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平面直线转动三自由度微移动机器人
    本发明属机器人技术领域，具体说是一种耦合实现平面X、Y直线及绕Z轴转动的三自由度微移动机器人。

    随着科学技术的发展，微动机器人技术的研究已成为当今机器人技术领域中前沿重点研究技术之一。微动机器人技术在民用和军用方面有重要的应用价值，如生物工程的微操作系统，激光打印机反射镜面的加工，导弹惯性至导的光陀螺反射镜面的加工等。因此，微动机器人的研究与开发得到国际上许多国家的学者和企业和重视。为实现移动机器人微动位移，国际学术界提出许多新思想新方法，如“冲击驱动法”、“尺蠖驱动法”等，并已研究出相应的微动机器人。其中，静岗大学：青山尚之(作者)通过小型同步机械人生产超高精密生产机械系统(小型同走机械群による超精密生产机械システム)，精密工学会志64/6(1998)公开了一种以“尺蠖驱动法”为原理的微型机器人，它由前后两个电磁吸盘分别连接两条腿，通过中间压电晶体作收缩动作，向前行走，运动速度及效率不高。东京大学：樋口(作者)冲程驱动机构润滑面上的移动特性(インパクト驱动机构の润滑面上じおける移动特性)，精密工学会志61-3(1995)公开了一种以冲击驱动法为原理的微移动机器人，它是用压电晶体将一物体与本体连结起来，控制压电晶体突然收缩，机器人本体便获得一个惯性力，在此惯性力作用下使机器人本体行走，精度较高，但效率不理想。另外日本熊本县工业技水中心，各和男(作者)用压电振动的移动机械及摩擦模式(压电振动を用じた移动机械とその摩擦モデル)，精密工学会志57/8-1991公开了一种振动法行走微型机器人，原理是当机器人受到一定频率振动时便向前行走，精度低，运动不易控制。中国专利申请01211842.7公开一种基于碰撞驱动法原理的两自由度微移动机器人，由电磁铁和驱动本体构成，实现了直线前进方向的微移动，还可以向左、向右作转弯动作，具有小型、高精度、高效率特点，其不足之处是不能向相反方向作直线后退动作，另外具有转弯半径，不适合空间小的场合。

    本发明的目的在于提供一种基于碰撞驱动原理，保证精度、效率的同时，能往复运动，适应狭小空间的平面直线转动三自由度微移动机器人。

    本发明的技术方案是：包括电磁铁A、B、C、D及移动本体，每两个相邻电磁铁轴线相互垂直设置，每两个相对设置电磁铁轴线相互平行，且驱动方向相反安装，四个电磁铁A、B、C、D的外壳与移动本体固连为一体；

    在所述每个电磁铁中设有衔铁、弹簧和电磁线圈，作为驱动体的衔铁分别装在电磁铁A、B、C、D的电磁线圈和位于电磁铁里的弹簧中；在将四个电磁铁A、B、C、D与移动本体固连时，使弹簧产生一定压缩量，保证衔铁在弹簧单独作用下，始终与移动本体接触；所述移动本体底面安装有四个高精度钢球，四个电磁铁A、B、C、D轴线所构成的平面与移动本体底面四个高精度钢球顶点所构成地平面相互平行。

    本发明具有如下优点：

    1.由于本发明采用“碰撞驱动法”及四个电磁铁呈两个相反方向安装，因而易于实现沿X、Y轴直线微动及绕Z轴微转动，且直线移动范围不限、无转弯半径、可连续360°转动，适用于空间狭小的场合。

    2.由于本发明采用“碰撞驱动法”及电磁铁作为驱动元件，使得微动机器人整体结构简单紧凑，易制作，运动精度高，效率高，且制作成本低。

    图1为本发明主视图。

    图2为本发明俯视图。

    下面结合附图和实施例对本发明结构及原理作进一步详细说明。

    本发明的构成如图1、2所示，包括电磁铁A1、B2、C3、D4及移动本体5，每两个相邻电磁铁轴线相互垂直设置，每两个相对设置电磁铁轴线相互平行，且驱动方向相反安装，四个电磁铁A1、B2、C3、D4的外壳与移动本体固连为一体；

    在所述每个电磁铁中设有衔铁10、弹簧11和电磁线圈9，作为驱动体的衔铁10分别装在电磁铁A1、B2、C3、D4的电磁线圈9和位于电磁铁里的弹簧11中；在将四个电磁铁A1、B2、C3、D4与移动本体5固连时，使弹簧11产生一定压缩量，保证衔铁10在弹簧11单独作用下(电磁铁不通电)，始终与移动本体5接触；所述移动本体5底面安装有四个高精度钢球6，四个电磁铁A1、B2、C3、D4轴线所构成的平面与移动本体5底面四个高精度钢球顶点所构成的平面相互平行。

    本发明在中科院先进制造技术基地课题实验中，经过测试，其最小位移精度可达到0.8μm。

    本发明方法是根据碰撞运动中动量守恒和动能守恒原理提出的，其运动方程为： S = ( m 1 m 1 + m 2 ) 2 x gf [ a 1 ( e 1 + 1 ) 2 - a 2 ( e 2 + 1 ) 2 ] ]]>

    式中S为移动本体5移动位移，x为驱动体10位移；m₁为驱动体10质量；m₁+m₂为移动本体5质量；a₁、a₂为驱动体10加速度；e₁、e₂为材料恢复系数；f为摩擦系数；g为重力加速度，本发明即是基于“碰撞驱动法”驱动的平面X、Y直线及绕Z轴转动的三自由度微动机器人。其微移动原理如下：

    当电磁铁A1、D4同时通电后，产生的电磁力作用在衔铁10上，使之以一定速度被吸向电磁线圈9，直到碰撞到电磁线圈9为止，同时压缩弹簧11；当断掉电磁铁A1、D4的电后，衔铁10便在弹簧力的作用下，以一定速度向移动本体5移动，直到碰撞到移动本体5。根据“碰撞驱动法”原理，衔铁10碰撞电磁线圈9和移动本体5分别使移动本体产生相应的微小位移，由于二者移动方向相反，且碰撞移动本体5产生的移动量大于碰撞电磁线圈9产生的移动量，二者之差即是本发明机器人最终的微小位移，这个微小位移是沿着电磁铁A1、D4合力的方面移动(X轴负向)。同理，电磁铁A1、B2同时通断电，亦使本发明机器人沿着二者合力方向移动(Y轴正向)；电磁铁B2、C3同时通断电，亦使本发明机器人沿着二者合力方向移动(X轴正向)；电磁铁C3、D4同时通断电，亦使本发明机器人沿着二者合力方向移动(Y轴负向)。当两相对电磁铁A1、C3通断时，移动本体5便逆时针转动；当两相对电磁铁B2、D4通断时，移动本体5便顺时针转动。据此，便可控制本发明实现沿X、Y轴直线移动及绕Z轴转动。