CN101817180B - 基于mems的爬壁轮式机构 - Google Patents

Abstract

一种微机电技术领域的基于MEMS的爬壁轮式机构，包括：转动轮、绕组、轮架、转轴、轴承和连接板，转动轮固定于转轴的中央，转动轮的两侧分别设有轮架，轮架固定与连接板上，轮架的内表面采用UV-LIGA技术加工中央有通孔的环形绕组，轮架上固定轴承，转轴套接于绕组的中央通孔，转轴的两端固定在轴承内。本发明采用绕组中间夹一片转动轮的结构，显著增大了电磁场的作用面积，从而提高了该机构电磁驱动的力矩。该机构驱动吸附一体化的设计，减少了中间传动环节，使其具有结构简单、易于装配、尺寸较小、输出效率高、负载能力强等优点。

Description

基于MEMS的爬壁轮式机构

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，尤其涉及的是一种基于MEMS的爬壁轮式机构。

背景技术

微型爬壁机器人作为一种特殊的移动机器人，将地面移动机器人技术与吸附技术有机结合，能够在垂直壁面上灵活移动，从而实现了在三维空间内的自由移动，大大扩展了移动微型机器人的应用领域。由于微型爬壁机器人属于MEMS(Micro Electro Mechanical Systems微机电***)技术领域，受尺寸效应的影响，其吸附装置和驱动机构的设计与尺寸较大的爬壁机器人必然有所不同。目前微型爬壁机器人的研究主要分为三种类型：真空吸附、磁力吸附和仿壁虎脚掌吸附。

磁力吸附方式结构简单，吸附力较大，对壁面凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题。特别是永磁吸附，与电磁铁方式吸附相比，它还具有吸附不耗能、结构简单、安全性高、不受断电影响等优点。虽然基于此吸附方式的爬壁机器人虽然只能应用在一些可导磁的壁面上，但鉴于很多机械器材都是采用可导磁的材料制造，所以此类爬壁机器人具有比较广阔的应用前景。

经过对现有技术文献的检索发现，Takeda.M等在《Micro Electro Mechanical Systems》(微电子机械***)2000年1月发表的：Development of chain-type micromachine forinspection of outer tube surfaces(basic performance of the 1st prototype)(一种用于圆管外表面检测的链式机器人(第一个原型机器人的基本性能)，该技术公开了一种电磁微马达驱动的微型爬壁机构，其总体尺寸为5mm×9mm×6.5mm，电磁微马达的输出通过一个传动比为201的行星减速器来驱动直径为5mm的永磁轮，使其在导磁的壁面上移动。该装置尺寸虽然很小，但其结构非常复杂，传输效率非常低，其所需零部件的加工对加工设备的要求比较高，必须采用昂贵的LIGA微细加工技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于MEMS的爬壁轮式机构，通过将电磁驱动与永磁吸附轮进行一体化设计，利用MEMS技术制作减小整体尺寸，采用直接驱动的方式在有限的体积内大大提高了其负载能力，使其适合作为磁吸附式微型爬壁人的移动机构。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：转动轮、绕组、轮架、转轴、轴承和连接板，其中：转动轮固定于转轴的中央，转动轮的两侧分别设有轮架，轮架固定与连接板上，轮架的内表面用UV-LIGA技术设置绕组，轮架上固定轴承，转轴套接于绕组的中央通孔，转轴的两端固定在轴承内。

所述的绕组是环形，由多组线圈组成，中央设有通孔。

所述的线圈通过引线和外部电源相连。

所述的线圈中央设有磁芯。

所述的转动轮包括：多极磁体和导磁环，其中：圆盘状多极磁体的中央固定于转轴上，导磁环绕于多极磁体周围。

所述的导磁环上嵌有永磁环。

所述的多极磁体的磁化方向垂直圆盘表面，各磁极等角度分布，相邻的两个磁极方向相反。

所述的引线和线圈是铜制成，磁芯是铁镍合金制成。

所述的轮架是硅制成。

所述的多极磁体材料是钐钴稀土制成，导磁环是铁镍合金制成，永磁环的钐钴稀土制成。

所述的转轴和连接板是钛制成。

当该机构工作时，首先通过引线对相对成180°的两个线圈通电，通电线圈由于处在其上方的转动轮的磁场中，因此会受到电磁力的作用。由于绕组固定在轮架上，转动轮受到反作用力而旋转一定的角度。由于转动轮的磁极对称分布，当相对的两个线圈串联通电时，转动轮所受的转矩也增大一倍。当这一对磁极转出通电的线圈上表面时，停止对该组线圈通电，同时对下一组线圈通电，转动轮所受转矩的方向不变，仍会继续向前旋转。因此只要通电的相序正确，转动轮就可以持续旋转。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用绕组中间夹一片转动轮的结构，显著增大了电磁场的作用面积，从而提高了该机构电磁驱动的力矩。该机构驱动吸附一体化的设计，减少了中间传动环节，使其具有结构简单、易于装配、尺寸较小、输出效率高、负载能力强等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是绕组的局部示意图；

图3是转动轮的局部示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：连接板1、轮架2、绕组3、转轴4、轴承5和转动轮6，其中：转动轮6固定于转轴4的中央，转动轮6的两侧分别设有轮架2，轮架2固定与连接板1上，轮架2的内表面采用UV-LIGA技术加工中央设有通孔的环形绕组3，轮架2上固定轴承5，转轴4套接于绕组3的中央通孔，转轴4的两端固定在轴承5内。

如图2所示，绕组3由六组线圈7组成，线圈7通过引线8和外部电源相连，线圈7中央设有磁芯9用于增强磁性。

如图3所示，转动轮6包括：多极磁体10和导磁环11，其中：圆盘状多极磁体10位于中央，通过充磁机写入八个磁极，磁化方向垂直圆盘表面，磁极等角度均匀分布，相邻的两个磁极方向相反，导磁环11绕于多极磁体10周围，可以直接与导磁壁面接触，导磁环11上嵌有永磁环12，用于增加对导磁壁面的吸附力。

所述的引线8和线圈7是铜制成，磁芯9是铁镍合金制成。

所述的轮架2是硅制成。

所述的多极磁体10材料是钐钴稀土制成，导磁环11是铁镍合金制成，永磁环12的钐钴稀土制成。

所述的转轴4和连接板1是钛制成。

通过对线圈7通电，使转动轮6中的多极磁体10受到磁场力的作用而旋转，按照一定的相序通电，就可以使转动轮6持续旋转。将本机构设于微型爬壁机器人上，就可以实现爬壁的功能。

本实施例的最小尺寸：长×宽×高为2mm×1mm×2.5mm，尺寸越大，其爬壁和驱动能力也越强。

Claims (3)

1.一种基于MEMS的爬壁轮式机构，其特征在于，包括：转动轮、由多组线圈组成的绕组、轮架、转轴、轴承和连接板，其中：转动轮固定于转轴的中央，转动轮的两侧分别设有轮架，轮架固定于连接板上，轮架的内表面设有由多组线圈组成的绕组，轮架上固定轴承，转轴套接于由多组线圈组成的绕组的中央通孔，转轴的两端固定在轴承内，所述的线圈通过引线和外部电源相连，所述的导磁环上嵌有永磁环；

所述的转动轮包括：多极磁体和导磁环，多极磁体的中央固定于转轴上，多极磁体的磁化方向垂直圆盘表面，各磁极等角度分布，相邻的两个磁极方向相反，导磁环绕于多极磁体周围；

所述的多极磁体为圆盘状；

当该机构工作时，首先通过引线对相对成180°的两个线圈通电，通电线圈由于处在其上方的转动轮的磁场中，因此会受到电磁力的作用；由于绕组固定在轮架上，转动轮受到反作用力而旋转一定的角度；由于转动轮的磁极对称分布，当相对的两个线圈串联通电时，转动轮所受的转矩也增大一倍；当这一对磁极转出通电的线圈上表面时，停止对该组线圈通电，同时对下一组线圈通电，转动轮所受转矩的方向不变，仍会继续向前旋转；因此只要通电的相序正确，转动轮就可以持续旋转；

通过对线圈（7）通电，使转动轮（6）中的多极磁体（10）受到磁场力的作用而旋转，按照一定的相序通电，就可以使转动轮（6）持续旋转；将本机构设于微型爬壁机器人上，就可以实现爬壁的功能。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS的爬壁轮式机构，其特征是，所述的绕组为环形。

3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS的爬壁轮式机构，其特征是，所述的线圈中央设有磁芯。 

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