CN1210200C

CN1210200C - 管道微机器人单轮直接驱动方法及其驱动装置

Info

Publication number: CN1210200C
Application number: CN 03113927
Authority: CN
Inventors: 陈扬枝; 陈和恩; 黄平; 张见威
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: CN1438167A

Abstract

本发明是一种管道微机器人单轮直接驱动方法及其驱动装置，微机器人包括微执行器和带有微电机的微驱动器，该方法采用与微电机轴固定连接的单传动轮与传动驱动轮构成一个弹性变形力和摩擦力组合作用的传动副，单传动轮外表面和传动驱动轮内表面固定有弹性短杆结构，由单传动轮通过一个传动驱动轮直接驱动微机器人运动，对所述微电机采用有线操控或无线遥控；该装置由驱动器连接体、单传动轮、传动驱动轮、驱动轮、微电机和从动轮相互连接组成。采用本发明方法驱动的工业或医用微机器人，通过有线或无线控制微电机，实现微机器人的自动操控，提高工作效率。本发明使管道微机器人的微驱动器结构大大简化、尺寸大大减小，成本也大为降低。

Description

管道微机器人单轮直接驱动方法及其驱动装置

(一)技术领域

本发明涉及机械学科微机电系统(微系统)技术领域，具体是指一种管道微机器人单轮直接驱动方法及其驱动装置。

(二)背景技术

微机电系统(Micro Electronic Mechanical System，MEMS)研究是机械科学的前沿领域，它涉及电子工程、机械工程、材料科学、物理学、化学以及生物医学等多学科领域。微机器人是典型的微机电系统，具有十分广阔的应用前景，例如，用于工业管道缺陷或安全自动检测的微型管道机器人，应用于微创外科手术的微内窥镜等医用微型机器人。工业管道微机器人和医用管道微型机器人都是国际MEMS研究中的热点。在管道微机器人研究中，微机器人的驱动方法及驱动装置是其关键技术。

国内、外已经研究的工业或医用管道微机器人的驱动方法包括以下几种：(1)仿“蠕虫”蠕动原理的驱动方法。目前，用于实现“蠕动”驱动的主要驱动元件是SMA(形状记忆合金)，也有采用气动驱动的“蠕动”柔性微驱动器(FMA，Flexible Micro Actuator)，以及基于电磁力的微小型蠕动驱动器。(2)仿“爬虫”爬行原理的驱动方法。应用单矩形板压电振子型超声驱动实现微小型移动机器人平移运动，还有仿生型步进直线驱动器。(3)电磁双足跳跃式驱动方法。(4)模仿鱼类游泳驱动方式的泳动式。(5)螺旋轮移动机构驱动方式。(6)履带式驱动方式。(7)行星轮驱动方式。(8)肠胃自然蠕动驱动方式。这种微机器人由患者吞下，然后随肠胃自然蠕动不断前进，最后从肛门排出。

国内、外已经研制成功一些工业和医用管道微机器人。例如，上述的“胶襄式”肠胃内窥镜微机器人，已经进入临床应用，但是，患者使用“胶襄式”微机器人进行诊断或者治疗，时间很长(持续8小时以上)，而且医者无法对微机器人的运动进行主动控制。采用以上几种驱动方法(除(5)外)的主动控制式医用微机器人，由于驱动装置构造复杂，驱动元件昂贵，可靠性不足，等原因，目前采用这些驱动方法的医用微机器人还无法推广临床使用。“电磁双足跳跃式驱动”、“泳动式驱动”等方法，由于结构复杂等原因，目前还无法研制出医用微机器人。“螺旋运动驱动”方法正在研究过程中，这种微机器人驱动器的长度超过所用微电机长度的两倍。总之，尽管国内、外已经研究了多种微机器人驱动方法及装置，但是，迄今为止仍然没有一种简单、可靠、造价低廉的医用微机器人驱动方法及装置应用于临床。换言之，医用微机器人驱动方法及驱动装置仍然是当前MEMS研究的热点和难点问题。中国02135092.2号专利申请公开了一种医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法，该方法是通过弹性变形力与摩擦力组合作用的传动方式和结构，通过一对锥轮传动副，由驱动轮表面与人体腔体表面作用产生的液体剪切力和驱动轮表面结构的弹性变形力来驱动微机器人运动，但该方法的应用仍旧存在结构尺寸较大的问题。对于工业管道微机器人，采用传统的机械传动方式(如上述的履带式、螺旋轮式、行星轮式等)，其结构尺寸都较大，还称不上“微机器人”。尽管目前国内、外已经研制出直径2cm左右的工业管道机器人，但驱动装置仍是传统的传动方法，结构复杂，尺寸仍嫌大。

(三)发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种管道微机器人单轮直接驱动方法及其驱动装置。该方法大大简化了管道微机器人驱动装置的结构，缩小几何尺寸，提高其操控灵活性和简易性，并且大大降低制造成本，便于工业和医用微机器人的推广应用。

本发明所述一种管道微机器人单轮直接驱动方法，其特征是，所述微机器人包括微执行器和带有微电机的微驱动器，采用与微电机轴固定连接的单传动轮与传动驱动轮构成一个弹性变形力和摩擦力组合作用的传动副，所述单传动轮外表面固定有弹性短杆结构，所述传动驱动轮内表面固定有弹性短杆结构，由单传动轮通过一个传动驱动轮直接驱动微机器人运动，对所述微电机采用有线操控或无线遥控，实现工业或医用管道微机器人的自动操控。这种单轮直接传动的传动力既不是单纯的啮合传动力(齿轮传动、螺杆传动等)，也不是单纯的摩擦传动力(带传动、摩擦轮传动)，而是两者的组合。

本发明所述一种管道微机器人单轮直接驱动装置，其特征是，它由驱动器连接体、单传动轮、传动驱动轮、驱动轮、微电机和从动轮相互连接组成，其相互连接关系为，单传动轮与微电机轴固定连接，传动驱动轮与驱动轮固定连接在驱动轮传动轴上，从动轮固定在从动轮转轴上，微电机固定在驱动器连接体上，驱动轮传动轴和从动轮转轴分别与驱动器连接体两端的轴承孔连接，同时，单传动轮与传动驱动轮构成一个传动副。

在本发明中，微机器人两个驱动轮中的一个，即传动驱动轮，其表面采用带弹性杆材料与结构，与传动轮直接组成一个传动副，驱动微机器人运动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.采用本发明方法驱动的医用微机器人，医者使用时可实现自动操控，提高诊断和医治的效率，缩短诊疗时间。

2.采用本发明方法驱动的工业管道微机器人，操控灵活、方便。

3.基于本发明方法，采用弹性变形力和摩擦力组合作用的单轮直接传动，使得微驱动器结构简化、尺寸大大减小。传统的轮式机器人驱动装置结构复杂、尺寸太大。例如，美国MIT研制的斯奎特Squirt轮式驱动智能机器人，它由一个微电机通过一个16∶1的行星齿轮机构和一个22∶1的蜗杆机构驱动一个后轮，另一个后轮通过一单向离合器传动，前面由一个从动轮支撑。Squirt机器人包括微处理器、传感器、控制电路在内，全部尺寸为1立方英寸。国内研制成功的工业管道检测微机器人外型尺寸为：130×110×92mm(长×宽×高)。而基于本发明方法的微机器人尺寸仅比所用微电机稍大，例如，选用的微电机外径为8mm，微机器人外径约为10mm，所研制的微驱动器总长度约2.5cm。结构简单，总体尺寸小得多，制造成本也大为降低。与SMA等方式实现的“蠕动”驱动方法及其它驱动方法相比，基于本发明方法研制的微驱动器总体结构简单，制造成本低得多，从而可以大大减少工业或医用管道微机器人的总体成本。

(四)附图说明

图1是本发明实施例中管道微机器人单轮直接驱动装置结构示意图；

图2是本发明实施例中传动轮圆柱外表面结构示意图；

图3是本发明实施例中传动驱动轮内表面结构示意图；

图4是本发明实施例中驱动轮和从动轮结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细的说明。

采用本发明方法，可以研制适用于各种尺寸大小的工业管道微机器人和医用人体管道微机器人使用的微驱动器，例如，用于天然气管道、电厂水管道管内壁腐蚀、管内异物(0.2mm以上)检测的工业管道微机器人，带内窥镜系统的胃肠道内窥微机器人、肠胃道定点给药或取样微机器人等。本实施例中以工业管道自动检测微机器人驱动器研制为例。

如图1所示，在工业管道(刚性)1内，微机器人由微内窥镜系统(微执行器)2和微驱动器连接体6两部分用橡胶弹性杆粘结而成。微驱动器由单传动轮5、传动驱动轮3、驱动轮4、微电机7和从动轮8通过微驱动器连接体6相互连接组成，单传动轮5通过胶接与微电机7轴固定连接，传动驱动轮3与驱动轮4通过胶接固定连接在驱动轮传动轴上，两个从动轮8通过胶接固定在从动轮转轴上，微电机7通过胶接固定在驱动器连接体6上，驱动轮传动轴和从动轮转轴分别与驱动器连接体6两端的轴承孔连接，同时，与微电机轴固定连接的单传动轮5与传动驱动轮3构成一个弹性变形力和摩擦力组合作用的传动副。微电机7采用市售的外径为8mm的直流微电机，用普通3伏电池作为动力源。采用透明薄塑料板巻制直径为2cm的模拟管道。

如图2所示，单传动轮5为短圆柱结构，圆柱外表面通过强力胶粘结表面有弹性短杆9的结构，带表面弹性短杆9的结构采用市售的尼龙搭扣带钩短杆一面的结构材料。

如图3所示，传动驱动轮3采用尼龙制作，其内表面通过强力胶粘结有带表面弹性短杆9的结构。

如图4所示，驱动轮4和从动轮8结构与传动驱动轮3基本相同，区别在于其内表面不粘结带表面弹性短杆结构。

本实施例中，微电机的控制采用简单的控制系统，控制系统的电路由电池、开关、电线、微电机组成，直接用开关控制微电机实现正、反转运动。

本实施例所研制的微机器人模型在模拟的管道内进行试验，结果表明，微机器人在管道中可以自如地实现前进、后退运动。其原理就是：单驱动轮5的圆柱外表面和传动驱动轮3的内侧表面，带弹性短杆9的接触面相互作用产生的传动力，产生的传动力包括弹性短杆的弹性变形力和摩擦力，由此驱动微机器人运动。实验表明，这个切向传动力可以大于正压力，或者在几乎没有正压力的情况下也能产生相当大的传动力，这种传动原理和结构是传统的啮合传动(齿轮传动、蜗杆传动、链传动)和摩擦传动(摩擦轮传动、带传动)所无法实现的。如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims

1.一种管道微机器人单轮直接驱动方法，其特征是，所述微机器人包括微执行器和带有微电机的微驱动器，采用与微电机轴固定连接的单传动轮与传动驱动轮构成一个弹性变形力和摩擦力组合作用的传动副，所述单传动轮外表面固定有弹性短杆结构，所述传动驱动轮内表面固定有弹性短杆结构，由单传动轮通过一个传动驱动轮直接驱动微机器人运动，对所述微电机采用有线操控或无线遥控。

2.一种管道微机器人单轮直接驱动装置，其特征是，它由驱动器连接体、单传动轮、传动驱动轮、驱动轮、微电机和从动轮相互连接组成，其相互连接关系为，单传动轮与微电机轴固定连接，传动驱动轮与驱动轮固定连接在驱动轮传动轴上，从动轮固定在从动轮转轴上，微电机固定在驱动器连接体上，驱动轮传动轴和从动轮转轴分别与驱动器连接体两端的轴承孔连接，同时，单传动轮与传动驱动轮构成一个传动副。

3.根据权利要求2所述的一种管道微机器人单轮直接驱动装置，其特征是，所述单传动轮为短圆柱结构，其外表面固定有弹性短杆。

4.根据权利要求2所述的一种管道微机器人单轮直接驱动装置，其特征是，传动驱动轮的内表面固定有弹性短杆。