CN103231747A - 一种柔顺型尺蠖蠕动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔顺型尺蠖蠕动机器人，由头舱、尾舱、牵引舱三大部分组成，包含两个电机、一对支撑架、一对相互配合的柔性传动装置，波纹管、弹簧、牵引绳以及一系列齿轮系传动组成。其中两个电机分别用以控制一对支撑架的伸缩以及牵引绳的缠绕和释放，柔性传动装置用以将一个电机的转矩分别传递给两个支撑架，波纹管保证牵引舱的密封和机器人的柔顺性，弹簧用以保证牵引绳释放缠绕时机器人能恢复原身长，一系列齿轮传动系用以传递转矩。本发明大大提高了蠕动机器人的能动性，具有运动灵活、结构紧凑、体积小、重量轻的特点。

Description

一种柔顺型尺蠖蠕动机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，更具体的说，涉及一种基于柔性传动原理的柔顺型尺蠖蠕动机器人，拥有较少驱动电机和较短体长。属于机、电技术和仿生学领域。

背景技术

传统内窥镜由于创伤性大、操作不便等原因限制了在临床上的使用率，这是导致胃肠道恶性肿瘤发现晚的重要原因之一。具有无创介入特征的无线胶囊内窥镜是一种重要的技术进步，但是由于其不能被操控，不能停留在医生感兴趣的地方，也不能反复观察，所以临床上漏检率高、存在盲区。主动式可操控微型机器人系统体积微小，能够主动进入肠道完成特定任务，具有无创介入、易于操作、主动可控、无盲区的显著特点，有望成为内窥镜更新换代的技术。

在胃肠道的肌性管道内实现有效安全运动是机器人内窥镜的关键，受到蠕虫爬行原理的启发，一般采用蚯蚓或者尺蠖虫的蠕动原理，另外也有一些基于螺旋推动原理的。例如，颜国正等人提出了一种使用压电微驱动器的多关节仿蚯蚓蠕动机器人。Dario等人提出的使用真空吸盘的仿尺蠖气动机器人，这个研究团队还提出了基于支撑腿的可控胶囊式内镜。何斌等人提出的基于螺旋机构的介入人体肠道的微型机器人。就牵引原理来说，蚯蚓原理需要至少三个驱动单元，依靠运动单元和静止单元之间的摩擦力差来保证运动不打滑。由于这种摩擦力差很小，也很容易被环境所影响，所以运动的适应性较差。尺蠖方式也至少需要三个驱动单元，依靠前后两个单元交替固定在运动表面与中间单元的伸缩实现运动。固定在运动表面的方法依次有机械卡咬法、真空法、气囊膨胀支撑法、腿式支撑法等数种。固定法提高了机器人对运动表面的固着力，能够有效避免打滑，但是安全性、微型化、密封性等一直是关注的热点。中间单元的伸缩一般采用丝杆螺母副、气动人工筋等。丝杆螺母副的缺点是丝杆系刚性器件，它可以实现伸缩，但是机构本身是刚性的。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种柔顺型尺蠖蠕动机器人，依靠柔性传动杆传递转矩，使得两个泊位节公用一个电机，在应用中机器人具有高柔顺性、体积小等特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种柔顺型尺蠖蠕动机器人，包括蠕动机器人头舱、尾舱、牵引舱、两个电机、头舱支撑架和尾舱支撑架构成的一对支撑腿、由子传动轴和母传动轴构成的相互配合的柔性传动装置、波纹管、弹簧、牵引绳以及一系列齿轮系传动。

头舱中安装一电机，柔性传动装置的子传动轴的一部分伸入头舱中，与电机的传动轴通过齿轮啮合，另一部分伸入牵引舱中的柔性传动装置的母传动轴中，母传动轴通过牵引舱伸至尾舱中。

牵引舱中安装弹簧，安装在尾舱中的另一个电机的传动轴伸入牵引舱中，电机传动轴上安装有一锥齿轮，与牵引舱中的竖直杆上的锥齿轮啮合，将电机的传动方向改变为垂直传动，竖直杆上下部分各绕制有牵引绳，牵引绳上下部分的另一端固定在头舱上，通过电机的转动控制牵引绳的缠绕和释放缠绕，弹簧相应被压缩和恢复，形成机器人一张一弛步态；

尾舱中安装尾舱传动轴，尾舱传动轴上安装尾舱支撑架，尾舱支撑架的绕向与头舱支撑架绕向相反，以保证二者不是同步收缩和伸展，柔性传动装置的母传动轴与尾舱传动轴之间齿轮啮合，在机器人通过弯曲狭窄的肠道时，母传动轴在弯曲状态下也能够传递电机的转矩，形成尾舱支撑架收缩与伸展。

头舱支撑架和尾舱支撑架由柔性可弯曲材料构成。

头舱包括密封舱和非密封舱，为了加工方便，头舱分为三个部分，包括头舱舱体外端盖，头舱密封舱端盖以及头舱密封舱壁，头舱舱体外端盖和头舱密封舱端盖通过螺钉连接构成非密封舱，头舱密封舱端盖和头舱密封舱壁通过螺钉连接且中间加上一层密封圈构成密封舱。其中密封舱中安装电机，电机传动轴伸出非密封舱中的部分安装有三个柔性的头舱支撑架，通过电机的正转或反转，可以控制头舱支撑架在头舱体外的长度，密封圈保证密封舱和非密封舱的隔离，密封舱中电机传动轴上安装有一个圆柱直齿齿轮，通过安装在柔性传动装置上子传动轴的齿轮啮合传动，使子传动轴传递转矩。

子传动轴一头为了平滑传动，截面为圆柱形，另一头为了传递转矩，伸入母传动轴的一部分截面为非圆形的规则或不规则形状，比如方形。母传动轴一部分在中间牵引舱中，一部分在尾舱中，通过前述传动，并且经过齿轮系的变换，将转矩传递与尾舱中的尾舱支撑架。

尾舱亦分为密封舱和非密封舱，为了加工方便，分为四个部分，分别为尾舱密封舱内端盖，尾舱密封舱壁，尾舱密封舱外端盖，尾舱舱体外端盖。其中尾舱密封舱内端盖，尾舱密封舱壁，尾舱密封舱外端盖通过螺钉连接构成密封舱，且尾舱密封舱壁和尾舱密封舱外端盖之间有密封圈，尾舱密封舱外端盖，尾舱舱体外端盖构成非密封舱，且非密封舱内的部分连接有三个柔性的尾舱支撑架，密封圈保证密封舱和非密封舱的隔离。

中间牵引舱为连接头舱和尾舱的波纹管的内部分，其中固定有弹簧，通过尾舱中的电机，电机传动轴上安装有一个锥齿轮，此锥齿轮与安装在其旁边竖直赶上的锥齿轮啮合，将电机的传动方向改变为垂直传动，竖直杆上下部分分别绕制有牵引绳，两根牵引绳一段固定在头舱，一段固定在竖直杆上，通过尾舱电机的转动可以控制牵引绳的伸长与收缩，从而使得弹簧的压缩与伸长，造成类似蚯蚓的蠕动。

机器人运动时，首先第一步，假设其步态为头舱支撑架在伸长状态，而尾舱支撑架在收缩状态，通过尾舱中电机的旋转，使牵引绳缠绕在竖直杆上，从而压缩弹簧。而伸长状态下的头舱支撑架支撑在肠道壁上，不能移动，从而弹簧的压缩带动尾舱的向前运动；第二阶段开始，头舱支撑架通过头舱中的电机带动而收缩，另一方面，通过齿轮以及柔性传动装置的传动，可以带动尾舱支撑架的伸长，当尾舱支撑架支撑在肠道壁上，头舱支撑架收缩后，尾舱中的电机开始工作，使牵引绳从竖直杆上释放缠绕，弹簧伸长，带动头舱前进；第三阶段，头舱支撑架伸长，尾舱支撑架相应收缩，重复第一阶段工作，从而完成一个完整的前进步态。

本发明使用柔性传动轴和一个电机来控制首尾两个旋转弹性支撑架的交替伸缩，使用另一个电机绕线机构拉伸弹簧实现轴向伸缩，实现了可在胃肠道中蠕动的机器人。其中柔性传动轴减少了电机的数量，旋转弹性支撑架结构简单，易于微型化和密封，电机绕线弹簧伸缩结构柔性无骨架，柔顺性好，解决了普通蠕动机器人需要三个电机控制而造成机器人体积大，且运动不柔顺的问题，大大提高了机器人的能动性，具有运动灵活、结构紧凑、体积小、重量轻的特点。由于以上特点，该机器人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为本发明所提供的肠道蠕动机器人的结构示意图；

图2为图1中支撑架侧面示意图；

图3为图1中柔性传动装置的子传动轴结构示意图；

图4为图1中柔性传动装置的母传动轴结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明机器人主体结构包括头舱1（头舱1包括头舱舱体外端盖21，头舱密封舱端盖22以及头舱密封舱壁23），尾舱2（尾舱2包括尾舱密封舱内端盖24，尾舱密封舱壁19，尾舱密封舱外端盖25，尾舱舱体外端盖26），牵引舱3，电机4，5，头舱支撑架6，尾舱支撑架7，头舱齿轮系8，尾舱齿轮系9，密封圈10、11，柔性传动装置（包括子传动轴12，母传动轴13），弹簧14，锥齿轮系15，牵引绳16，锥齿轮竖直杆17，波纹管18，尾舱密封舱壁19，尾舱转动轴20。其连接关系为：头舱1，牵引舱3，尾舱2为一个整体，其中牵引舱3与头舱1、尾舱2之间用波纹管18密封连接，头舱1分为密封舱和非密封舱两个部分，为了加工以及安装方便，头舱1分为三个部分，包括头舱舱体外端盖21，头舱密封舱端盖22以及头舱密封舱壁23。头舱舱体外端盖21和头舱密封舱端盖22通过螺钉连接构成非密封舱。头舱密封舱端盖22和头舱密封舱壁23通过螺钉连接且中间加上一层密封圈构成密封舱。头舱1密封舱中放置有电机4，电机4传动轴上安装一个圆柱直齿齿轮，与子传动轴12在头舱1中的一部分上的齿轮啮合形成一个头舱齿轮系8，在头舱密封舱壁23中加工一个圆槽用以固定电机4。电机4的传动轴通过一个中心孔延伸至非密封舱，为保证密封，中心孔中加密封圈10。非密封舱中的旋转轴上均匀安装有三个头舱支撑架6，通过电机4的旋转方向改变，可以控制三个头舱支撑架6在头舱1外的伸展度。通过齿轮啮合传动的子传动轴12一部分伸出头舱1密封舱外至牵引舱3中，其一部分插入于柔性传动装置的母传动轴13中，母传动轴13通过牵引舱伸3至尾舱2中。

尾舱2亦分为密封舱和非密封舱两部分，为了加工以及安装方便,尾舱2分为四个部分，分别为尾舱密封舱内端盖24，尾舱密封舱壁19，尾舱密封舱外端盖25，尾舱舱体外端盖26。其中尾舱密封舱内端盖24，尾舱密封舱壁19，尾舱密封舱外端盖25通过螺钉连接构成密封舱，且尾舱密封舱壁19和尾舱密封舱外端盖25之间有密封圈，尾舱密封舱外端盖25，尾舱舱体外端盖26构成非密封舱，其中非密封舱如头舱1非密封舱所述，拥有安装在尾舱传动轴20上的尾舱支撑架7以及中心孔中的密封圈11，尾舱支撑架7的绕向需与头舱支撑架6绕向相反，以保证二者不是同步收缩和伸展。密封舱分为两部分，尾舱密封舱壁19主要目的是为了零部件的固定，左边一部分为电机舱，包含电机5，右边一部分为齿轮传动舱，母传动轴13通过尾舱密封舱内端盖24，尾舱密封舱壁19进入齿轮传动舱，其上安装有一齿轮，与安装在尾舱转动轴20上的齿轮啮合构成尾舱齿轮系9，因为柔性传动轴的特点，在机器人通过弯曲狭窄的肠道时，柔性传动轴在弯曲状态下仍然能传递电机4的转矩，造成尾舱支撑架7收缩与伸展。

牵引舱3外部为一圈波纹管18，通过波纹管18与头舱1、尾舱2的粘结使牵引舱3形成一个密封环境，牵引舱3中有前述的刚性子传动轴12及柔性母传动轴13的各一部分、弹簧14、电机5的传动轴外伸部分。其中电机5传动轴上安装有一锥齿轮，与牵引舱3中的竖直杆17上的锥齿轮啮合传动，构成锥齿轮系15，用以将电机的传动换向，竖直杆17上下部分各绕制有牵引绳16，牵引绳16上下部分的另一端固定在头舱1上，通过电机5的转动控制牵引绳16的缠绕，弹簧14相应被压缩，弹簧14在电机控制牵引绳16释放缠绕时由于弹力恢复原状，由此形成一张一弛步态。

肠道蠕动机器人的支撑架侧面如图2所示，头舱支撑架6与尾舱支撑架7相同，包括在传动轴28上均匀分布的支撑架27，以及头舱1与尾舱2的非密封舱截面29。为了保证支撑架27的伸长和收缩，非密封舱壁上有三个小孔30用以通过支撑架27。小孔30的作用还在于能限制支撑架27的侧向移动，便于支撑架27在传动轴28上的缠绕。

柔性传动装置中子传动轴12示意图如图3所示，母传动轴13示意图如图4所示。子传动轴12分为两个部分，左半部分截面为圆柱形，目的为了平滑转动，右半部分截面为正方形（亦可为其他非圆形不规则截面），母传动轴13亦分为两部分，左半部分内部挖空与子传动轴12配合，右半部分截面为实心圆形。子传动轴12在母传动轴13中的位置可以随着牵引舱3的伸长和收缩相应改变。

头舱1、尾舱2与牵引舱3通过波纹管18连接后，通过头舱1和尾舱2支撑架的伸长和收缩以及牵引舱3的轴向伸缩可以使机器人前进或后退，具体步骤如下：

假设其初始步态为头舱支撑架6在伸长状态，尾舱支撑架7在收缩状态，而牵引舱3的弹簧14在伸长状态。第一步，通过尾舱2中电机5的旋转，通过锥齿轮系15，带动竖直杆17的转动，使牵引绳16缠绕在竖直杆17上，从而压缩弹簧14。而伸长状态下的头舱支撑架6支撑在肠道壁上，不能移动，从而弹簧14的压缩带动尾舱2的向前运动；第二阶段开始，头舱支撑架6通过头舱1中的电机4带动而收缩，另一方面，通过头舱齿轮系8以及柔性传动装置（刚性子传动轴12，柔性母传动轴13）的传动，可以带动尾舱支撑架7的伸长，当尾舱支撑架7支撑在肠道壁上，头舱支撑架6收缩后，电机5开始工作，通过锥齿轮系15，使牵引绳16从竖直杆17上释放缠绕，弹簧14伸长，带动头舱1前进；第三阶段，头舱支撑架6伸长，尾舱支撑架7相应收缩，重复第一阶段工作，从而完成一个完整的前进步态。

以上仅为本发明的具体实施例进行描述。本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，包括形成一整体的头舱（1），尾舱（2）和牵引舱（3），牵引舱（3）与头舱（1）、尾舱（2）之间密封连接；其中：

头舱（1）中安装电机（4），通过电机（4）的旋转方向改变，控制安装在电机（4）传动轴上的头舱支撑架（6）在头舱（1）外的伸展度，柔性传动装置的子传动轴（12）的一部分伸入头舱（1）中，与电机（4）的传动轴通过齿轮啮合，另一部分伸入牵引舱（3）中的柔性传动装置的母传动轴（13）中，母传动轴（13）通过牵引舱（3）伸至尾舱（2）中；

牵引舱（3）中安装弹簧（14），安装在尾舱（2）中的电机（5）的传动轴伸入牵引舱（3）中，电机（5）传动轴上安装有一锥齿轮，与牵引舱中的竖直杆（17）上的锥齿轮啮合，用以将电机（5）的传动方向改变为垂直传动，竖直杆（17）上下部分各绕制有牵引绳（16），牵引绳（16）上下部分的另一端固定在头舱（1）上，通过电机（5）的转动控制牵引绳（16）的缠绕和释放缠绕，弹簧（14）相应被压缩和恢复，形成机器人一张一弛步态；

尾舱（2）中安装尾舱传动轴（20），尾舱传动轴（20）上安装尾舱支撑架（7），尾舱支撑架（7）的绕向与头舱支撑架（6）绕向相反，以保证二者不是同步收缩和伸展，柔性传动装置的母传动轴（13）与尾舱传动轴（20）之间齿轮啮合，在机器人通过弯曲狭窄的肠道时，母传动轴（13）在弯曲状态下也能够传递电机（4）的转矩，形成尾舱支撑架（7）收缩与伸展。

2.根据权利要求1所述的柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，所述头舱（1）和尾舱（2）之间通过牵引舱（3）外部设置的一圈波纹管（18）实现密封连接。

3.根据权利要求1所述的柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，所述头舱（1）和尾舱（2）均分为密封舱和非密封舱两部分。

4.根据权利要求3所述的柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，所述头舱（1）分为三个部分，包括头舱舱体外端盖（21），头舱密封舱端盖（22）以及头舱密封舱壁（23），头舱舱体外端盖（21）和头舱密封舱端盖（22）连接构成非密封舱，头舱密封舱端盖（22）和头舱密封舱壁（23）连接且中间加上一层密封圈构成密封舱；所述电机（4）放置在头舱（1）的密封舱中，电机（4）的传动轴通过一个中心孔延伸至所述非密封舱，为保证密封，中心孔中加密封圈（10），位于非密封舱中的电机（4）的传动轴上均匀安装有三个头舱支撑架（6）。

5.根据权利要求4所述的柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，所述电机（4）固定在头舱密封舱壁（23）中设置的一个圆槽中。

6.根据权利要求3所述的柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，所述尾舱（2）分为四个部分，分别为尾舱密封舱内端盖（24），尾舱密封舱壁（19），尾舱密封舱外端盖（25），尾舱舱体外端盖（26），其中：尾舱密封舱内端盖（24），尾舱密封舱壁（19）与尾舱密封舱外端盖（25）连接构成密封舱，且尾舱密封舱壁（19）和尾舱密封舱外端盖（25）之间有密封圈，尾舱密封舱外端盖（25）与尾舱舱体外端盖（26）构成非密封舱；尾舱传动轴（20）通过一个中心孔延伸至所述非密封舱，为保证密封，中心孔中加密封圈（11）；所述密封舱分为两部分，尾舱密封舱壁（19）左边一部分为电机舱，包含电机（5），右边一部分为齿轮传动舱，母传动轴（13）通过尾舱密封舱内端盖（24），尾舱密封舱壁（19）进入齿轮传动舱。

7.根据权利要求1所述的柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，所述柔性传动装置的子传动轴（12）分为两个部分，左半部分截面为圆柱形，为了平滑转动，右半部分截面为非圆形的规则或不规则截面。

8.根据权利要求7所述的柔顺型尺蠖蠕动机器人，其特征在于，所述柔性传动装置的母传动轴（13）分为两部分，左半部分内部挖空与子传动轴（12）配合，右半部分截面为实心圆形。

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