CN101480794A - 管道内柔性移动微小机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道内柔性移动微小机器人系统。本发明的气动移动机构由前、后支撑单元和橡胶驱动器连接构成；前、后支撑单元都是空心圆柱体，其一端端面内接一带有吊带的圆环，两个带有吊带的圆环分别与橡胶驱动器的两端连接，整个圆柱体外覆盖密闭塑料薄膜气囊，前、后支撑单元各连一根气管，气管与通气回路连通；气压传递系统依次由高压泵、储压罐、球阀、流量调节阀、调压阀与气动移动机构串接；在流量调节阀与气动移动机构之间并联有三条通气管路，在调压阀和气动移动机构之间并联有两条通气管路，每条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀和一个二位三通电磁阀，分别与驱动器的三个气室和前、后支撑单元的薄膜气囊连通。可实现空间三个方向驱动，安全、柔性、精确控制不伤害管道内壁。
Description
技术领域
本发明涉及管道内柔性移动微小机器人系统，属于微小型机器人技术领域。
背景技术
目前，用于管道内移动的机器人大多为腿式、轮式或二者结合式刚性移动机构，机器人的驱动方式主要有电磁式驱动、压电式驱动、气动式驱动、特种功能材料如形状记忆合金、巨磁材料驱动等。刚性移动机构会造成管道内壁损伤，对管道内不同内径或弯曲处移动适应性差，机器人移动难以达到柔性可靠的目的。气动驱动、结构简单、相对运动部件少、具有安全、柔性等特点，因此气动驱动的橡胶驱动器已大量用于制作人工关节、机器人手臂等，但由于空气的可压缩性使人工筋橡胶驱动器难于实现高精度控制。
发明内容
本发明公开了一种由计算机电-气系统控制的管道内柔性移动微小机器人系统，该微小机器人系统的气动移动机构可克服现有的刚性移动机构易造成管道内壁破损，对管道内不同内径或弯曲处移动适应性差等弊端。
本发明管道内柔性移动微小机器人系统的气动移动机构，依据机器人仿生尺蠖移动机理，由前支撑单元、后支撑单元，和中间橡胶驱动器三部分连接构成。前、后支撑两个单元用于机器人移动时钳位支撑，中间橡胶驱动器用于机器人移动时伸缩驱动；微小机器人的控制系统为电-气控制系统。
管道内柔性移动微小机器人系统，包括气动移动机构和气压传递系统；气动移动机构中的橡胶驱动器有三个气室；其特征在于：
A)所述的气动移动机构由前支撑单元、后支撑单元、橡胶驱动器三部分连接构成；前支撑单元、后支撑单元都是空心圆柱体，其一端端面内接一带有吊带的圆环，前支撑单元、后支撑单元端面的两个带有吊带的圆环分别与橡胶驱动器的两端连接，整个圆柱表面外覆盖密闭塑料薄膜气囊，前支撑单元、后支撑单元上各连通一根气管，气管与通气回路连通；
B)所述的气压传递系统依次由高压泵、储压罐、球阀、流量调节阀、调压阀与气动移动机构串接；在流量调节阀与气动移动机构之间并联有三条通气管路，三条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀和一个二位三通电磁阀分别与驱动器的三个气室连通；在调压阀和气动移动机构之间并联有两条通气管路，每条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀和一个二位三通电磁阀分别与前支撑单元和后支撑单元的薄膜气囊连通。
本发明采用的驱动器为气动橡胶驱动器；驱动器外形呈管状，管内分隔成三个120°的扇形气室，驱动器一端封闭，另一端分别连通通气回路，控制各气室空气压力；橡胶层内嵌有均匀的螺旋细纤维线。
前支撑单元、后支撑单元的塑料薄膜气囊充气时内部压力增大、膨胀、压紧管道内壁起到钳位作用，塑料薄膜气囊具有一定的弹性，通过控制内部压力压紧内壁，以适应不同的管道内径实现钳位作用。
橡胶驱动器通气时限制其径向增大，使橡胶驱动器沿轴线方向伸长。当三气室同时加相等的压力时，驱动器沿轴线方向伸长，当只有某一内腔加压时，或压力与另两气室压力不同时，驱动器弯曲，实现转向驱动，通过调整三个气室空气的压力，使该驱动器实现空间三个自由度方向的驱动。因此，可通过该驱动器使机器人实现在气道内的直线运动和弯曲转向，通过前支撑单元，后支撑单元和中间驱动器的伸缩实现仿生尺蠖移动，移动一个步距可细分为如下状态过程：
初始状态：前支撑单元、后支撑单元均钳位，驱动器处于收缩状态，相当于尺蠖处于前脚、后脚靠近，中间身体弓起状态。
(1)前支撑单元放松，相当于尺蠖前脚放松；
(2)橡胶驱动器伸长，相当于尺蠖身体由原来的弓形伸直；
(3)前支撑单元钳位，相当于尺蠖前脚固定；
(4)后支撑单元放松，相当于尺蠖后脚放松；
(5)橡胶驱动器单元收缩，相当于尺蠖身体弓起；
(6)前支撑单元和后支撑单元均钳位，相当于尺蠖前也脚固定。
由(1)到(6)完成一个循环，向前移动一个步距，回到初始状态，所以仿尺蠖运动机器人向前移动一步的移动状态过程为(1)到(6)。而机器人反向移动一步的移动的状态过程为：(6)到(1)。因此，机器人按前移和后退的移动顺序不断循环，将实现前进和后退反向运动。
本发明结构简单、相对运动部件少、由于采用塑料薄膜气囊，充气时内部压力增大、膨胀、压紧管道内壁起到钳位作用，塑料薄膜气囊具有一定的弹性，使得与管道或人体器官接触具有安全、柔性等特点，不伤害管道内壁；采用的驱动器为气动橡胶驱动器，可实现空间三个方向的驱动，使得本发明管道内微小机器人在人体器官管道内行走自如；两者结合再与计算机辅助系统相结合可达到精确控制。
附图说明
图1是本发明整体机构示意图；
图2是前支撑单元、后支撑单元的与驱动器连接的端面图；
图3是驱动器结构示意图；
图4是本发明电-气控制系统框图；
图5是气源压力传递系统示意图。
1.前支撑单元；2.橡胶驱动器；3.后支撑单元；4.圆环；5.吊带；6.气管；7.薄膜气囊；8.空心圆柱体；9.气室；10.螺旋形纤维线；11.高压泵；12.储压罐；13.球阀；14.流量调节阀；15.调压阀；16.二位二通电磁阀；17.二位三通电磁阀；18.气动移动机构。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
管道内柔性移动微小机器人系统，包括气动移动机构和气压传递系统；橡胶驱动器有三个气室；气动移动机构如图1所示：由前支撑单元1、后支撑单元3、中间橡胶驱动器2三部分连接构成；前支撑单元1、后支撑单元3都是空心圆柱体8，其一端端面内接一带有吊带5的圆环4，如图2所示。前支撑单元1、后支撑单元3端面的两个带有吊带的圆环分别与橡胶驱动器2的两端连接，整个空心圆柱体8表面外覆盖密闭塑料薄膜气囊7，前支撑单元、后支撑单元上各连通一根气管6，气管与通气回路连通；电-气控制系统，如图4所示，系统由计算机，数据采集卡、驱动电路、继电器和气压传递系统组成；气压传递系统如图5所示，依次由高压泵11、储压罐12、球阀13、流量调节阀14、调压阀15与气动移动机构18串接；在流量调节阀14与气动移动机构18之间并联有三条通气管路，三条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀16和一个二位三通电磁阀17，分别与橡胶驱动器2的三个气室9连通；在调压阀15和气动移动机构18之间并联有两条通气管路，每条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀16和一个二位三通电磁阀17，分别与前支撑单元1和后支撑单元3的薄膜气囊7连通。
本发明采用的橡胶驱动器外形呈管状，如图3所示。管内分隔成三个120°的扇形气室，驱动器一端封闭，另一端分别连通通气回路，控制各气室空气压力；橡胶层内嵌有均匀的螺旋细纤维线10。
该柔性移动机器人系统的电-气控制系统如图4所示，由计算机，数据采集卡、驱动电路继电器、高速开关电磁阀，高压气源，压力反馈传感器等组成；信息采集与传输也通过数据采集卡实现。计算机发出控制脉冲信号通过USB数据采集卡经功率放大驱动电路后控制继电器动作，继电器动作使电磁阀电路通电，从而达到控制通气管路充气或换向放气及气源压力保持等。高压气源及组件提供合适的气压源，为机器人移动提供稳定气压动力，压力反馈传感器用来检测管路或充气的压力，并将压力信号通过USB数据采集卡传送给计算机。气压传递系统，元器件主要由气泵、压力表，储气罐、流量调节阀，压力调节阀、电磁阀，及通气管路连接组成。有五条通气管路分别通向连接柔性机器人系统的橡胶驱动器的三个气室和前支撑单元、后支撑单元的薄膜气囊；每条通气管路由一个常闭的二位二通电磁阀串接一个二位三通电磁阀连接通向各充气气室或气囊管路，为移动机构提供压力，由继电器控制电磁阀换向，每个电磁阀电路中均串接一个继电器，继电器由计算机经数据采集卡及驱动电路控制。
使用时根据柔性移动微小机器人的移动方向和移动规律，计算机发出相应的控制脉冲信号，通过USB数据采集卡经功率放大驱动电路后，控制继电器动作，继电器动作使电磁阀电路通电，从而达到控制气管内压力，实现充气、放气或气源压力保持，从而使微小机器人实现前行、后退和转向移动。
Claims (1)
1.管道内柔性移动微小机器人系统，包括气动移动机构和气压传递系统；气动移动机构中的橡胶驱动器有三个气室；其特征在于：
A)所述的气动移动机构由前支撑单元、后支撑单元、橡胶驱动器三部分连接构成；前支撑单元、后支撑单元都是空心圆柱体，其一端端面内接一带有吊带的圆环，前支撑单元、后支撑单元端面的两个带有吊带的圆环分别与橡胶驱动器的两端连接，整个圆柱表面外覆盖密闭塑料薄膜气囊，前支撑单元、后支撑单元上各连通一根气管，气管与通气回路连通；
B)所述的气压传递系统，依次由高压泵、储压罐、球阀、流量调节阀、调压阀与气动移动机构串接；在流量调节阀与气动移动机构之间并联有三条通气管路，三条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀和一个二位三通电磁阀分别与驱动器的三个气室连通；在调压阀和气动移动机构之间并联有两条通气管路，每条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀和一个二位三通电磁阀，分别与前支撑单元和后支撑单元的薄膜气囊连通。
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