CN112643645B - 在不规则软管中运动的三段式软体微机器人及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在不规则软管中运动的三段式软体微机器人及其运动方法。普通微机器人在不规则细软管内的一些指定操作无法实现。本发明包括前闭张段、伸缩段、后闭张段、供气及压力检测装置和控制器；供气及压力检测装置包括螺旋推进器、气缸、连接管道、压力表和引导管。本发明的后闭张段内腔、前闭张段内腔和伸缩段独立按照一定的先后顺序和规律供气，使得前闭张段、伸缩段和后闭张段按照预定的规律发生变形，其中，前闭张段和后闭张段能径向变形，可靠接触于管壁，伸缩段则能轴向变形，从而实现运动前进的功能；通过拉绳式位移传感器测量位移，从而能对本发明在细软管中的具体位置做出定位，快速达到需要进行指定操作的具体位置。

Description

在不规则软管中运动的三段式软体微机器人及其运动方法

技术领域

本发明属于软体微机器人技术领域，特别涉及一种在不规则软管中运动的三段式软体微机器人及其运动方法。

背景技术

不规则细软管由于其具有管壁柔软、管径在一定范围内变化、管内活动空间有限等特点，导致普通微机器人在其内运动受限，从而在不规则细软管内的一些指定操作无法实现。所以，设计一种能在不规则细软管中，实现平稳运动的软体微机器人显得十分重要。

发明内容

本发明针对不规则细软管的形状结构特点，提供了一种能在不规则软管中运动的三段式软体微机器人及其运动方法，利用气动驱动方式，能够附着在管壁上，并且具有运动前进的能力。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明在不规则软管中运动的三段式软体微机器人，包括前闭张段、伸缩段、后闭张段、供气及压力检测装置和控制器。所述的前闭张段设有前闭张段进气口和两个前闭张段气道；前闭张段进气口与两个前闭张段气道一端均连通，两个前闭张段气道另一端均与前闭张段的环形内腔连通；所述的伸缩段包括内波纹管和外波纹管；内波纹管固定在外波纹管内部；内波纹管设有内波纹管进气口和内波纹管出气口，外波纹管设有外波纹管进气口；前闭张段的前闭张段进气口与内波纹管的内波纹管出气口连通；所述的后闭张段设有三个后闭张段进气口以及后闭张段出气口一、后闭张段出气口二和后闭张段出气口三；后闭张段出气口一一端连通外波纹管的外波纹管进气口，另一端连通进气接头一；后闭张段出气口二一端连通内波纹管的内波纹管进气口，另一端连通进气接头二；后闭张段出气口三一端连通后闭张段的环形内腔，另一端连通进气接头三；所述的供气及压力检测装置设有三个，三个供气及压力检测装置分别给后闭张段的进气接头一、进气接头二和进气接头三供气；供气及压力检测装置由控制器控制；供气及压力检测装置的压力表检测的压力信号经数据采集卡传给控制器。

优选地，所述的前闭张段的前闭张段气道直径大于前闭张段进气口直径。

优选地，所述的后闭张段出气口三的进气端直径大于出气端直径。

优选地，拉绳式位移传感器固定在后闭张段处，拉绳式位移传感器的测量头测量伸缩段的位移；拉绳式位移传感器将伸缩段的位移转换成电信号并经数据采集卡传给控制器，控制器计算伸缩段的位移，并在与控制器连接的显示屏上显示伸缩段的位移。

优选地，所述的供气及压力检测装置包括螺旋推进器、气缸、连接管道、压力表和引导管；优选地，螺旋推进器包括螺杆、滑套和机架；所述的螺杆由电机驱动，电机由控制器控制；所述的滑套与螺杆构成螺旋副，并与机架构成滑动副；气缸的活塞与滑套固定，气缸的缸体与机架固定；气缸的通气口经连接管道与三通接头的接口一连通；三通接头的接口二与压力表连通；三通接头的接口三与引导管一端连通。三个供气及压力检测装置的引导管另一端分别与后闭张段的进气接头一、进气接头二和进气接头三连通。

该在不规则软管中运动的三段式软体微机器人的运动方法，具体如下：

步骤一、控制器控制与进气接头三连通的供气及压力检测装置给进气接头三进气，气体经后闭张段出气口三流向后闭张段的环形内腔，使得后闭张段的环形内腔腔壁发生径向变形，压紧软管内壁；

步骤二、后闭张段的环形内腔保持恒压，控制器控制与进气接头一连通的供气及压力检测装置给进气接头一进气，气体经后闭张段出气口一流入伸缩段的外波纹管内，伸缩段由于轴向变形向前推动前闭张段；

步骤三、后闭张段的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，控制器控制与进气接头二连通的供气及压力检测装置给进气接头二进气，气体依次经后闭张段出气口二、内波纹管、内波纹管出气口、前闭张段进气口和两个前闭张段气道流向前闭张段的环形内腔，使得前闭张段的环形内腔腔壁发生径向变形，压紧软管内壁；

步骤四、前闭张段的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，与进气接头三连通的供气及压力检测装置对进气接头三抽气，使得后闭张段的环形内腔泄压恢复原状；

步骤五、后闭张段的环形内腔和前闭张段的环形内腔均保持恒压，与进气接头一连通的供气及压力检测装置对进气接头一抽气，使得伸缩段的外波纹管泄压收缩恢复原状；此时，三段式软体微机器人相对于最开始的位置前进了一个步进距离；

步骤六、重复步骤一，然后，后闭张段的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，与进气接头二连通的供气及压力检测装置对进气接头二抽气，使得前闭张段的环形内腔泄压恢复原状；

步骤七、重复步骤二至步骤六，则前闭张段、伸缩段和后闭张段按步进距离前进。

本发明具有的有益效果：

1、本发明的后闭张段内腔、前闭张段内腔和伸缩段独立按照一定的先后顺序和规律供气，使得前闭张段、伸缩段和后闭张段按照预定的规律发生变形，其中，前闭张段和后闭张段能径向变形，可靠接触于管壁，伸缩段则能轴向变形，从而实现运动前进的功能；而且，本发明体积小，具有柔性，解决了细软管管壁柔软导致的微机器人难以与管壁可靠接触的问题，能够在不规则、活动空间有限的细软管中自由实现前进运动，从而能够在不规则细软管内实现一些指定操作。

2、本发明通过拉绳式位移传感器将位移信号转换成电信号，通过数据采集卡记录下来并传给控制器进行分析计算，最后由显示屏显示出当前的位移值，从而能对本发明在细软管中的具体位置做出定位，快速达到需要进行指定操作的具体位置。

3、本发明结构简单，气动驱动易于实现，安全可靠，操作性强。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中前闭张段、伸缩段和后闭张段的装配示意图；

图3为本发明中前闭张段、伸缩段和后闭张段的装配剖视图；

图4为图2的左视图；

图5为本发明实现前进时对前闭张段、伸缩段和后闭张段的交替供气以及抽气过程示意图；

图中：1-螺旋推进器，2-活塞，3-气缸，4-连接管道，5-压力表，6-引导管，A-后闭张段，B-前闭张段，C-伸缩段，Ⅰ-进气接头一，Ⅱ-进气接头二，Ⅲ-进气接头三，A1-后闭张段出气口一，A2-后闭张段出气口二，A3-后闭张段出气口三，C2-内波纹管出气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

如图2、图3和图4所示，在不规则软管中运动的三段式软体微机器人，包括前闭张段B、伸缩段C、后闭张段A、供气及压力检测装置和控制器。前闭张段B设有前闭张段进气口和两个前闭张段气道；前闭张段进气口与两个前闭张段气道一端均连通，两个前闭张段气道另一端均与前闭张段B的环形内腔连通；为了提高充气效率，前闭张段B的前闭张段气道直径大于前闭张段进气口直径；伸缩段C包括内波纹管和外波纹管；内波纹管固定在外波纹管内部；内波纹管设有内波纹管进气口和内波纹管出气口C2，外波纹管设有外波纹管进气口；前闭张段B的前闭张段进气口与内波纹管的内波纹管出气口C2连通；后闭张段A设有三个后闭张段进气口以及后闭张段出气口一A1、后闭张段出气口二A2和后闭张段出气口三A3；后闭张段出气口一A1一端连通外波纹管的外波纹管进气口，另一端连通进气接头一Ⅰ；后闭张段出气口二A2一端连通内波纹管的内波纹管进气口，另一端连通进气接头二Ⅱ；后闭张段出气口三A3一端连通后闭张段A的环形内腔，另一端连通进气接头三Ⅲ；进气接头三Ⅲ和后闭张段出气口三A3用于向后闭张段A内腔进气，且为了提高充气效率，后闭张段出气口三A3的进气端直径大于出气端直径。供气及压力检测装置设有三个，三个供气及压力检测装置分别给后闭张段A的进气接头一Ⅰ、进气接头二Ⅱ和进气接头三Ⅲ供气；供气及压力检测装置由控制器控制；供气及压力检测装置的压力表5检测的压力信号经数据采集卡传给控制器。

作为一个优选实施例，拉绳式位移传感器固定在后闭张段A处，拉绳式位移传感器的测量头测量伸缩段C的位移；拉绳式位移传感器将伸缩段C的位移转换成电信号并经数据采集卡传给控制器，控制器计算伸缩段C的位移，并在与控制器连接的显示屏上显示伸缩段C的位移。

作为一个优选实施例，如图1所示，供气及压力检测装置包括螺旋推进器1、气缸3、连接管道4、压力表5和引导管6；螺旋推进器1包括螺杆、滑套和机架；螺杆由电机驱动，电机由控制器控制；滑套与螺杆构成螺旋副，并与机架构成滑动副；气缸3的活塞2与滑套固定，气缸3的缸体与机架固定；气缸3的通气口经连接管道4与三通接头的接口一连通；三通接头的接口二与压力表5连通；三通接头的接口三与引导管6一端连通。三个供气及压力检测装置的引导管6另一端分别与后闭张段A的进气接头一Ⅰ、进气接头二Ⅱ和进气接头三Ⅲ连通。工作时，通过螺旋推进器1推动气缸3的活塞2，使气缸3向机器人前闭张段B、伸缩段C或后闭张段A通入气体，使后闭张段A和前闭张段B扩张产生径向变形，伸缩段C产生轴向变形，且通过各供气及压力检测装置的压力表5实时测量，能控制前闭张段B和后闭张段A对软管内壁的压紧力，以及伸缩段C的步进距离。

如图5所示，该在不规则软管中运动的三段式软体微机器人的运动方法，具体如下：

步骤一、控制器控制与进气接头三Ⅲ连通的供气及压力检测装置给进气接头三Ⅲ进气，气体经后闭张段出气口三A3流向后闭张段A的环形内腔，使得后闭张段A的环形内腔腔壁发生径向变形，压紧软管内壁；

步骤二、后闭张段A的环形内腔保持恒压，控制器控制与进气接头一Ⅰ连通的供气及压力检测装置给进气接头一Ⅰ进气，气体经后闭张段出气口一A1流入伸缩段C的外波纹管内，伸缩段C由于轴向变形向前推动前闭张段B；

步骤三、后闭张段A的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，控制器控制与进气接头二Ⅱ连通的供气及压力检测装置给进气接头二Ⅱ进气，气体依次经后闭张段出气口二A2、内波纹管、内波纹管出气口C2、前闭张段进气口和两个前闭张段气道流向前闭张段B的环形内腔，使得前闭张段B的环形内腔腔壁发生径向变形，压紧软管内壁；

步骤四、前闭张段B的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，与进气接头三Ⅲ连通的供气及压力检测装置对进气接头三Ⅲ抽气，使得后闭张段A的环形内腔泄压恢复原状；

步骤五、后闭张段A的环形内腔和前闭张段B的环形内腔均保持恒压，与进气接头一Ⅰ连通的供气及压力检测装置对进气接头一Ⅰ抽气，使得伸缩段C的外波纹管泄压收缩恢复原状；此时，三段式软体微机器人相对于最开始的位置前进了一个步进距离；

步骤六、重复步骤一，然后，后闭张段A的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，与进气接头二Ⅱ连通的供气及压力检测装置对进气接头二Ⅱ抽气，使得前闭张段B的环形内腔泄压恢复原状；

步骤七、重复步骤二至步骤六，则前闭张段B、伸缩段C和后闭张段A将按照指定的规律发生变形，以使整个三段式软体微机器人达到稳定的运动前进状态。其中，后闭张段A和前闭张段B的径向变形，能压紧软管内壁，伸缩段C的轴向变形，能实现按步进距离前进的功能。

Claims (3)

1.在不规则软管中运动的三段式软体微机器人，包括前闭张段、伸缩段、后闭张段、供气及压力检测装置和控制器，其特征在于：所述的前闭张段设有前闭张段进气口和两个前闭张段气道；前闭张段进气口与两个前闭张段气道一端均连通，两个前闭张段气道另一端均与前闭张段的环形内腔连通；所述的伸缩段包括内波纹管和外波纹管；内波纹管固定在外波纹管内部；内波纹管设有内波纹管进气口和内波纹管出气口，外波纹管设有外波纹管进气口；前闭张段的前闭张段进气口与内波纹管的内波纹管出气口连通；所述的后闭张段设有三个后闭张段进气口以及后闭张段出气口一、后闭张段出气口二和后闭张段出气口三；后闭张段出气口一一端连通外波纹管的外波纹管进气口，另一端连通进气接头一；后闭张段出气口二一端连通内波纹管的内波纹管进气口，另一端连通进气接头二；后闭张段出气口三一端连通后闭张段的环形内腔，另一端连通进气接头三；所述的供气及压力检测装置设有三个，三个供气及压力检测装置分别给后闭张段的进气接头一、进气接头二和进气接头三供气；供气及压力检测装置由控制器控制；供气及压力检测装置的压力表检测的压力信号经数据采集卡传给控制器；

所述的前闭张段的前闭张段气道直径大于前闭张段进气口直径；

所述的后闭张段出气口三的进气端直径大于出气端直径；

拉绳式位移传感器固定在后闭张段处，拉绳式位移传感器的测量头测量伸缩段的位移；拉绳式位移传感器将伸缩段的位移转换成电信号并经数据采集卡传给控制器，控制器计算伸缩段的位移，并在与控制器连接的显示屏上显示伸缩段的位移。

2.根据权利要求1所述在不规则软管中运动的三段式软体微机器人，其特征在于：

所述的供气及压力检测装置包括螺旋推进器、气缸、连接管道、压力表和引导管；螺旋推进器包括螺杆、滑套和机架；所述的螺杆由电机驱动，电机由控制器控制；所述的滑套与螺杆构成螺旋副，并与机架构成滑动副；气缸的活塞与滑套固定，气缸的缸体与机架固定；气缸的通气口经连接管道与三通接头的接口一连通；三通接头的接口二与压力表连通；三通接头的接口三与引导管一端连通；三个供气及压力检测装置的引导管另一端分别与后闭张段的进气接头一、进气接头二和进气接头三连通。

3.根据权利要求1至2中任一项所述在不规则软管中运动的三段式软体微机器人的运动方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、控制器控制与进气接头三连通的供气及压力检测装置给进气接头三进气，气体经后闭张段出气口三流向后闭张段的环形内腔，使得后闭张段的环形内腔腔壁发生径向变形，压紧软管内壁；

步骤二、后闭张段的环形内腔保持恒压，控制器控制与进气接头一连通的供气及压力检测装置给进气接头一进气，气体经后闭张段出气口一流入伸缩段的外波纹管内，伸缩段由于轴向变形向前推动前闭张段；

步骤三、后闭张段的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，控制器控制与进气接头二连通的供气及压力检测装置给进气接头二进气，气体依次经后闭张段出气口二、内波纹管、内波纹管出气口、前闭张段进气口和两个前闭张段气道流向前闭张段的环形内腔，使得前闭张段的环形内腔腔壁发生径向变形，压紧软管内壁；

步骤四、前闭张段的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，与进气接头三连通的供气及压力检测装置对进气接头三抽气，使得后闭张段的环形内腔泄压恢复原状；

步骤五、后闭张段的环形内腔和前闭张段的环形内腔均保持恒压，与进气接头一连通的供气及压力检测装置对进气接头一抽气，使得伸缩段的外波纹管泄压收缩恢复原状；此时，三段式软体微机器人相对于最开始的位置前进了一个步进距离；

步骤六、重复步骤一，然后，后闭张段的环形内腔和外波纹管内均保持恒压，与进气接头二连通的供气及压力检测装置对进气接头二抽气，使得前闭张段的环形内腔泄压恢复原状；

步骤七、重复步骤二至步骤六，则前闭张段、伸缩段和后闭张段按步进距离前进。