CN105193507A - 微型游泳机器人的推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微型机器人领域，具体涉及微型游泳机器人的推进装置，包括椭球体形状的头部、连接部分和尾部；头部内安装微型电机、能源装置、微型控制器、传感器；头部和尾部通过连接部分连接；连接部分包括两个圆锥螺旋线，两个圆锥螺旋线的中心线重合交叉组成圆锥双螺旋结构，连接部分的小端连接头部内的微型电机，大端连接尾部；尾部包括两个螺旋线，两个螺旋线的中心线重合交叉组成圆柱双螺旋结构。本发明提供的微型游泳机器人的推进装置，极大的提升了微型机器人的游动速度，结构简洁紧凑，制造难度较低，要求的运行空间较小，系统结构稳定，具有较高的鲁棒性及适应能力。

Description

微型游泳机器人的推进装置

技术领域

本发明涉及微型机器人领域，具体涉及微型游泳机器人的推进装置。

背景技术

泳动微型机器人由于可以在人体组织液或血液中游动而相对较少机会造成对人体组织的损害而成为医疗机器人中一种较好的选择。

最近几年，科学家也根据需求，设计出了具有潜在实用价值的微型泳动机器人方案。但在进入实际应用以前，还有很多关键的技术问题需要解决，如何设计才能让泳动机器人达到较高的游泳速度是需要解决的难题之一。

Gabor等人提出了一种带三片扩展翼的泳动机器人方案。这种机器人的每一片扩展翼上有三个自由度，由此产生一种波形的推进效果。但是主要缺点如下：结构复杂，此技术基于平摆波推进技术，设计了三个扩展翼，大大增加了系统的复杂性，同时系统运行空间要求较高。速度缓慢，平摆波推进技术导致系统运动速度缓慢；同时推进系统相对整个系统过小，无法产生足够的推力以提高速度。鲁棒性低，三个扩展翼任何一个受到损坏，整个系统平衡性受损会导致系统无法运行。

国内学者chen等提出一种并行四螺旋的技术方案。此方案用四个不同电机带动的螺旋结构推进装置，前后各两个以产生推力和拉力来带动系统。中间的主体部分设计成胶囊形状。

该结构的缺点是，推进速度慢，推进速度峰值约为40微米/秒。结构复杂，此系统需要四个电机及微控制器，机械部分和控制逻辑都相当复杂。稳定性较差，此系统运行时会产生无法避免的抖动，严重影响系统的稳定性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种推进速度快、结构简单、稳定性高的微型游泳机器人的推进装置，具体的技术方案为：

微型游泳机器人的推进装置，包括椭球体形状的头部、连接部分和尾部；

头部内安装微型电机、能源装置、微型控制器、传感器；

头部椭球体形状的几何形状由以下方程表示：

$\frac{{(x+a_x)}^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_{yz}^2}+\frac{z^2}{a_{yz}^2}-1;$

其中，a_x与a_yz是椭球体的轴的长度。

头部和尾部通过连接部分连接；连接部分包括两个圆锥螺旋线，两个圆锥螺旋线的中心线重合交叉组成圆锥双螺旋结构，连接部分的小端半径为R_J，连接头部内的微型电机，大端连接尾部；中心线由以下方程表示：

$\begin{array}{cc}(x,y,z)=\left(R_{J}sin\right(s),R_J(1-\cos \left(s\right)),0),& s\∈\[0,\frac{\mathrm{\π}}{2}\]\end{array}.$

尾部包括两个螺旋线，两个螺旋线的中心线重合交叉组成圆柱双螺旋结构；中心线由以下方程表示：

$(x,y,z)=(\mathrm{\α}\frac{s}{\left(2\mathrm{\π}\right)},R_F\sin (s)+R_J,R_F(1-\cos \left(s\right)\left)\right),$

$s\∈\[0,L_F/\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+R_F^2}\];$

其中，R_F为螺旋振幅，α为螺旋波长，L_F为螺旋的曲线总长度。

本发明提供的微型游泳机器人的推进装置，极大的提升了微型机器人的游动速度，根据ANSYSFluent仿真软件的结果，此系统的稳定速度达到约395微米/秒，这个速度快于现有技术的低雷诺系数流体中螺旋推进器最大速度40微米/秒。在相同的扭力作用下，双螺旋结构会有更大的运转效率。该结构简洁紧凑，制造难度较低，要求的运行空间较小，受到冲击的可能性也较小，系统结构稳定，头部内的核心部件受到较好的保护，因此在受到环境变化冲击时具有较高的鲁棒性及适应能力，头部预留了较多空间，有利于扩展更多功能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的头部结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。如图1所示，微型游泳机器人的推进装置，包括椭球体形状的头部1、连接部分2和尾部3；

如图2所示，头部1内安装微型电机14、能源装置11、微型控制器12、传感器13；

头部1椭球体形状的几何形状由以下方程表示：

$\frac{{(x+a_x)}^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_{yz}^2}+\frac{z^2}{a_{yz}^2}=1;$

其中，a_x与a_yz是椭球体的轴的长度；

头部1和尾部3通过连接部分2连接；连接部分2包括两个圆锥螺旋线，两个圆锥螺旋线的中心线重合交叉组成圆锥双螺旋结构，连接部分2的小端半径为R_J，连接头部1内的微型电机14，大端连接尾部3；中心线由以下方程表示：

$\begin{array}{cc}(x,y,z)=\left(R_{J}sin\right(s),R_J(1-\cos \left(s\right)),0),& s\∈\[0,\frac{\mathrm{\π}}{2}\]\end{array};$

尾部3包括两个螺旋线，两个螺旋线的中心线重合交叉组成圆柱双螺旋结构；中心线由以下方程表示：

$(x,y,z)=(\mathrm{\α}\frac{s}{\left(2\mathrm{\π}\right)},R_F\sin (s)+R_J,R_F(1-\cos \left(s\right)\left)\right),$

$s\∈\[0,L_F/\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+R_F^2}\];$

其中，R_F为螺旋振幅，α为螺旋波长，L_F为螺旋的曲线总长度。

本实施例的微型游泳机器人的推进装置，具体参数为：

椭球体形状的头部1，头部长度：X＝2.5μm，头部直径：Y＝Z＝1.25μm；

圆锥双螺旋结构的连接部2，振幅：0---0.625μm，长度：1.8μm，螺旋管半径：0.1μm；

圆柱双螺旋结构的尾部3，螺旋振幅(2R)amplitude：1.3μm，螺旋间距pitch：2.4μm，螺旋长度length：9.6μm；

流体密度ρ：0.998203g/cm³，粘度η：1.0087×10^-3Pa·s，时间步长：2.4×10^-7sec；

电机转速：200rps，头部转速：50rps；

尾部质量：9.5×10^-2pN，头部质量：12×10^-2pN。

Claims (4)

1.微型游泳机器人的推进装置，其特征在于：包括椭球体形状的头部、连接部分和尾部；头部内安装微型电机、能源装置、微型控制器、传感器；头部和尾部通过连接部分连接；连接部分包括两个圆锥螺旋线，两个圆锥螺旋线的中心线重合交叉组成圆锥双螺旋结构，连接部分的小端连接头部内的微型电机，大端连接尾部；尾部包括两个螺旋线，两个螺旋线的中心线重合交叉组成圆柱双螺旋结构。

2.根据权利要求1所述的微型游泳机器人的推进装置，其特征在于：所述的头部椭球体形状的几何形状由以下方程表示：

$\frac{{(x+a_x)}^2}{a_x^2}+\frac{y^2}{a_{yz}^2}+\frac{z^2}{a_{yz}^2}=1;$

其中，a_x与a_yz是椭球体的轴的长度。

3.根据权利要求1所述的微型游泳机器人的推进装置，其特征在于：所述的连接部分的小端半径为R_J，大端连接尾部，中心线由以下方程表示：

(x，y，z)＝(R_Jsin(s)，R_J(1-cos(s))，0)，

4.根据权利要求1所述的微型游泳机器人的推进装置，其特征在于：所述的尾部的两个螺旋的中心线由以下方程表示：

$(x,y,z)=(\mathrm{\α}\frac{s}{\left(2\mathrm{\π}\right)},R_F\sin (s)+R_J,-R_F(1-cos\left(s\right)\left)\right),$

$s\∈\[0,L_F/\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+R_F^2}\],$

其中，R_F为螺旋振幅，α为螺旋波长，L_F为螺旋的曲线总长度。