CN110960178B

CN110960178B - 一种胶囊型机器人

Info

Publication number: CN110960178B
Application number: CN201911210936.6A
Authority: CN
Inventors: 孙志峻; 杨建林; 钱丰; 金家楣
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: CN110960178A

Abstract

一种胶囊机器人，其特征在于：它包括透明灯罩（1）、机器人本体（5）和移动基座（6），透明灯罩（1）与机器人本体（5）的一端固连，中间活塞杆（7）与机器人本体（5）固连，中间活塞杆（7）安装在中间液压缸（16）中，中间液压缸（16）固定在移动基座（6）中；一共有六组由支撑足（2）、扇齿轮（3）、支撑杆（4）、曲柄（8）、滑块（9）、外围活塞（12）和液压缸（15）组成的驱动腿系统。本发明的机器人能够在管径较小且管径波动大、拐弯处较多、姿态在空间内变化的软体或硬质管道内爬行，装置结构简单，易于小型化，动力强劲，能够转弯，且与管道接触时较为柔顺，不会造成管道内壁与自身结构的破坏。

Description

一种胶囊型机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其是一种爬行机器人，具体地说是一种胶囊机器人。

背景技术

近年来，由于工业生产的多样化，各种各样的机器人陆续被研究出来以完成不同的任务。其中，胶囊机器人发展较晚，主要服务于工业用细管道、动物消化道检查等空间狭小、环境复杂的管道。由于结构尺寸的限制，现有的胶囊机器人自由度过少，难以适应复杂的环境。现有的胶囊机器人大多由电机驱动或者磁控，驱动力十分有限，并且磁控的稳定性难以提高。另外，现有的腿式主动胶囊机器人展开半径小，无法探测管径变化较大的管道，如人体结肠。现有的蛇形机器人能够胜任复杂管道探查这方面的工作，但是蛇形机器人控制复杂，制作不易，成本过高，难以实现大规模生产，且容易对软体管道造成损伤。

发明内容

本发明的目的是针对现有的胶囊机器人驱动力小、适应性差、稳定性差等缺陷，设计一种结构简单，操控方便的胶囊机器人，其能够在管径较小且管径波动大、拐弯处较多、姿态在空间内变化的软体或硬质管道内爬行，装置结构简单，易于小型化，动力强劲，能够转弯，且与管道接触时较为柔顺，不会造成管道内壁与自身结构的破坏，尤其适合于结肠疾病筛查，具有巨大的应用前景。

本发明的技术方案是：

一种胶囊机器人，其特征在于：它包括透明灯罩1、机器人本体5和移动基座6，透明灯罩1与机器人本体5的一端固连，中间活塞杆7与机器人本体5固连，中间活塞杆7安装在中间液压缸16中，中间液压缸16固定在移动基座6中；一共有六组由支撑足2、扇齿轮3、支撑杆4、曲柄8、滑块9、外围活塞12和液压缸15组成的驱动腿系统，其中三组驱动腿系统与机器人本体5相连，另外三组驱动腿系统与移动基座6相连；与机器人本体5相连的三组驱动腿系统中，每组的扇齿轮3与机器人本体5铰接，支撑杆4与机器人本体5铰接，与移动基座6相连的三组驱动腿系统中，每组的扇齿轮3与移动基座6铰接，支撑杆4与移动基座6铰接，所有六组驱动腿系统中的扇齿轮3与曲柄8固连，曲柄8与滑块9铰接，每个滑块9与两个支撑杆4移动副配合，支撑足2与支撑杆4固连，机器人本体5和移动基座6的外围都设置有三个液压缸15，外围活塞12限制在液压缸15中移动，与外围活塞12固连的齿条与扇齿轮3齿轮副配合，机器人本体5的中间有一个活检钳通道13，移动基座6的中间有两个中间液压缸16和一个活检钳通道13，所述两个中间液压缸16与两个中间活塞杆7配合，摄像头10与机器人本体5固连，灯珠11与机器人本体5固连，液压缸15和中间液压缸16的一端都有进液口14与其固连，为防止与外围活塞12固连的齿条与机器人本体5干涉，机器人本体5上还设置有防齿条干涉孔17。

所述机器人本体中还有必备的主控模块、CMOS芯片、定位模块、信号处理模块，机器人尾部还与电源线和信号线相连。

所述活检钳通道用于让作业器械、细水或气管通过。

机器人采用液压驱动，可以通过测量流进的液压介质体积测得活塞的行程，再根据驱动腿系统的机械结构几何关系反算出支撑杆的张角，进而测得机器人的展开半径。

机器人采用液压驱动，由于液压回路中的液体压力相等，所以可在管道外设置压力传感器测得机器人中的液压缸中的压力，再根据驱动腿系统的机械力传递关系反算出支撑足的支持力。

所述支撑足与支撑杆之间还可用柔性铰链相连，以提高支撑足与管道内壁的贴合度，减小压强，防止破坏管道内壁；支撑足两端可以做得稍弯或质地较软，这样可以减小支撑足与管道内障碍物的碰触伤害。

所述的机器人有两种工作模式：尺蠖运动模式和斜线运动模式。

在机器人行进过程中，可结合机器人本体上的摄像头的拍摄图像来辅助控制，从而及时地调整位姿即胶囊机器人本体与管道的同轴度。

所述机器人本体5与曲柄8之间设置有复位弹簧以辅助支撑腿收回，或者在其他合适位置设置复位弹簧；之所以设置复位弹簧，是因为活塞可以由液压介质推动前进，但是活塞后退如果只靠机器人周围环境气压推动，将动力不足。

所述与机器人本体5相连的三组驱动腿系统和与移动基座6相连的另外三组驱动腿系统在初始状态下靠的很近。当机器人在软体管道尤其是肠道中时，管道内壁是互相粘连的，机器人前进需要推开周围的管壁组织，克服一定的摩擦力，而这种布置方式的优点在于：当机器人后腿撑住管壁时，后组腿支撑足周围一定范围内管壁组织都在一定程度上撑开，前组腿前伸时几乎很少碰到管壁组织，所以这种布置方式中机器人的前进阻力很小，这既有助于节能，又能防止破坏管壁组织;如果驱动系统出故障（如液压介质泄露），机器人会有复位弹簧将机器人驱动腿收回，然后人为的将机器人抽出，不会出现机器人腿无法收回而卡死在管道中的事故出现。

本发明的有益效果是：

本发明的机器人能够在管径较小且管径波动大、拐弯处较多、姿态在空间内变化的软体或硬质管道内爬行，装置结构简单，易于小型化，动力强劲，能够转弯，且与管道接触时较为柔顺，不会造成管道内壁与自身结构的破坏，尤其适合于结肠疾病筛查，具有巨大的应用前景。它既能作尺蠖运动又能作斜线运动。

附图说明

图1是本发明的机器人胶囊状态总体图。

图2是本发明的机器人展开状态总体图。

图3是本发明的机器人头部细节图。

图4是本发明的机器人内部细节图。

图5是本发明的机器人尾部细节图。

图6是本发明的移动基座细节图。

图7是本发明的机器人本体细节图。

图8是机器人转弯原理图。

图9是机器人的两种运动模式示意图。

图中：1，透明灯罩；2，支撑足；3，扇齿轮；4，支撑杆；5，机器人本体；6，移动基座；7，中间活塞杆；8，曲柄；9，滑块；10，摄像头；11，灯珠；12，外围活塞；13，活检钳通道；14，进液口；15，液压缸；16，中间液压缸；17，防齿条干涉孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-9所示。

一种胶囊机器人，它主要由机器人本体5、移动基座6、驱动腿系统三部分和辅助系统组成，如图1所示，辅助系统包括透明灯罩1、摄像关10、灯珠11等。透明灯罩1与机器人本体5的一端固连，中间活塞杆7与机器人本体5固连，中间活塞杆7安装在中间液压缸16中，中间液压缸16固定在移动基座6中；一共有六组由支撑足2、扇齿轮3、支撑杆4、曲柄8、滑块9、外围活塞12和液压缸15组成的驱动腿系统，如图2所示，其中三组驱动腿系统与机器人本体5相连，另外三组驱动腿系统与移动基座6相连；与机器人本体5相连的三组驱动腿系统中，每组的扇齿轮3与机器人本体5铰接，支撑杆4与机器人本体5铰接，与移动基座6相连的三组驱动腿系统中，每组的扇齿轮3与移动基座6铰接，支撑杆4与移动基座6铰接，所有六组驱动腿系统中的扇齿轮3与曲柄8固连，曲柄8与滑块9铰接，每个滑块9与两个支撑杆4移动副配合，支撑足2与支撑杆4固连，机器人本体5和移动基座6的外围都设置有三个液压缸15，外围活塞12限制在液压缸15中移动（如图4），与外围活塞12固连的齿条与扇齿轮3齿轮副配合，机器人本体5的中间有一个活检钳通道13，活检钳通道13是用于让作业器械、细水或细气管通过而设置的。移动基座6的中间有两个中间液压缸16和一个活检钳通道13（如图6），所述两个中间液压缸16与两个中间活塞杆7配合，摄像头10与机器人本体5固连，灯珠11与机器人本体5固连，如图3。液压缸15和中间液压缸16的一端都有进液口14（如图5））与其固连，为防止与外围活塞12固连的齿条与机器人本体5干涉，机器人本体5上还设置有防齿条干涉孔17，如图8。为了保障胶囊机器人正常工作，还必须配以相应的控制模块，如主控模块、CMOS芯片、定位模块、信号处理模块，机器人尾部还与电源线和信号线相连，这些均可采用现有的电气控制技术加以实现，故不再详述。

与机器人本体5相连的三组驱动腿系统和与移动基座6相连的另外三组驱动腿系统在初始状态下靠的很近。当机器人在软体管道尤其是肠道中时，管道内壁是互相粘连的，机器人前进需要推开周围的管壁组织，克服一定的摩擦力，而这种布置方式的优点在于：当机器人后腿撑住管壁时，后组腿支撑足周围一定范围内管壁组织都在一定程度上撑开，前组腿前伸时几乎很少碰到管壁组织，所以这种布置方式中机器人的前进阻力很小，这既有助于节能，又能防止破坏管壁组织;如果驱动系统出故障（如液压介质泄露），机器人会有复位弹簧将机器人驱动腿收回，然后人为的将机器人抽出，不会出现机器人腿无法收回而卡死在管道中的事故出现。

本发明的胶囊机器人采用液压驱动，因此可以通过测量流进的液压介质体积测得活塞的行程，再根据驱动腿系统的机械结构几何关系反算出支撑杆的张角，进而测得机器人的展开半径。由于液压回路中的液体压力相等，所以可在管道外设置压力传感器测得机器人中的液压缸中的压力，再根据驱动腿系统的机械力传递关系反算出支撑足的支持力。

具体实施时支撑足与支撑杆之间还可采用柔性铰链相连，以提高支撑足与管道内壁的贴合度，减小压强，防止破坏管道内壁；支撑足两端可以做得稍弯或质地较软，这样可以减小支撑足与管道内障碍物的碰触伤害。

本发明的胶囊机器人有两种工作模式：尺蠖运动模式和斜线运动模式，如下详述。在机器人行进过程中，可结合机器人本体上的摄像头的拍摄图像来辅助控制，从而及时地调整位姿即胶囊机器人本体与管道的同轴度。所述机器人本体5与曲柄8之间设置有复位弹簧以辅助支撑腿收回，或者在其他合适位置设置复位弹簧；之所以设置复位弹簧，是因为活塞可以由液压介质推动前进，但是活塞后退如果只靠机器人周围环境气压推动，将动力不足。

详述如下：

部件安装关系：透明灯罩1与机器人本体5固连，中间活塞杆7与机器人本体5固连，一共有六组由支撑足2、扇齿轮3、支撑杆4、曲柄8、滑块9、外围活塞12、液压缸15组成的驱动腿系统，其中三组与机器人本体5相连，另外三组与移动基座6相连，具体安装关系为:与机器人本体5相连的一组中，扇齿轮3与机器人本体5铰接，支撑杆4与机器人本体5铰接，与移动基座6相连的一组中，扇齿轮3与移动基座6铰接，支撑杆4与移动基座6铰接，所有六组中扇齿轮3与曲柄8固连，曲柄8与滑块9铰接，每个滑块9与两个支撑杆4移动副配合，支撑足2与支撑杆4固连，机器人本体5和移动基座6的外围都设置有三个液压缸15，外围活塞12限制在液压缸15中移动，与外围活塞12固连的齿条与扇齿轮3齿轮副配合，机器人本体5的中间有一个活检钳通道13，移动基座6的中间有两个中间液压缸16和一个活检钳通道13，所述两个中间液压缸16与中间活塞杆7配合，摄像头10与机器人本体5固连，灯珠11与机器人本体5固连，液压缸15和中间液压缸16的一端都有进液口14与其固连，为防止与外围活塞12固连的齿条与机器人本体5干涉，机器人本体5上还设置有防齿条干涉孔17。

本发明的工作过程：

结合所有附图对机器人工作原理进行阐述：

机器人在胶囊状态下，支撑足2抵住机器人本体5，支撑杆4处于机器人外围对应的槽里（图1），摄像头10实时拍摄机器人前方的情况，灯珠11照明。移动基座6上的一组驱动腿先工作，液压介质从进液口14进入，推动外围活塞12进而推动外围活塞12上的齿条，齿条再带动扇齿轮3进而带动曲柄8，曲柄8通过滑块9带动支撑杆4张开，当支撑足2接触到管道时，接触力逐渐地增大，机械结构将力传递到液压缸15中的液压介质中，管道外同处液压回路中的力传感器测得压力值，进而根据机械结构几何关系反算出支撑足2与管道的接触力。而机械结构几何关系与液压缸内的活塞行程相关，活塞行程可根据流进的液压介质体积测得，接触力达到设定范围时，对应的液压缸停止作动。这样机器人的运动状态和与外界的接触力状态都能测得，这样就可以实现对机器人的闭环控制。移动基座6上一组驱动腿展开后，中间液压缸16作用，推动机器人本体5向前，与机器人本体5相连的一组驱动腿撑开后，与移动基座6相连的一组驱动腿收回，中间液压缸16作用，将移动基座6向前进方向拉动，与移动基座6相连的驱动腿再撑开，与机器人本体5相连的一组驱动腿收回。如此循环，机器人就可以前进。机器人到达需要作业的位置时，活检钳通道13中可以伸出器械进行相应作业。

图8是机器人转弯原理图，对每个驱动腿分别控制，遇到弯道时，结合摄像头10的实时拍摄图像，控制三条腿的张开角度，实现转弯。

图9所示是结肠机器人的两种运动模式，左边部分是尺蠖运动模式，靠两组支撑腿交替箝位和中间伸缩向前运动，即：

a，后腿撑开，前腿收回，中间液压缸作动使得中间伸长，到图b状态。

b，前腿撑开，到图c状态。

c，后腿收回，到图d状态。

d，液压缸作动使得中间缩短，到图e状态。

e，后腿撑开，到图f状态。

f，前腿收回，回到图a状态。

当机器人运动到管道直径很大的地方时，虽然支撑足能够接触到管壁，但由于管道的变形，支撑力已不能保证，为此我们提出了右边部分的斜线运动模式：

a:支撑足已支撑在管壁上，所有支撑腿继续张开，一方面增大了摩擦力，另一方面六只腿同时发力的力气较大，让机器人本体向前移动，成为图b状态。

b:后组腿不动，前组腿收回，中间液压缸作动使得机器人收缩，之所以让中间液压缸作动使得机器人收缩，是为了让前组腿更好的收回，这样就到了图c状态。

c:中间液压缸作动使得机器人前伸，前组腿张开，到图d状态。

d:前组腿不动，后组腿收回，中间液压缸作动使得机器人伸长，之所以让中间液压缸作动使得机器人伸长，是为了让后组腿更好的收回，这样就到了图e状态。

e:中间液压缸作动使得机器人收缩，到图f状态。

f:后组腿张开，回到图a状态。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种胶囊机器人，其特征在于：它包括透明灯罩（1）、机器人本体（5）和移动基座（6），透明灯罩（1）与机器人本体（5）的一端固连，中间活塞杆（7）与机器人本体（5）固连，中间活塞杆（7）安装在中间液压缸（16）中，中间液压缸（16）固定在移动基座（6）中；一共有六组由支撑足（2）、扇齿轮（3）、支撑杆（4）、曲柄（8）、滑块（9）、外围活塞（12）和液压缸（15）组成的驱动腿系统，其中三组驱动腿系统与机器人本体（5）相连，另外三组驱动腿系统与移动基座（6）相连；与机器人本体（5）相连的三组驱动腿系统中，每组的扇齿轮（3）与机器人本体（5）铰接，支撑杆（4）与机器人本体（5）铰接，与移动基座（6）相连的三组驱动腿系统中，每组的扇齿轮（3）与移动基座（6）铰接，支撑杆（4）与移动基座（6）铰接，所有六组驱动腿系统中的扇齿轮（3）与曲柄（8）固连，曲柄（8）与滑块（9）铰接，每个滑块（9）与两个支撑杆（4）移动副配合，支撑足（2）与支撑杆（4）固连，机器人本体（5）和移动基座（6）的外围都设置有三个液压缸（15），外围活塞（12）限制在液压缸（15）中移动，与外围活塞（12）固连的齿条与扇齿轮（3）齿轮副配合，机器人本体（5）的中间有一个活检钳通道（13），移动基座（6）的中间有两个中间液压缸（16）和一个活检钳通道（13），所述两个中间液压缸（16）与两个中间活塞杆（7）配合，摄像头（10）与机器人本体（5）固连，灯珠（11）与机器人本体（5）固连，液压缸（15）和中间液压缸（16）的一端都有进液口（14）与其固连，为防止与外围活塞（12）固连的齿条与机器人本体（5）干涉，机器人本体（5）上还设置有防齿条干涉孔（17）；所述与机器人本体（5）相连的三组驱动腿系统和与移动基座（6）相连的另外三组驱动腿系统在初始状态下靠的很近；当机器人在软体管道中时，管道内壁是互相粘连的，机器人前进需要推开周围的管壁组织，克服摩擦力；当机器人后腿撑住管壁时，后组腿支撑足周围一定范围内管壁组织都在一定程度上撑开，前组腿前伸时几乎很少碰到管壁组织，所以这种布置方式中机器人的前进阻力很小，这既有助于节能，又能防止破坏管壁组织；如果驱动系统出故障，机器人会有复位弹簧将机器人驱动腿收回，然后人为的将机器人抽出，不会出现机器人腿无法收回而卡死在管道中的事故出现。

2.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人，其特征在于：所述机器人本体中还有必备的主控模块、CMOS芯片、定位模块、信号处理模块，机器人尾部还与电源线和信号线相连。

3.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人，其特征在于：所述活检钳通道用于让作业器械、细水或气管通过。

4.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人，其特征在于：机器人采用液压驱动，通过测量流进的液压介质体积测得活塞的行程，再根据驱动腿系统的机械结构几何关系反算出支撑杆的张角，进而测得机器人的展开半径。

5.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人，其特征在于：机器人采用液压驱动，由于液压回路中的液体压力相等，所以在管道外设置压力传感器测得机器人中的液压缸中的压力，再根据驱动腿系统的机械力传递关系反算出支撑足的支持力。

6.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人，其特征在于：所述支撑足与支撑杆之间用柔性铰链相连，以提高支撑足与管道内壁的贴合度，减小压强，防止破坏管道内壁；支撑足两端做得稍弯或质地较软，这样能减小支撑足与管道内障碍物的碰触伤害。

7.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人，其特征在于：在机器人行进过程中，结合机器人本体上的摄像头的拍摄图像来辅助控制，从而及时地调整位姿即胶囊机器人本体与管道的同轴度。

8.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人，其特征在于：所述机器人本体（5）与曲柄（8）之间设置有复位弹簧以辅助支撑腿收回。