CN100443352C - 管道内蠕动行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道内蠕动行走机构，由一个电机依次连接若干个运动单元及橡胶波纹管构成，其中运动单元由丝杠、支撑盘、可控螺母、滚动轴承等组成。蠕动行走机构中所有旋转部件包括丝杠与电机输出轴之间、各丝杠之间均通过内十字万向节连接，一起连续旋转；所有非旋转部件包括电机外壳、可控螺母、滑杆、支撑盘、橡胶波纹管、尾部端盖均通过外十字万向节直接或者间接的连接。丝杠转动时，旋合在其上的可控螺母在滑杆上沿轴向产生直线运动。可控螺母由形状记忆合金进行控制，可以实现主动啮合、脱啮合，在电机正反转的配合下，可以直接将单驱动源的电机转动转换为机器人的蠕动。本发明采用了单电机与记忆合金的混合驱动，具有功重比大的特性。

Description

管道内蠕动行走机构

技术领域

本发明涉及一种管道内蠕动行走机构，具体涉及一种单电机配合形状记忆合金进行混合驱动的微型机器人系统，属于机、电技术和仿生学领域。

背景技术

细小管道检查是人们当前迫切需要解决的问题之一。核工业中，管道数量多，直径小，有辐射危险，因此难以人工检查。临床医学上，人体消化道检查，所使用的传统内窥镜创伤性大，医生操作难。近年来，微机电技术的发展为这些领域寻求新的技术解决方案提供了条件，其中微型机器人的研发备受瞩目。

目前，国内外研发成功的微型管道机器人主要包括日本东京工业大学开发出的采用气压驱动柔性微执行器(FMA)的多节蠕动式管道微机器人，意大利比萨大学研制出的真空吸附式尺蠖微机器人，韩国科学技术研究院开发出的形状记忆合金驱动带有刚毛的尺蠖多节蠕动微机器人，日本Tohoku大学研制成的形状记忆合金(SMA)型多节蠕动机器人，日本DENSO公司研制的压电冲击式驱动机构(IDM)型微型管道机器人，我国浙江大学利用微电机及旋向相反的两对螺旋驱动机构研制成了适于人体肠道的微机器人系统，我国上海交通大学也研制出微型多节电磁蠕动机器人内窥镜系统以及我国上海交通大学的压电型管道多节蠕动机器人系统。

就当前研发出的机器人来说，一般都具有三个或者三个以上的运动单元，每个运动单元具有独立的驱动装置，按照一定的序列控制这些驱动器，从而使机器人实现仿蚯蚓或者仿尺蠖运动，实际上，在任一时刻仅有一个驱动器在动作，其它驱动器都处于待命状态。驱动器数目多，不仅增加了机器人的体积，而且降低了系统的可靠性。因此尽量减少驱动器数目，充分利用驱动器的容量是非常必要的。

另外，机器人的驱动器类型虽然比较多，有气动式、液动式、形状记忆合金式、电磁式、压电式、微电机式等，但是现有的机器人驱动往往单纯的选择其中一个。实际上，各种驱动方式均有各自的优缺点。形状记忆合金驱动器功重比高，但耗能大，大行程必然导致较低的驱动频率。电磁驱动机构简单，控制方便，但是发热严重，功重比难于提高。电机驱动力大，控制方便，但是体积难以微型化，功重比低。压电驱动具有体积小、刚度大、位精度高、发热小、易于控制，但是驱动位移太小。如能将不同的驱动方式进行混合，使用一个主驱动器，配合形状记忆合金驱动，必然可以对机器人的性能有很大的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种管道内蠕动行走机构，具有驱动单元少、体积小、功重比高等特点。

为了实现这样的目的，本发明的管道内蠕动行走机构由一个电机依次连接若干个运动单元及橡胶波纹管构成，其中运动单元由丝杠、支撑盘、可控螺母、滚动轴承等组成。所有旋转部件包括丝杠与电机输出轴之间、各丝杠之间均通过内十字万向节连接，一起连续旋转；所有非旋转部件包括电机外壳、可控螺母、滑杆、支撑盘、橡胶波纹管、尾部端盖均通过外十字万向节直接或者间接的连接。丝杠转动时，旋合在其上的可控螺母在滑杆上沿轴向产生直线运动。采用形状记忆合金控制可控螺母，可以实现螺母与丝杠的主动啮合、脱啮合，在电机正反转的配合下，可以直接将单驱动源的电机转动转换为机器人的蠕动。

本发明的具体结构如下：由电机依次连接若干个运动单元构成，由缆线提供能源和信号源，其特征在于电机的旋转输出轴与所有运动单元的丝杠均通过内十字万向节彼此连接在一起，前一节运动单元的右侧支撑盘与后一节运动单元的左侧支撑盘通过外十字万向节相连，第一节运动单元的左侧支撑盘与电机外壳通过外十字万向节连接，最后一节运动单元的右侧支撑盘与尾部端盖固定连接，每个运动单元的可控螺母与橡胶波纹管固定在一起。

运动单元中，丝杠的两端与支撑盘采用滚动轴承连接，可控螺母旋合在丝杠上，两根截面为矩形的滑杆对称安装在丝杠的两侧，并分别穿过可控螺母上开的两个方孔，固定在左右两个支撑盘上，滑杆两端近支撑盘处各开一个凹槽；可控螺母由上螺母和下螺母构成，上螺母和下螺母由绝缘材料电工棒加工，两边对称开有凸台形圆孔，导向柱下段插入下螺母的圆孔中紧配合，导向柱套入弹簧后，其上段插入上螺母的圆孔并可在其中自如滑动；上下螺母上均开有容滑杆穿过的方形孔；上螺母上端设两个接线柱，形状记忆合金丝绕在上螺母和下螺母外圆侧面上的凹槽内，两端分别固定在两个接线柱上。

当丝杠旋转时，可控螺母沿着滑杆移动，直至嵌入滑杆一端的凹槽内，可控螺母与丝杠脱开啮合，丝杠空转。当形状记忆合金丝通电收缩时，上螺母和下螺母互相靠近，使可控螺母与丝杠啮合，同时脱离滑杆的凹槽。此时丝杠的反向转动可使可控螺母滑向滑杆的另一端，碰到另一端的凹槽时，可控螺母进入凹槽同时与丝杠脱离啮合，丝杠空转。如此可通过丝杠的正反转和形状记忆合金丝通断电，实现运动单元的往复运动。

通过控制电机的正反转，以及控制各运动单元的形状记忆合金丝的通断电，可以直接将单驱动源的电机转动转换为行走机构的蠕动，实现行走机构的连续行走或反向行走。

本发明使用了一个单独的电机在形状记忆合金配合下，可以实现多节蠕动及蠕动方向的控制，与现有多电机驱动的蠕动机构相比较，大大减小了蠕动机构的重量、功耗、体积，具有结构紧凑，功重比大，体积小，重量轻的特点，由于以上特点该机构将有望应用于要求对作业环境作用小、无损伤的场合，如胃肠道疾病诊断、生物柔性组织探测等领域。

附图说明

图1为本发明的管道内蠕动行走机构的总体结构示意图。

图1中，1为缆线，2为电机，3为运动单元，4为波纹橡胶管，5为尾部端盖。

图2为运动单元内部结构示意图。

图2中，6为滚动轴承，7为丝杠，8为滑杆，9为可控螺母，10为支撑盘。

图3为可控螺母结构示意图。

图3中，7为丝杠，8为滑杆，11为形状记忆合金丝，12为导向柱，13为下螺母，15为上螺母，16为弹簧，17为接线柱。

图4为蠕动机器人内部的装配示意图。

图4中，2为电机，4为波纹橡胶管，5为尾部端盖，6为滚动轴承，7为丝杠，8为滑杆，9为可控螺母，18为内十字万向节，19为外十字万向节。

图5为蠕动行走机构的运动过程示意图。

图6为控制电压信号。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的总体结构如图1所示。机器人由电机2依次连接三个运动单元3构成，电机2与运动单元3之间，三个运动单元互相之间均使用波纹橡胶管4密封连接，第三个运动单元与尾部端盖5密封固定。

尾部端盖5属于过渡性器件，可以根据工作需要换为器械仓，运载作业器具如摄像头、微钳、施药装置等，整个机器人由缆线1提供能源和信号源。电机2可以采用市场上能够购买到的微型电机直接作为驱动装置，其外部覆膜，用来防止外来液体渗入。橡胶波纹管4使用粘合剂连接在电机2和运动单元之间。

本发明的关键部件运动单元3的结构图如图2所示。该部件主要包括滚动轴承6、丝杠7、滑杆8、可控螺母9、支撑盘10。丝杠7的两端与支撑盘10采用滚动轴承6连接，可控螺母9旋合在丝杠7上。两根截面为矩形的滑杆8对称安装在丝杠7的两侧，并分别穿过可控螺母9上开的两个方孔，固定在左右两个支撑盘10上，滑杆8两端近支撑盘10处各开一个凹槽。

本发明的核心部件可控螺母9的结构如图3所示，由上螺母15和下螺母13构成，上螺母15和下螺母13由绝缘材料电工棒加工，两边对称开有凸台形圆孔，导向柱12下段插入下螺母13的圆孔中紧配合，可再使用粘结剂胶合，导向柱12套入弹簧16后，其上段插入上螺母15的圆孔并可在其中自如滑动。上下螺母上均开有容滑杆8穿过的方形孔。上螺母15上端设两个接线柱17，形状记忆合金丝11绕在上螺母15和下螺母13外圆侧面上的凹槽内，两端分别固定在两个接线柱17上。

本发明中，支撑盘10与滑杆8固定连接，当丝杠7旋转时，可控螺母9沿着两个滑杆8移动，并因滑杆8对上下螺母的夹持作用使弹簧16始终处于被压缩状态，因而使上下螺母有向外分离而使可控螺母9与丝杠7脱离啮合的趋势。当可控螺母9处于滑杆8一端靠近支撑盘10时，嵌入在滑杆8的凹槽内，可控螺母9与丝杠7脱开啮合，丝杠7空转。当形状记忆合金丝11通电收缩时，上螺母15和下螺母13沿着导向柱12互相靠近，可控螺母9与丝杠7啮合，同时会脱离滑杆8的凹槽。此时丝杠7的反向转动可使可控螺母9滑向滑杆8的另一端，碰到另一端的凹槽时，可控螺母9进入凹槽同时与丝杠7脱离啮合，丝杠7空转。如此可通过丝杠7的正反转和形状记忆合金丝11通断电，实现运动单元的往复运动。

本发明的整体内部连接如图4所示。电机2的旋转输出轴与所有运动单元3的丝杠7均通过内十字万向节18彼此连接在一起，这样所有的丝杠7都可以一起旋转。第一节运动单元3的左侧支撑盘10与电机2外壳通过外十字万向节19连接，第一节运动单元的右侧支撑盘10与第2节运动单元的左侧支撑盘10通过外十字万向节19相连，第2节运动单元的右侧支撑盘10与第3节运动单元的左侧支撑盘10通过外十字万向节19相连，第3节运动单元的右侧支撑盘10与尾部端盖5固定连接。每个运动单元的可控螺母9与橡胶波纹管4固定在一起。

本发明中机器人的运动过程及施加的电压信号分别如图5和图6所示。图5中，可控螺母9共有三个分别标为A，B和C。图6中u₁～u₄分别为电机2、螺母A、螺母B和螺母C的电压控制信号。在t₀时刻，机器人处于图5中(1)所示状态，所有螺母均在运动单元3的左侧，处于脱啮合状态。在t₀～t₃中，电机2加正向电压，处于正转。在t₀～t₁中，给螺母A加短脉冲电压，螺母A随即啮合，滑向运动单元3右侧，陷入凹槽后丝杠7空转，结果如图5中(2)所示。在t₁～t₂中，给螺母B加短脉冲电压，螺母B随即啮合，滑向运动单元3右侧，陷入凹槽后丝杠7空转，结果如图5中(3)所示。在t₂～t₃中，给螺母C加短脉冲电压，螺母C随即啮合，滑向运动单元3右侧，陷入凹槽后丝杠7空转，结果如图5中(4)所示。在t₃～t₄中，电机2加反向电压，处于反转，同时给螺母A、螺母B和螺母C施加短脉冲电压，则三者同时啮合，将电机2拉向前，机器人整体向前行走一步。从t₄以后，机器人又回到了t₀的状态，循环此控制信号，机器人能够实现连续行走，若改变上述信号的先后顺序，则机器人能实现反向行走。

本发明中的运动单元还可以由3节扩展为3节以上的结构，其运动控制方式与3节运动单元类似。

Claims (2)

1、一种管道内蠕动行走机构，由电机(2)依次连接若干个运动单元(3)构成，由缆线(1)提供能源和信号源，其特征在于电机(2)的旋转输出轴与相邻运动单元(3)的丝杆(7)之间、各运动单元(3)的丝杠(7)之间均通过内十字万向节(18)连接在一起，前一节运动单元右侧的支撑盘(10)与后一节运动单元左侧的支撑盘(10)通过外十字万向节(19)相连，第一节运动单元(3)的左侧支撑盘(10)与电机(2)外壳通过外十字万向节(19)连接，最后一节运动单元的右侧支撑盘(10)与尾部端盖(5)固定连接，每个运动单元的可控螺母(9)与橡胶波纹管(4)固定在一起；

所述运动单元(3)中，丝杠(7)的两端与支撑盘(10)采用滚动轴承(6)连接，可控螺母(9)旋合在丝杠(7)上，两根截面为矩形的滑杆(8)对称安装在丝杠(7)的两侧，并分别穿过可控螺母(9)上开的两个方孔，固定在左右两个支撑盘(10)上，滑杆(8)两端近支撑盘(10)处各开一个凹槽；

所述可控螺母(9)由上螺母(15)和下螺母(13)构成，上螺母(15)和下螺母(13)由绝缘材料电工棒加工，两边对称开有凸台形圆孔，导向柱(12)下段插入下螺母(13)的圆孔中紧配合，导向柱(12)套入弹簧(16)后，其上段插入上螺母(15)的圆孔并可在其中自如滑动；上下螺母上均开有容滑杆(8)穿过的方孔；上螺母(15)上端设两个接线柱(17)，形状记忆合金丝(11)绕在上螺母(15)和下螺母(13)外圆侧面上的凹槽内，两端分别固定在两个接线柱(17)上。

2、根据权利要求1的管道内蠕动行走机构，其特征在于所述运动单元为3节。

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