基于MEMS加工实现的微型爬行机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人。所述微型爬行机器人包括腿部结构和微型直线电机，整体尺寸在毫米级，所述腿部结构包括前腿、后腿，所述前腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造。本发明专利技术大幅度缩小直线电机驱动微型机器人的整体尺寸，同时降低装配难度，避免导线对微型机器人运动的影响，摆脱供电导线对微型机器人的束缚，同时实现毫米、微米级微型机器人的转弯爬行。转弯爬行。

【技术实现步骤摘要】
基于MEMS加工实现的微型爬行机器人


[0001]本专利技术涉及微型机器人
，尤其涉及一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人。

技术介绍

[0002]微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支，由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间，近年来备受关注。微纳米技术的迅速发展促进了微型机器人技术的发展。
[0003]微型机器人的发展方向之一是缩小其外型尺寸，如果尺寸足够小则在各领域的作用都大幅增加，如军工产业中越小隐蔽性越强，能源开采行业中，越小适用的范围便越大，在消防领域机器人越小，可以穿过的缝隙越大，如门缝、窗户，进而准确找到伤员以及着火点等等。而尺寸大意味着应用场景会大幅度减小。
[0004]现有技术CN 109484508A公开了一种仿生式两足微型爬行机器人，机器人的前移动机构由前活塞缸和前活塞杆组成，其前活塞缸通过铰链与前腿连接，前活塞杆通过铰链与壳体连接，所述的后腿设置在壳体后端。然而，这种基于活塞的爬行机器人结构十分复杂，无法实现机器人的微小化，也增加了控制难度和故障概率。现有技术CN111230838A公开了一种基于形状记忆合金的蠕动机器人，基于不同材料热膨胀系数不匹配结构自动变形的原理，利用形状记忆合金材料，通过对二维平面轮廓设计而成，现有技术CN113232736A公开了一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，基于形状记忆合金薄膜，在射频磁场中能够自主进行驱动。但是这两种机器人的爬行能力受到外界环境影响较大，且其驱动载荷能力较低。
[0005]现有技术中，基于直线电机的爬行机器人尺寸大多在几十毫米，如韩国韩巴大学研发出类似电动机的电磁致动器，参考无刷直流电机设计，利用交流电输入下永磁体和电磁体间的相对振荡实现驱动(参见附图11所示)。电磁致动器驱动微型机器人的尺寸为20mm
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11mm
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9mm，重3g，其中，电磁致动器的尺寸为10mm
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11mm
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9mm。现有的直线电机的传动结构，大多十分复杂，无法控制住整体机器人的尺寸，机器人结构的加工现阶段大多采用线切割等机加工手段进行，对于3D打印而言，精度仅可以达到0.01mm
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0.1mm，而机器加工目前可以达到的最小尺寸也仅有10um，且精度十分有限，而随着电机的进一步缩小至微米级甚至纳米级，则机器加工手段与3D打印完全无法实现加工。
[0006]结构复杂的传动机构在微小尺度下的装配极其困难，而且现如今绝大多数微型爬行机器人均需要连接导线方可进行运动，由于微型爬行机器人的尺寸质量很小，导线对其运动影响极大，当微型爬行机器人出现无法运动的情况，极大可能是由于导线的阻力过大，而微型爬行机器人运动时，无法明确运动是由电机驱动还是导线带动。并且，在微尺度下，运动十分困难，目前几乎无法实现微型爬行机器人的转弯运动。
[0007]如何克服上述现有技术方案的不足，大幅度缩小直线电机驱动微型机器人的整体尺寸，同时降低装配难度，避免导线对微型机器人运动的影响，摆脱供电导线对微型机器人
的束缚，同时实现毫米、微米级微型机器人的转弯爬行，成为本
亟待解决的课题。

技术实现思路

[0008]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人结构，具体采用如下技术方案：
[0009]一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，所述微型爬行机器人包括腿部结构和微型直线电机；
[0010]所述腿部结构包括前腿、后腿；
[0011]所述微型直线电机包括电机动子和电机静子，所述电机动子与所述前腿固定连接，所述电机静子与所述后腿固定连接；
[0012]所述电机动子包括三维线圈；
[0013]所述前腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造；
[0014]所述后腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造，或者，所述后腿通过3d打印的方式进行加工制造。
[0015]进一步，每一个所述前腿和所述后腿均呈“V”字形外形轮廓，所述电机动子与所述前腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述电机静子与所述后腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述前腿和所述后腿的另一臂的末端与地面接触，用于爬行。
[0016]进一步，所述微型爬行机器人包括左右并列设置的两个所述前腿，和左右并列设置的两个所述后腿。
[0017]进一步，所述微型爬行机器人在导轨上爬行运动，所述导轨包括左侧和右侧两部分，所述左侧导轨和右侧导轨使用导电材料加工制造。
[0018]进一步，所述左侧导轨和右侧导轨的横截面为彼此对称的L形，共同形成横截面为U形的导轨；
[0019]所述左侧导轨和右侧导轨之间采用使用非导体结构连接；
[0020]所述左侧导轨和右侧导轨分别连接交流电源的两输出电极，电流依次通过一侧金属导轨、一侧前腿、电机动子三维线圈，再通过另一侧前腿、另一侧金属导轨，传回交流电源。
[0021]进一步，所述导轨的宽度以及导轨中间非导体结构的宽度，均与所述微型爬行机器人的两个所述后腿间距相适配，从而将两侧的所述后腿分别与所述左侧导轨和所述右侧导轨的内部重合。
[0022]进一步，包括左右并排放置的两组直线电机，所述两组直线电机的电机动子分别与左右两侧的所述前腿固定连接，通过控制两组直线电机的电流有无和/或两组直线电机的供电频率和/或电流和/或电压的大小来控制所述微型爬行机器人的转弯运动。
[0023]进一步，所述两组直线电机的电机静子前后分别设置柔性可旋转连接机构，用于在前进方向将多个微型爬行机器人单体进行连接，形成微型爬行机器人组；
[0024]所述微型爬行机器人组的运动形式为仿鳞翅目幼虫的相位式爬行运动，依靠左右两列足的运动速度差以实现转向。
[0025]进一步，所述采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造，具体包括：针对腿的结构和外型，进行掩膜板的绘制；得到掩膜板后，选择1000um厚的低阻
硅进行光刻胶的薄胶的匀涂；涂胶后使用热烘箱固定光刻胶，固定完成进行曝光显影，将前腿腿部结构传递到硅片上，采用显影液定点去除光刻胶；去除完成后，采用电感耦合等离子体刻蚀机，将硅片没有光刻胶保护的地方即非腿部结构刻通。
[0026]进一步，所述倾角α的角度为40度至60度。
[0027]本专利技术的基于MEMS微直线电机的运功结构，可以应用于毫米级甚至微米级直线电机，放大直线电机的往复运动，使微型爬虫机器人实现运动。本专利技术使用微机电系统MEMS手段，使用多层键合对微型机器人的腿部结构进行加工，极大提升了加工精度，减少冗杂设计，缩小机器人整体尺寸使得整体结构远小于现有结构，同时降低装配了难度。随着电机的更新，有进一步缩小至微米级的潜力。本专利技术使用低阻硅，将导线连接在腿部结构上，腿部再与线圈相连，使得导线连接更加方便。本专利技术的微型机器人腿部结构只需将前后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述微型爬行机器人包括腿部结构和微型直线电机；所述腿部结构包括前腿、后腿；所述微型直线电机包括电机动子和电机静子，所述电机动子与所述前腿固定连接，所述电机静子与所述后腿固定连接；所述电机动子包括三维线圈；所述前腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造；所述后腿采用MEMS加工工艺，通过对掺杂P的低阻硅片的方式进行加工制造，或者，所述后腿通过3d打印的方式进行加工制造。2.根据权利要求1所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，每一个所述前腿和所述后腿均呈“V”字形外形轮廓，所述电机动子与所述前腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述电机静子与所述后腿的“V”字形外形轮廓的两臂之一固定连接，所述前腿和所述后腿的另一臂的末端与地面接触，用于爬行。3.根据权利要求1所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述微型爬行机器人包括左右并列设置的两个所述前腿，和左右并列设置的两个所述后腿。4.根据权利要求3所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述微型爬行机器人在导轨上爬行运动，所述导轨包括左侧和右侧两部分，所述左侧导轨和右侧导轨使用导电材料加工制造。5.根据权利要求4所述的基于MEMS加工实现的微型爬行机器人，其特征在于，所述左侧导轨和右侧导轨的横截面为彼此对称的L形，共同形成横截面为U形的导轨；所述左侧导轨和右侧导轨之间采用使用非导体结构连接；所述左侧导轨和右侧导轨分别连接交流电源的两输出电极，电流依次通过一侧金属导轨、一侧前腿、电机动子三维线圈，再通过另一侧前腿、另一侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天彤，李海旺，赵唯至，陶智，张潇，李世迦，张锴文，朱凯云，杜智源，黄晓荷，黄安祺，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：