CN1147383C - 微型多关节电磁蠕动机器人系统 - Google Patents
微型多关节电磁蠕动机器人系统Info
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Abstract
一种微型多关节电磁蠕动机器人系统，属机械工程中的微型机器人领域。由若干个驱动单元件、弹性密封膜、后舱、前舱构成，各节驱动单元件之间、后舱与驱动单元件之间以及前舱与驱动单元件之间通过万向节联接，并用弹性密封膜密封，驱动单元件的线圈架套在永磁磁芯外，在永磁磁芯上轴向运动，外端设万向节，万向节可联接另一级驱动单元件或者后舱，永磁磁芯与导磁体以及永磁磁环固定联接，单元件外层把永磁磁环和导磁体构成的轴向外表面封罩住，导磁体的外侧设另一个万向节，该万向节可联接另一级驱动单元件或者前舱。本发明在微型机器人领域内增添了一种微型、多关节、多自由度、电磁蠕动机器人系统。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人系统，尤其是一种微型多关节电磁蠕动机器人系统。属机械工程中的微型机器人领域。
背景技术
本世纪90年代以来，人们正试图研究能深入微小空间、微小管道等特殊环境的微型机器人，通过机器人的自治移动及各个完成特定任务作业头自治协调的动作，就能及时发现故障，并处理和解决问题；在生物医学领域，科学技术的发展，人类对生命质量提高的追求，“少创或无创”治疗技术已成为发展趋势，为实现这一技术，首先必须解决适于人体环境的机器人。经对现有技术文献的检索，日本Tohoku大学利用微机械制造技术，采用形状记忆合金驱动，研制成适用于人体肠道或血管环境的蛇形机器人，并将进一步研制和开发体内自行式诊疗系统，以实现体内诊断、体内微细手术、体内药物直接投放等功能，但以上系统由于其关键件采用形状记忆合金，而人体环境严重制约了形状记忆合金的传热和散热，因而其驱动频率或动作速度受到很大限制。因此，解决该类机器人的人体适应性问题、人体内有效驱动和控制问题、微型化问题是该类机器人系统走向实用的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种微型多关节电磁蠕动机器人系统。使其除了能胜任弯曲、柔软(比如人体肠道)环境的驱动控制，还为自治进入微小空间、微小管道完成在线和实时探测、维护提供了全新的手段。
本发明的技术方案如下，本发明由若干个驱动单元件、弹性密封膜、后舱、前舱构成，各节驱动单元件之间、后舱与驱动单件之间以及前舱与驱动单元件之间通过万向节联接，并用弹性密封膜密封。驱动单元件由永磁磁芯、导磁体、线圈架、线圈、永磁磁环、单元件外层、万向节构成，线圈架套在永磁磁芯外，线圈架可在永磁磁芯上轴向运动，线圈架上绕制线圈，线圈架外端设万向节，万向节可联接另一级驱动单元件或者后舱，永磁磁芯与导磁体以及永磁磁环固定联接，线圈架可在永磁磁环腔内作轴向运动，单元件外层把永磁磁环和导磁体构成的轴向外表面封罩住，导磁体的外侧设另一个万向节，该万向节可联接另一级驱动单元件或者前舱。由永久磁环、永磁磁芯构成一横穿动圈即工作气隙的永久磁场，当对处于上述永久磁场中的单元件动圈通以控制电流时，动圈将产生电磁力，在该力作用下，动圈将拖动前级驱动单元件外壳或后舱运动一定距离，因此，只要产生适当时序的控制信号，就能使机器人实现蠕动爬行动作，每个控制循环的终了，首尾驱动单元件的动圈还应有极性相反的控制信号作用，以使机器人头部向前推出，为机器人下循环蠕动作准备，总之每完成一个控制循环，机器人向前蠕动一个步距，重复上述的控制过程，就能使机器人在该方向运动任意要求的行程，改变上述控制信号的时序，即能实现机器人沿相反方向的运动，系统最大的特点是：通过系统各驱动单元件一定时序的动作控制，构成了系统各驱动单元件间的运动传递，借助介面的摩擦力实现了机器人系统的总体驱动运动。因此这种结构耗能少、驱动力大、特别适应柔软环境下的驱动控制。
本发明产生了实质性的特点和显著的进步，除了能胜任弯曲、柔软(比如人体肠道)环境的驱动控制，还为自治进入微小空间、微小管道完成在线和实时探测、维护提供了全新的手段。
附图说明
以下结合附图进一步描述
图1本发明结构示意图
图2驱动单元件结构示意图
图3各驱动单元件控制位置示意图
图4各驱动单元件控制信号示意图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明由若干个驱动单元件1、弹性密封膜2、后舱3、前舱4构成，各节驱动单元件1之间、后舱3与驱动单元件1之间以及前舱4与驱动单元件1之间通过万向节5联接，并用弹性密封膜2密封。驱动单元件1由永磁磁芯6、导磁体7、线圈架8、线圈9、永磁磁环10、单元件1外层11、万向节5构成，线圈架8套在永磁磁芯6外，线圈架8可在永磁磁芯6上轴向运动，线圈架8上绕制线圈9，线圈架8外端设万向节5，万向节5可联接另一级驱动单元件1或者后舱3，永磁磁芯6与导磁体7以及永磁磁环10固定联接，线圈架8可在永磁磁环10腔内作轴向运动，单元件外层11把永磁磁环10和导磁体7构成的轴向外表面封罩住，导磁体7的外侧设另一个万向节5，该万向节5可联接另一级驱动单元件1或者前舱4。由永久磁环10、永磁磁芯6构成一横穿线圈架8即工作气隙的永久磁场，当对处于上述永久磁场中的驱动单元件1线圈9通以控制电流时，线圈9将产生电磁力，在该力作用下，线圈架8将拖动前级驱动单元件1外壳或后舱3或推动前舱4运动一定距离，因此，只要产生适当时序的控制信号，就能使机器人实现蠕动爬行动作，每个控制循环的终了，首尾驱动单元件1的线圈9还应有极性相反的控制信号作用，以使机器人头部向前推出，为机器人下循环蠕动作准备，总之每完成一个控制循环，机器人向前蠕动一个步距，重复上述的控制过程，就能使机器人在该方向上运动任意要求的行程，改变上述控制信号的时序，即能实现机器人沿相反方向的运动，系统最大的特点是：通过系统各驱动单元件1一定时序的动作控制，构成了系统各驱动单元件1间的运动传递，借助介面的磨擦力实现了机器人系统的总体驱动运动；因此这种结构耗能少、驱动力大、特别适应柔软环境下的驱动控制。
如图3、图4所示，设微型、多关节、多自由度、电磁蠕动机器人系统的初始状态如图3(1)所示，假设给三个驱动单元件分别编号A、B、C，给各驱动单元件1施加如图4所示控制信号，在t＝0时刻，驱动单元件A变为正信号、驱动单元件B保持为幅值较小的负信号、驱动单元件C为零，在上述控制信号作用下，驱动单元件A收缩，带动后舱向右运动，系统的其余部分保持不动，如图3(2)所示；在t1时刻，驱动单元件A变为幅值较小的负信号、驱动单元件B变为正信号、驱动单元件C为零，在上述控制信号作用下，驱动单元件B收缩，驱动单元件A存在伸张的趋势，从而驱动单元件B很容易带动驱动单元件A的外壳向右移动，系统的其余部分保持不动，如图3(3)所示；在t2时刻，驱动单元件A保持幅值较小的负信号、驱动单件B变为幅值较小的负信号、驱动单元件C变为正信号，在上述控制信号作用下，驱动单元件C收缩，驱动单元件B存在伸张的趋势，从而驱动单元件C很容易带动驱动单元件B的外壳向右移动，系统的其余部分保持不动，如图3(4)所示；在t3时刻，驱动单件A保持为幅值较小的负信号、驱动单元件B保持为幅值较小的负信号、驱动单元件C由正变为负信号，在上述控制信号作用下，驱动单元件C伸张，并带动前舱向右移动，系统的其余部分保持不动，通过此循环的控制，由此可见，机器人系统恢复到初始状态，并向右移动了一个步距。重复上述过程，机器人系统将按设定步距向右移动要求的行程；改变控制时序，机器人系统将沿相反方向运动。
因此，只要对各控制单元件通过一定时序的控制电流，机器人系统即能实现要求的运动。改变控制时序，机器人改变运动方向，在一定范围内改变控制信号频率，即能实现机器人不同的驱动速度。
Claims (2)
1、一种微型多关节电磁蠕动机器人系统，其特征在于由若干个驱动单元件(1)、弹性密封膜(2)后舱(3)、前舱(4)构成，各节驱动单元件(1)之间、后舱(3)与驱动单元件(1)之间以及前舱(4)与驱动单元件(1)之间通过万向节(5)联接，并用弹性密封膜(2)密封，驱动单元件(1)由永磁磁芯(6)、导磁体(7)、线圈架(8)、线圈(9)、永磁磁环(10)、单元件(1)外层(11)、万向节(5)构成，线圈架(8)套在永磁磁芯(6)外，线圈架(8)可在永磁磁芯(6)上轴向运动，线圈架(8)上绕制线圈(9)，线圈架(8)外端设万向节(5)，万向节(5)可联接另一级驱动单元件(1)或者后舱(3)，永磁磁芯(6)与导磁体(7)以及永磁磁环(10)固定联接，线圈架(8)可在永磁磁环(10)腔内作轴向运动，单元件外层(11)把永磁磁环(10)和导磁体(7)构成的轴向外表面封罩住，导磁体(7)的外侧设另一个万向节(5)，该万向节(5)可联接另一级驱动单元件(1)或者前舱(4)。
2、根据权利要求1所述的这种微型多关节电磁蠕动机器人系统，其特征还在于，由永久磁环(10)、永磁磁芯(6)构成一横穿线圈架(8)即工作气隙的永久磁场，当对处于上述永久磁场中的驱动单元件(1)线圈(9)通以控制电流时，线圈(9)将产生电磁力，在该力作用下，线圈架(8)将拖动前级驱动单元件(1)外壳或后舱(3)或推动前舱(4)运动一定距离。
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