lǐng)域的使用價值。 《基于諧振設(shè)計(jì)的微型管道機(jī)器人》查新報(bào)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(jī)構(gòu)的諧振驅(qū)動管道機(jī)器人未見于國內(nèi)外公開文獻(xiàn)報(bào)道。（見附件一） 本產(chǎn)品現(xiàn)已申報(bào)1項(xiàng)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(jī)器人，申請國家發(fā)明專利，專利號：201110086875.4，第一發(fā)明人為項(xiàng)目主持人。（見附件二） 2、基于單片機(jī)無線控制的新型諧振式微型移動機(jī)器人，已被《2010年IEEE光學(xué)儀器與測量》錄用，并于2010年11月刊登，第一作者為項(xiàng)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(shí)機(jī)器人技術(shù)有限公司對本項(xiàng)目研制的地面微型移動機(jī)器人和微型管道內(nèi)窺檢測機(jī)器人進(jìn)行測試，評價較高。項(xiàng)目作品曾被揚(yáng)子晚報(bào)、蘇州日報(bào)、科學(xué)時報(bào)、江蘇科技報(bào)等多家媒體報(bào)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(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。（見附件八） 5、我校第十二批大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科研基金資助項(xiàng)目，重大項(xiàng)目，項(xiàng)目編號KY2010002Z。（見附件九）
作品所處階段
- 項(xiàng)目現(xiàn)處于中試階段。針對項(xiàng)目的應(yīng)用正與蘇州博實(shí)機(jī)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(shí)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(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)簡單，易于批量制造，可以有效降低企業(yè)應(yīng)用成本；同時體積小，可工作于人類難以進(jìn)入的狹小空間以及對人類健康產(chǎn)生危害的特殊環(huán)境?？勺鳛橥ㄓ靡苿悠脚_搭載作業(yè)裝置或微型傳感器，單機(jī)或多機(jī)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(xì)小管道 , 長期使用后的腐蝕或機(jī)械損傷會引起裂縫,釀成嚴(yán)重的事故。本項(xiàng)目中的管道機(jī)器人可在工業(yè)上各類細(xì)小管道中應(yīng)用，項(xiàng)目研制的微型管道機(jī)器人可作為這類檢查機(jī)器人的雛形，在機(jī)器人上裝載微型CMOS攝像頭，可實(shí)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(jìn)口產(chǎn)品，市場開發(fā)前景廣闊，推廣應(yīng)用后將產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。此外，微型機(jī)器人具有體積小、隱蔽性好、機(jī)動性好、生存能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，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(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)器人家族中又誕生了一個新的分支——微小型機(jī)器人。 歐盟 ESPRIT 項(xiàng)目資助德國等歐盟國家的共八所大學(xué)與飛利浦等兩家公司的科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了 Miniman 系列微小型機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)已成功實(shí)現(xiàn)了微小齒輪的裝配。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的宏/微驅(qū)動精密作業(yè)微小型機(jī)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(xì)胞操作、介入醫(yī)療等都是微小型機(jī)器人“大展拳腳”的舞臺。上海大學(xué)龔振邦教授研制的尺蠖式微型管道機(jī)器人、哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉品寬等人研制的慣性沖擊式微型管道機(jī)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(jī)器人存在以下問題： (1) 一般的移動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工、制造成本高，小型化困難； (2) 受尺度響應(yīng)影響，移動機(jī)構(gòu)小型化后運(yùn)動性能下降，潤滑等問題難以解決； (3) 傳統(tǒng)移動機(jī)構(gòu)存在傳動副，難以實(shí)現(xiàn)很高的運(yùn)動分辨力； (4) 一般的微型機(jī)器人能源利用率低，能耗高，無法長時間進(jìn)行無纜化作業(yè)。 隨著機(jī)器人的特征尺度由宏觀向介觀甚至微觀的延伸，尺度效應(yīng)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(dāng)機(jī)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(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jī)器人大都無法通過自身攜帶的能源進(jìn)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(jī)器人、MIT的nanowalker等機(jī)器人系統(tǒng)。這極大的限制了微小型機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。 尺度效應(yīng)對微型機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、驅(qū)動、設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)成為了目前微型機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。本項(xiàng)目針對微機(jī)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(jī)器人。該機(jī)器人通過機(jī)構(gòu)的振動實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，將整個移動機(jī)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。
