基于单离心力源驱动的平面运动平台的理论与实验研究
发布时间：2022-01-03 04:19
在一些活动空间较小或者对工作环境有特殊要求的应用场合,采用一般的轮式或多足行走式机构来驱动小、微型机器人往往并不合适,因为滚轮或行走机构往往位于机器人本体的外部,需要通过传动装置将动力从动力源传递到外部的驱动部件上,这就增加了机器人结构的复杂性,也限制了机器人所能达到的最小尺寸,同时又增加了对机器人整体密封的难度,不能满足在某些特殊环境（如腐蚀、放射性污染等环境）下工作的要求。采用振动驱动的方式可以省去传动装置和外部行走部件,目前的振动驱动装置一般采用压电技术,其对供电系统的要求较高,需要外部供电,所以不得不采用拖线运行,不适用于小、微机器人的驱动。近年来出现了采用离心力产生源代替压电晶体的微型机器人驱动平台的研究,目前存在的问题是:为实现平台的平面运动,现有的设计方案往往采用多电机联动控制方式运行,由于多电机联动系统较复杂,需要占用额外的空间,导致整个平台的体积不易缩小,不能很好满足小、微型机器人的驱动要求。针对上述问题,本文以采用单个离心力产生源来实现小、微型驱动平台的可控平面运动为目标,对单离心力源驱动平台的驱动方案及平面运动展开了研究。论文的主要工作如下:（1）离心力驱动装置的...
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２电磁振动驱动的胶囊型机器人［１１，１２］??［１１，１２］??
华东理工大学博士学位论文?第３页??Ｍａｇｎｅｔ?ｗｉｒｅ?ｃｏｉｌ?卜?２０ｍｍ?ｒ｜?Ｍａｇｎｅｔ??ＯＯＯＯＯ?ＣＯＯ?ＯＯＯＯＯＯＣＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＤＯＯＯＱｇｌＯＯ??１１??６６Ｃ＞〇〇〇〇〇〇〇〇〇＜＞６６６６６〇〇〇〇〇〇〇?００?ｏ６ｏｏｏｏｏｏ〇６６ｂｏｏｏｏ〇６??Ｈ?９Ｓｉｎｉｎ?Ｈ??图１．２电磁振动驱动的胶囊型机器人［１１，１２］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ?ｄｒｉｖｅｎ?ｃａｐｓｕｌｅ?ｒｏｂｏｔ［１１，１２］??李洪义等人提出了一种胶囊式机器人，也是由电磁振动来驱动的，其基本结构如图??１．２所示［１１，１２］。其主要驱动结构由置于机器人内部的可以前后自由运动的磁性惯性质量??体以及包覆机器人的电磁线圈组成。与图１．１所示的机器人相类似，通过给电磁线圈施??加不同的电压来产生不同强度的磁场，由磁场的变化控制内部惯性质量的运动，产生的??惯性力用于驱动机器人直线前进。他们为该机器人设计了一个４步的控制法则，实现机??器人的快慢两种运动模式，可以根据需要切换。??由于电磁驱动方式会产生变化的强磁场，对于微型机器人内的某些电子部件会产生??不利影响，还会限制使用它的环境，因此它尚未广泛用于微型机器人领域。对于电磁驱??动的这些限制，压电驱动技术则可以很好地克服。在微动机器人中，压电驱动技术被广??泛使用，它主要利用压电材料的逆压电效应来驱动。所谓的逆压电效应是指压电材料在??受到电场时发生变形的现象。压电驱动技术是通过向压电材料施加电压（通常使用锯齿??电压）来控制压电材料产生机械变形而产生旋转或线性运动的技术。相
第４页?华东理工大学博士学位论文??其运动原理如图１．４所示。①为开始状态，线圈Ｊ首先被激励以产生电磁力，ｄ的??支撑腿烏和次在电磁力作用下，牢牢紧贴住磁性金属工作台的表面，此时线圈５未通??电并处于自由活动状态，然后，向压电陶瓷Ｐ／和心施加相同大小的负电压，并且在逆??压电效应的作用下，它们沿轴向收缩，以驱动５向前移动一定的位移；进入状态②，线??圈５通电以获得电磁力，使得５的支撑腿与磁性金属台的表面紧密接触，同时对Ｊ断??电，释放乂的支撑脚，然后逐渐将尸／和巧上的负电压降低到零，压电陶瓷将恢复到原??来的长度，从而推动Ｊ向前移动一步；状态③至状态⑤，则先向Ｐ／、Ａ施加正向的电??压后逐渐撤去，让其先伸长然后恢复原来长度，再次推动５向前运动一个步长，最终达??到状态⑤的位置。连续完成上述循环可以使得机器人连续地沿预定方向移动。??麻力?麻力活动活动?雖固定??〇〇〇〇〇??①?②？?＠?⑤??图１．４压电陶瓷原理驱动的运动原理［１７］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｍｏｔｉｏｎ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｒｏｂｏｔ?ｄｒｉｖｅｎ?ｂｙ?ｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃ［１７］??根据上述原理，通过向两个线圈施加不同的电源电压，机器人可以前进或后退；如??果对左侧和右侧的压电陶瓷施加不同的电压电平，则机器人可以实现预定的转向运动，??并且电压差可以影响转向和转向半径。??ＰＩＮ?ＴＹＰＥ??ＡＣＴＵＡＴＯＲ⑷??＿＿＿＿Ｙ?ＴＵＢＥ??１＾?？?ｊ??—Ｘ??图１．５针型压电致动器结构［１８１??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｐｉｎ?ｔｙｐｅ?ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ａｃｔｕａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Adams与RecurDyn的机械结构Hertz接触仿真对比分析[J]. 薛珊,徐龙,赵运来,张博,缪海峰,杨浩然. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(04)
[2]振动驱动移动机器人直线运动的滑移分岔[J]. 陈祺,占雄,徐鉴. 力学学报. 2016(04)
[3]机械控制式惯性压电旋转驱动器[J]. 程光明,邢春美,温建明,胡意立,曾平,李新辉. 光学精密工程. 2015(12)
[4]基于视频分析软件Tracker测量刚体转动惯量[J]. 贾昱,程敏熙,安盟,王经淘,李荣妹. 物理实验. 2014(05)
[5]基于Recurdyn链传动的仿真与分析[J]. 程明. 机械设计. 2013(09)
[6]一种基于粘滑运动原理的微小型机器人建模与实验[J]. 李伟达,李娟,胡海燕,李满天,孙立宁. 机器人. 2012(02)
[7]漫谈惯性力[J]. 高炳坤. 大学物理. 2011(09)
[8]一种实用的摩擦模型[J]. 王毅,何朕,王广雄. 电机与控制学报. 2011(08)
[9]压电陶瓷驱动微小型机器人的运动分析与仿真[J]. 杜启亮,张勤,田联房,青山尚之. 西南交通大学学报. 2011(03)
[10]探索惯性系[J]. 高炳坤. 大学物理. 2010(08)
博士论文
[1]压电双晶片型二自由度惯性冲击式精密驱动器理论与实验研究[D]. 张宏壮.吉林大学 2006
硕士论文
[1]基于离心力的一种新型驱动装置研究[D]. 陈佳佳.华东理工大学 2016
[2]面向离心力驱动装置的多电机同步控制研究[D]. 马维才.华东理工大学 2013
[3]机械系统中的摩擦模型及仿真[D]. 刘国平.西安理工大学 2007
[4]新型惯性压电叠堆驱动机构及位移精度控制系统[D]. 孙桂林.吉林大学 2006
[5]H桥功率驱动电路的设计研究[D]. 袁涛.电子科技大学 2006
本文编号：3565555
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２电磁振动驱动的胶囊型机器人［１１，１２］??［１１，１２］??
华东理工大学博士学位论文?第３页??Ｍａｇｎｅｔ?ｗｉｒｅ?ｃｏｉｌ?卜?２０ｍｍ?ｒ｜?Ｍａｇｎｅｔ??ＯＯＯＯＯ?ＣＯＯ?ＯＯＯＯＯＯＣＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＤＯＯＯＱｇｌＯＯ??１１??６６Ｃ＞〇〇〇〇〇〇〇〇〇＜＞６６６６６〇〇〇〇〇〇〇?００?ｏ６ｏｏｏｏｏｏ〇６６ｂｏｏｏｏ〇６??Ｈ?９Ｓｉｎｉｎ?Ｈ??图１．２电磁振动驱动的胶囊型机器人［１１，１２］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ?ｄｒｉｖｅｎ?ｃａｐｓｕｌｅ?ｒｏｂｏｔ［１１，１２］??李洪义等人提出了一种胶囊式机器人，也是由电磁振动来驱动的，其基本结构如图??１．２所示［１１，１２］。其主要驱动结构由置于机器人内部的可以前后自由运动的磁性惯性质量??体以及包覆机器人的电磁线圈组成。与图１．１所示的机器人相类似，通过给电磁线圈施??加不同的电压来产生不同强度的磁场，由磁场的变化控制内部惯性质量的运动，产生的??惯性力用于驱动机器人直线前进。他们为该机器人设计了一个４步的控制法则，实现机??器人的快慢两种运动模式，可以根据需要切换。??由于电磁驱动方式会产生变化的强磁场，对于微型机器人内的某些电子部件会产生??不利影响，还会限制使用它的环境，因此它尚未广泛用于微型机器人领域。对于电磁驱??动的这些限制，压电驱动技术则可以很好地克服。在微动机器人中，压电驱动技术被广??泛使用，它主要利用压电材料的逆压电效应来驱动。所谓的逆压电效应是指压电材料在??受到电场时发生变形的现象。压电驱动技术是通过向压电材料施加电压（通常使用锯齿??电压）来控制压电材料产生机械变形而产生旋转或线性运动的技术。相
第４页?华东理工大学博士学位论文??其运动原理如图１．４所示。①为开始状态，线圈Ｊ首先被激励以产生电磁力，ｄ的??支撑腿烏和次在电磁力作用下，牢牢紧贴住磁性金属工作台的表面，此时线圈５未通??电并处于自由活动状态，然后，向压电陶瓷Ｐ／和心施加相同大小的负电压，并且在逆??压电效应的作用下，它们沿轴向收缩，以驱动５向前移动一定的位移；进入状态②，线??圈５通电以获得电磁力，使得５的支撑腿与磁性金属台的表面紧密接触，同时对Ｊ断??电，释放乂的支撑脚，然后逐渐将尸／和巧上的负电压降低到零，压电陶瓷将恢复到原??来的长度，从而推动Ｊ向前移动一步；状态③至状态⑤，则先向Ｐ／、Ａ施加正向的电??压后逐渐撤去，让其先伸长然后恢复原来长度，再次推动５向前运动一个步长，最终达??到状态⑤的位置。连续完成上述循环可以使得机器人连续地沿预定方向移动。??麻力?麻力活动活动?雖固定??〇〇〇〇〇??①?②？?＠?⑤??图１．４压电陶瓷原理驱动的运动原理［１７］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｍｏｔｉｏｎ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｒｏｂｏｔ?ｄｒｉｖｅｎ?ｂｙ?ｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃ［１７］??根据上述原理，通过向两个线圈施加不同的电源电压，机器人可以前进或后退；如??果对左侧和右侧的压电陶瓷施加不同的电压电平，则机器人可以实现预定的转向运动，??并且电压差可以影响转向和转向半径。??ＰＩＮ?ＴＹＰＥ??ＡＣＴＵＡＴＯＲ⑷??＿＿＿＿Ｙ?ＴＵＢＥ??１＾?？?ｊ??—Ｘ??图１．５针型压电致动器结构［１８１??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｐｉｎ?ｔｙｐｅ?ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ａｃｔｕａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Adams与RecurDyn的机械结构Hertz接触仿真对比分析[J]. 薛珊,徐龙,赵运来,张博,缪海峰,杨浩然. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(04)
[2]振动驱动移动机器人直线运动的滑移分岔[J]. 陈祺,占雄,徐鉴. 力学学报. 2016(04)
[3]机械控制式惯性压电旋转驱动器[J]. 程光明,邢春美,温建明,胡意立,曾平,李新辉. 光学精密工程. 2015(12)
[4]基于视频分析软件Tracker测量刚体转动惯量[J]. 贾昱,程敏熙,安盟,王经淘,李荣妹. 物理实验. 2014(05)
[5]基于Recurdyn链传动的仿真与分析[J]. 程明. 机械设计. 2013(09)
[6]一种基于粘滑运动原理的微小型机器人建模与实验[J]. 李伟达,李娟,胡海燕,李满天,孙立宁. 机器人. 2012(02)
[7]漫谈惯性力[J]. 高炳坤. 大学物理. 2011(09)
[8]一种实用的摩擦模型[J]. 王毅,何朕,王广雄. 电机与控制学报. 2011(08)
[9]压电陶瓷驱动微小型机器人的运动分析与仿真[J]. 杜启亮,张勤,田联房,青山尚之. 西南交通大学学报. 2011(03)
[10]探索惯性系[J]. 高炳坤. 大学物理. 2010(08)
博士论文
[1]压电双晶片型二自由度惯性冲击式精密驱动器理论与实验研究[D]. 张宏壮.吉林大学 2006
硕士论文
[1]基于离心力的一种新型驱动装置研究[D]. 陈佳佳.华东理工大学 2016
[2]面向离心力驱动装置的多电机同步控制研究[D]. 马维才.华东理工大学 2013
[3]机械系统中的摩擦模型及仿真[D]. 刘国平.西安理工大学 2007
[4]新型惯性压电叠堆驱动机构及位移精度控制系统[D]. 孙桂林.吉林大学 2006
[5]H桥功率驱动电路的设计研究[D]. 袁涛.电子科技大学 2006
本文编号：3565555
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