CN111839430A - 一种履带式胶囊机器人 - Google Patents

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Abstract

一种履带式胶囊机器人，其特征在于：包括气囊（1）、履带模块外壳（4）和前端盖（2），气囊（1）上设有粘接面（6）和圆缺口（7），前端盖（2）上固连有若干约束管（3）和连接块（5），圆缺口（7）与约束管（3）粘接，连接块（5）与气囊（1）一端固连；履带模块外壳（4）下端与气囊（1）的粘接面（6）粘接相连。本发明具有结构简单，操控方便，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。

Description

一种履带式胶囊机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，尤其是一种肠道检查机器人，具体地说是一种履带式胶囊机器人。
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，安全性差等缺陷，设计一种结构简单，操控方便的履带式胶囊机器人，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：
一种履带式胶囊机器人，其特征在于：包括气囊1、履带模块外壳4和前端盖2，气囊1上设有粘接面6和圆缺口7，前端盖2上固连有若干约束管3和连接块5，圆缺口7与约束管3粘接，连接块5与气囊1一端固连；履带模块外壳4下端与气囊1的粘接面6粘接相连；履带模块外壳4上设有用于通过导线的线缆出口8；履带模块外壳4上有若干根轮轴14，轮轴14与履带模块外壳4上的孔过盈配合；每个轮轴14上安装有两个轮轴承15，轮轴承15过盈安装在从动轮9和主动轮11上；轮轴14与从动轮9和主动轮11无接触，轮轴14穿过从动轮9和主动轮11的中心孔。从动轮9和主动轮11的两侧都固连有同步带轮12，履带10套接在同步带轮12上；主动轮11的中间是蜗轮，蜗轮与蜗杆16配合，蜗杆16的中间孔与蜗杆轴17过盈配合；蜗杆轴17上串有一个蜗杆支撑轴承18，蜗杆支撑轴承18安装在蜗杆支撑支撑座22中，蜗杆支撑支撑座22与履带模块外壳4固连。电机13安装固定在电机座19中，电机座19与履带模块外壳4固连，电机13的输出轴与蜗杆16固连；限位块21与履带模块外壳4固连，以防止电机13轴向串动；履带模块外壳4两侧均固连有轮子防干涉块20以防止从动轮9和主动轮11与履带模块外壳4接触。
所述前端盖2中集成有LED灯、摄像头、惯性传感器及微型控制器，分别用于照明、摄像、测量机器人位姿及处理信息。
所述约束管3数量为三个，它们均布在前端盖2上，所述约束管3为空心结构，并且与前端盖2相通；所述约束管3用于放置气管、水管、活检钳、导线或用于给肠道充气排气、清洗肠道、活检手术、传递能源信号；约束管3须根据其中放置的物品大小，调整约束管的外径和内径，对应的气囊1上的圆缺口7也需适应性调整。
所述约束管3约束气囊1分成若干部分膨胀与收缩，这样可以保证相应数量的履带模块外壳4能沿着气囊1周围较为匀称地排布。
所述的从动轮9中间是圆弧形的，这样既能最大限度保证从动轮9的结构强度，又能保证从动轮9与管道的接触面积，以减小压强。
所述履带10为外表面带有花纹的同步带以增大摩擦。
所述气囊1的材质拉伸率较高以便于膨胀。
所述气囊1由绕轴线分布的若干个三个互不贯通的气腔组成，每个气腔单独供气，每个气腔带动一个履带模块外壳4伸出缩回。
所述从动轮9的个数为2个及以上；主动轮和从动轮与履带模块外壳之间的布置方式是:轮子的支撑端在两侧，即轮子两侧有履带模块外壳，轮子与履带模块两侧的环境是隔开的；或者是:轮子的支撑端在轮子中间，即轮子被分为两个小轮子，履带模块上的轮子两侧的环境是开放的。
二个本发明的履带式胶囊机器人可用一个中间气动执行器的两端连接，两个机器人分别作为前主体和后主体，构成类尺蠖运动的机器人；中间气动执行器为类似被动弯曲的单自由度气动伸长执行器，或是能伸长可弯曲的多自由度气动执行器；这样的机器人配合履带行进，可以在结构复杂的肠道中更好地前进，也能输出更高的牵引力。
本发明的有益效果是：
本发明具有结构简单，操控方便，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。
附图说明
图1是本发明的机器人总体图。
图2是本发明的机器人中间部件细节图，
图3是本发明的机器人履带模块外壳细节图。
图4是本发明的机器人履带模块外壳传动轮细节图。
图5是本发明的机器人履带模块外壳传动部件图。
图6是本发明的机器人履带模块外壳的外壳细节图。
图7是本发明的机器人履气囊收缩状态图。
图8是本发明的机器人组装而成的新型尺蠖运动机器人示意图。
图9是新型尺蠖运动机器人工作原理示意图。
图中：1.气囊，2.前端盖，3.约束管，4.履带模块外壳外壳，5.连接块，6.粘接面，7.圆缺口，8.线缆出口，9.从动轮，10.履带，11.主动轮，12.同步带轮，13.电机，14.轮轴，15.轮轴承，16.蜗杆，17.蜗杆轴，18.蜗杆支撑轴承，19.电机座，20.轮子防干涉块，21.限位块，22.蜗杆支撑支撑座。
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。
一种履带式胶囊机器人，它包括气囊1、前端盖2、履带模块，如图1所示；履带模块中的各部件安装在履带模块外壳4上，气囊1上固连有粘接面6和圆缺口7，前端盖2上固连有三个约束管3和连接块5，圆缺口7与约束管3粘接，连接块5与气囊一端固连，如图2所示。履带模块外壳4下端与粘接面6粘接，气囊1周围粘接有三个履带模块外壳4。履带模块外壳4上有线缆出口8，用于通过导线，如图3。履带模块外壳4上有三根轮轴14，三根轮轴14与履带模块外壳4上的孔过盈配合，如图5，每个轮轴14上串有两个轮轴承15，轮轴承15过盈安装在从动轮9和主动轮11上。轮轴14与从动轮9和主动轮11无接触，轮轴14穿过从动轮9和主动轮11的中心孔。从动轮9和主动轮11的两侧都固连有同步带轮12，履带10套接在三个同步带轮12上，如图4。主动轮11中间是蜗轮，与蜗杆16蜗轮蜗杆配合，蜗杆16的中间孔与蜗杆轴17过盈配合。蜗杆轴17上串有一个蜗杆支撑轴承18，蜗杆支撑轴承18安装在蜗杆支撑支撑座22中，如图6，蜗杆支撑支撑座22与履带模块外壳4固连。电机13安装固定在电机座19中，电机座19与履带模块外壳4固连，电机13的输出轴与蜗杆16固连。限位块21与履带模块外壳4固连，可以防止电机13轴向串动。履带模块外壳4两侧均固连有三个轮子防干涉块20，轮子防干涉块20可以防止从动轮9和主动轮11与履带模块外壳4接触。所述前端盖2中集成有LED灯、摄像头、惯性传感器及微型控制器，分别用于照明、摄像、测量机器人位姿及处理信息。具体实施时，三个约束管3是空心的，并且与前端盖2相通（图2）。三个约束管3中可以放置气管水管、活检钳、导线，用于给肠道充气排气、清洗肠道、活检手术、传递能源信号。且约束管3可以根据其中放置的物品大小，调整约束管的外径和内径，对应的气囊1上的圆缺口7也需适当调整。所述约束管3约束气囊1分成三部分膨胀与收缩，这样可以保证三个履带模块外壳沿着气囊周围较为匀称地排布，如图7所示。所述从动轮9和主动轮11的驱动由蜗轮蜗杆传动提供，这样既能输出较大的输出力，又有结构简单紧凑的优点。从动轮9中间是圆弧形的（如图3），这样既能最大限度保证从动轮9的结构强度，又能保证从动轮9与肠道的接触面积，以减小压强。所述履带10是一种同步带，并且外表面带有花纹，可以增大摩擦。所述气囊1的材质拉伸率较高，即气囊1可以膨胀。气囊1也可以是三自由度的，即气囊1绕轴线分为三个互不贯通的气腔，每个气腔单独供气，每个气腔带动一个履带模块外壳伸出缩回。
本发明的机器人可以作为一个模块，用一个中间气动执行器的两端连接两个相同的模块，两个模块分别作为前主体和后主体，如图8所示，这样就构成类尺蠖运动的机器人。中间气动执行器可以是类似被动弯曲的波纹管这种单自由度气动伸长执行器，也可以是可伸长可弯曲的多自由度气动执行器。这样的机器人配合履带行进，可以在结构复杂的肠道中更好地前进，也能输出更高的牵引力。
详述如下：
各部件安装关系：气囊1上固连有粘接面6和圆缺口7，前端盖2上固连有约束管三个3和连接块5，圆缺口7与约束管3粘接，连接块5与气囊一端固连。履带模块外壳4下端与粘接面6粘接，气囊1周围粘接有三个履带模块外壳4。履带模块外壳4上有线缆出口8，用于通过导线。履带模块外壳4上有三根轮轴14，三根轮轴14与履带模块外壳4上的孔过盈配合。每个轮轴14上串有两个轮轴承15，轮轴承15过盈安装在从动轮9和主动轮11上。轮轴14与从动轮9和主动轮11无接触，轮轴14穿过从动轮9和主动轮11的中心孔。从动轮9和主动轮11的两侧都固连有同步带轮12，履带10套接在三个同步带轮12上。主动轮11中间是蜗轮，与蜗杆16蜗轮蜗杆配合，蜗杆16的中间孔与蜗杆轴17过盈配合。蜗杆轴17上串有一个蜗杆支撑轴承18，蜗杆支撑轴承18安装在蜗杆支撑支撑座22中，蜗杆支撑支撑座22与履带模块外壳4固连。电机13安装固定在电机座19中，电机座19与履带模块外壳4固连，电机13的输出轴与蜗杆16固连。限位块21与履带模块外壳4固连，可以防止电机13轴向串动。履带模块外壳4两侧均固连有三个轮子防干涉块20，轮子防干涉块20可以防止从动轮9和主动轮11与履带模块外壳4接触。
本发明的工作过程是：
结合所有附图对机器人工作原理进行阐述：
往气囊1中充气或抽气，气囊1就会将三个履带模块外壳4同时撑起或收回。抽出气囊1中气体，使得机器人以收缩状态进入肠道或管道。之后往气囊1中充气到合适气压，使得三组履带10压住管壁或肠壁。同时分别控制三个电机13工作，带动蜗杆16转动，从而通过主动轮11上的蜗轮带动主动轮11转动，再通过履带10带动两个从动轮9运动。如果三个电机13速度一样，则机器人整体朝一个方向运动。如果三个电机速度不一样，则机器人边前进边转弯。通过控制三个电机13的速度，可以控制机器人在管道或肠道中前进、后退并拐弯。通过调整气囊1中的气压，使得三组履带10与管壁或肠壁有合适的接触力，这样既能保证安全，不破坏管壁或肠壁，又能保证机器人前进需要的足够的摩擦力。如此机器人便可在管道或肠道中前进拐弯。
此外，还可以由上述机器人作为图8中的前主体和后主体，用中间气动执行器将前主体和后主体连接，中间气动执行器可以是类似被动弯曲的波纹管这种单自由度气动伸长执行器，也可以是可伸长可弯曲的多自由度气动执行器。其工作原理如图9，类似于尺蠖运动：
（0）：先抽出前、后主体和中间气动执行器中的气体，机器人处于收缩状态；
（1）：向后主体中充气，使得后主体膨胀到一定程度；
（2）：向中间执行器中充气，使得中间执行器伸长，从而带动前主体前进；
（3）：向前主体中充气，使得前主体膨胀到一定程度；
（4）：排出后主体中空气，使得后主体处于收缩状态；
（5）：排出中间执行器中空气，使得中间执行器处于收缩状态，这样就将后主体向前拉；
（6）：向后主体中充气，使得后主体膨胀到一定程度;
排出前主体中空气，使得前主体处于收缩状态，这样就回到步骤（1）。如此循环，期间配合履带的运动，机器人可以获得更大的牵引力，能够更好地通过管道或肠道。
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 (10)

1.一种履带式胶囊机器人，其特征在于：包括气囊（1）、履带模块外壳（4）和前端盖（2），气囊（1）上设有粘接面（6）和圆缺口（7），前端盖（2）上固连有若干约束管（3）和连接块（5），圆缺口（7）与约束管（3）粘接，连接块（5）与气囊（1）一端固连；履带模块外壳（4）下端与气囊（1）的粘接面（6）粘接相连；履带模块外壳（4）上设有用于通过导线的线缆出口（8）；履带模块外壳（4）上有若干根轮轴（14），轮轴（14）与履带模块外壳（4）上的孔过盈配合；每个轮轴（14）上安装有两个轮轴承（15），轮轴承（15）过盈安装在从动轮（9）和主动轮（11）上；轮轴（14）与从动轮（9）和主动轮（11）无接触，轮轴（14）穿过从动轮（9）和主动轮（11）的中心孔。从动轮（9）和主动轮（11）的两侧都固连有同步带轮（12），履带（10）套接在同步带轮（12）上；主动轮（11）的中间是蜗轮，蜗轮与蜗杆（16）配合，蜗杆（16）的中间孔与蜗杆轴（17）过盈配合；蜗杆轴（17）上串有一个蜗杆支撑轴承（18），蜗杆支撑轴承（18）安装在蜗杆支撑支撑座（22）中，蜗杆支撑支撑座（22）与履带模块外壳（4）固连。电机（13）安装固定在电机座（19）中，电机座（19）与履带模块外壳（4）固连，电机（13）的输出轴与蜗杆（16）固连；限位块（21）与履带模块外壳（4）固连，以防止电机（13）轴向串动；履带模块外壳（4）两侧均固连有轮子防干涉块（20）以防止从动轮（9）和主动轮（11）与履带模块外壳（4）接触。
2.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：所述前端盖（2）中集成有LED灯、摄像头、惯性传感器及微型控制器，分别用于照明、摄像、测量机器人位姿及处理信息。
3.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：所述约束管（3）数量为三个，它们均布在前端盖（2）上，所述约束管（3）为空心结构，并且与前端盖（2）相通；所述约束管（3）用于放置气管、水管、活检钳、导线或用于给肠道充气排气、清洗肠道、活检手术、传递能源信号；约束管（3）须根据其中放置的物品大小，调整约束管的外径和内径，对应的气囊（1）上的圆缺口（7）也需适应性调整。
4.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：所述约束管（3）约束气囊（1）分成若干部分膨胀与收缩，这样可以保证相应数量的履带模块外壳（4）能沿着气囊（1）周围较为匀称地排布。
5.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：从动轮（9）中间是圆弧形的，这样既能最大限度保证从动轮（9）的结构强度，又能保证从动轮（9）与管道的接触面积，以减小压强。
6.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：所述履带（10）为外表面带有花纹的同步带以增大摩擦。
7.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：所述气囊（1）的材质拉伸率较高以便于膨胀。
8.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：所述气囊（1）由绕轴线分布的若干个三个互不贯通的气腔组成，每个气腔单独供气，每个气腔带动一个履带模块外壳（4）伸出缩回。
9.根据权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于:所述从动轮9的个数为2个及以上；主动轮和从动轮与履带模块外壳之间的布置方式是:轮子的支撑端在两侧，即轮子两侧有履带模块外壳，轮子与履带模块两侧的环境是隔开的；或者是:轮子的支撑端在轮子中间，即轮子被分为两个小轮子，履带模块上的轮子两侧的环境是开放的。
10.一种权利要求1所述的履带式胶囊机器人，其特征在于：所述的二个机器人用一个中间气动执行器的两端连接，两个机器人分别作为前主体和后主体，构成类尺蠖运动的机器人；中间气动执行器为类似被动弯曲的单自由度气动伸长执行器，或是能伸长可弯曲的多自由度气动执行器；这样的机器人配合履带行进，可以在结构复杂的肠道中更好地前进，也能输出更高的牵引力。
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