專利名稱：一種柔順型尺蠖蠕動機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人，更具體的說，涉及一種基于柔性傳動原理的柔順型尺蠖螺動機器人，擁有較少驅動電機和較短體長。屬于機、電技術和仿生學領域。
背景技術：
傳統內窺鏡由于創傷性大、操作不便等原因限制了在臨床上的使用率，這是導致胃腸道惡性腫瘤發現晚的重要原因之一。具有無創介入特征的無線膠囊內窺鏡是一種重要的技術進步，但是由于其不能被操控，不能停留在醫生感興趣的地方，也不能反復觀察，所以臨床上漏檢率高、存在盲區。主動式可操控微型機器人系統體積微小，能夠主動進入腸道完成特定任務，具有無創介入、易于操作、主動可控、無盲區的顯著特點，有望成為內窺鏡更新換代的技術。在胃腸道的肌性管道內實現有效安全運動是機器人內窺鏡的關鍵，受到蠕蟲爬行原理的啟發，一般采用蚯蚓或者尺蠖蟲的蠕動原理，另外也有一些基于螺旋推動原理的。例如，顏國正等人提出了一種使用壓電微驅動器的多關節仿蚯蚓蠕動機器人。Dario等人提出的使用真空吸盤的仿尺蠖氣動機器人，這個研究團隊還提出了基于支撐腿的可控膠囊式內鏡。何斌等人提出的基于螺旋機構的介入人體腸道的微型機器人。就牽引原理來說，蚯蚓原理需要至少三個驅動單元，依靠運動單元和靜止單元之間的摩擦力差來保證運動不打滑。由于這種摩擦力差很小，也很容易被環境所影響，所以運動的適應性較差。尺蠖方式也至少需要三個驅動單元，依靠前 后兩個單元交替固定在運動表面與中間單元的伸縮實現運動。固定在運動表面的方法依次有機械卡咬法、真空法、氣囊膨脹支撐法、腿式支撐法等數種。固定法提高了機器人對運動表面的固著力，能夠有效避免打滑，但是安全性、微型化、密封性等一直是關注的熱點。中間單元的伸縮一般采用絲桿螺母副、氣動人工筋等。絲桿螺母副的缺點是絲桿系剛性器件，它可以實現伸縮，但是機構本身是剛性的。
發明內容
本發明針對上述現有技術的不足，提出了一種柔順型尺蠖蠕動機器人，依靠柔性傳動桿傳遞轉矩，使得兩個泊位節公用一個電機，在應用中機器人具有高柔順性、體積小等特點。為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下:一種柔順型尺蠖蠕動機器人，包括蠕動機器人頭艙、尾艙、牽引艙、兩個電機、頭艙支撐架和尾艙支撐架構成的一對支撐腿、由子傳動軸和母傳動軸構成的相互配合的柔性傳動裝置、波紋管、彈簧、牽引繩以及一系列齒輪系傳動。頭艙中安裝一電機，柔性傳動裝置的子傳動軸的一部分伸入頭艙中，與電機的傳動軸通過齒輪嚙合，另一部分伸入牽引艙中的柔性傳動裝置的母傳動軸中，母傳動軸通過牽引艙伸至尾艙中。牽引艙中安裝彈簧，安裝在尾艙中的另一個電機的傳動軸伸入牽引艙中，電機傳動軸上安裝有一錐齒輪，與牽引艙中的豎直桿上的錐齒輪嚙合，將電機的傳動方向改變為垂直傳動，豎直桿上下部分各繞制有牽引繩，牽引繩上下部分的另一端固定在頭艙上，通過電機的轉動控制牽引繩的纏繞和釋放纏繞，彈簧相應被壓縮和恢復，形成機器人一張一弛步態;尾艙中安裝尾艙傳動軸，尾艙傳動軸上安裝尾艙支撐架，尾艙支撐架的繞向與頭艙支撐架繞向相反，以保證二者不是同步收縮和伸展，柔性傳動裝置的母傳動軸與尾艙傳動軸之間齒輪嚙合，在機器人通過彎曲狹窄的腸道時，母傳動軸在彎曲狀態下也能夠傳遞電機的轉矩，形成尾艙支撐架收縮與伸展。頭艙支撐架和尾艙支撐架由柔性可彎曲材料構成。頭艙包括密封艙和非密封艙，為了加工方便，頭艙分為三個部分，包括頭艙艙體外端蓋，頭艙密封艙端蓋以及頭艙密封艙壁，頭艙艙體外端蓋和頭艙密封艙端蓋通過螺釘連接構成非密封艙，頭艙密封艙端蓋和頭艙密封艙壁通過螺釘連接且中間加上一層密封圈構成密封艙。其中密封艙中安裝電機，電機傳動軸伸出非密封艙中的部分安裝有三個柔性的頭艙支撐架，通過電機的正轉或反轉，可以控制頭艙支撐架在頭艙體外的長度，密封圈保證密封艙和非密封艙的隔離，密封艙中電機傳動軸上安裝有一個圓柱直齒齒輪，通過安裝在柔性傳動裝置上子傳動軸的齒輪嚙合傳動，使子傳動軸傳遞轉矩。子傳動軸一頭為了平滑傳動，截面為圓柱形，另一頭為了傳遞轉矩，伸入母傳動軸的一部分截面為非圓形的規則或不規則形狀，比如方形。母傳動軸一部分在中間牽引艙中，一部分在尾艙中，通過前述傳動，并且經過齒輪系的變換，將轉矩傳遞與尾艙中的尾艙支撐架。尾艙亦分為密封艙和非密封艙，為了加工方便，分為四個部分，分別為尾艙密封艙內端蓋，尾艙密封艙壁，尾艙密封艙外端蓋，尾艙艙體外端蓋。其中尾艙密封艙內端蓋，尾艙密封艙壁，尾艙密封艙外端蓋通過螺釘連接構成密封艙，且尾艙密封艙壁和尾艙密封艙外端蓋之間有密封圈，尾艙密封艙外端 蓋，尾艙艙體外端蓋構成非密封艙，且非密封艙內的部分連接有三個柔性的尾艙支撐架，密封圈保證密封艙和非密封艙的隔離。中間牽引艙為連接頭艙和尾艙的波紋管的內部分，其中固定有彈簧，通過尾艙中的電機，電機傳動軸上安裝有一個錐齒輪，此錐齒輪與安裝在其旁邊豎直趕上的錐齒輪嚙合，將電機的傳動方向改變為垂直傳動，豎直桿上下部分分別繞制有牽引繩，兩根牽引繩一段固定在頭艙，一段固定在豎直桿上，通過尾艙電機的轉動可以控制牽引繩的伸長與收縮，從而使得彈簧的壓縮與伸長，造成類似蚯蚓的蠕動。機器人運動時，首先第一步，假設其步態為頭艙支撐架在伸長狀態，而尾艙支撐架在收縮狀態，通過尾艙中電機的旋轉，使牽引繩纏繞在豎直桿上，從而壓縮彈簧。而伸長狀態下的頭艙支撐架支撐在腸道壁上，不能移動，從而彈簧的壓縮帶動尾艙的向前運動；第二階段開始，頭艙支撐架通過頭艙中的電機帶動而收縮，另一方面，通過齒輪以及柔性傳動裝置的傳動，可以帶動尾艙支撐架的伸長，當尾艙支撐架支撐在腸道壁上，頭艙支撐架收縮后，尾艙中的電機開始工作，使牽引繩從豎直桿上釋放纏繞，彈簧伸長，帶動頭艙前進；第三階段，頭艙支撐架伸長，尾艙支撐架相應收縮，重復第一階段工作，從而完成一個完整的前進步態。本發明使用柔性傳動軸和一個電機來控制首尾兩個旋轉彈性支撐架的交替伸縮，使用另一個電機繞線機構拉伸彈簧實現軸向伸縮，實現了可在胃腸道中蠕動的機器人。其中柔性傳動軸減少了電機的數量，旋轉彈性支撐架結構簡單，易于微型化和密封，電機繞線彈簧伸縮結構柔性無骨架，柔順性好，解決了普通蠕動機器人需要三個電機控制而造成機器人體積大，且運動不柔順的問題，大大提高了機器人的能動性，具有運動靈活、結構緊湊、體積小、重量輕的特點。由于以上特點，該機器人將有望應用于要求對作業環境作用小、無損傷的場合，如胃腸道疾病診斷、生物柔性組織探測等領域。
圖1為本發明所提供的腸道蠕動機器人的結構示意圖；圖2為圖1中支撐架側面示意圖；圖3為圖1中柔性傳動裝置的子傳動軸結構示意圖；圖4為圖1中柔性傳動裝置的母傳動軸結構示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。如圖1所不，本發明機器人王體結構包括頭艙I (頭艙I包括頭艙艙體外纟而蓋21，頭艙密封艙端蓋22以及頭艙密封艙壁23)，尾艙2 (尾艙2包括尾艙密封艙內端蓋24，尾艙密封艙壁19，尾艙密封艙外端蓋25，尾艙艙體外端蓋26)，牽引艙3，電機4，5，頭艙支撐架6，尾艙支撐架7，頭艙齒輪系8，尾艙齒輪系9，密封圈10、11，柔性傳動裝置(包括子傳動軸12，母傳動軸13)，彈簧14，錐齒輪系15，牽引繩16，錐齒輪豎直桿17，波紋管18，尾艙密封艙壁19，尾艙轉動軸20。其連接關系為:頭`艙I，牽引艙3，尾艙2為一個整體，其中牽引艙3與頭艙1、尾艙2之間用波紋管18密封連接，頭艙I分為密封艙和非密封艙兩個部分，為了加工以及安裝方便，頭艙I分為三個部分，包括頭艙艙體外端蓋21，頭艙密封艙端蓋22以及頭艙密封艙壁23。頭艙艙體外端蓋21和頭艙密封艙端蓋22通過螺釘連接構成非密封艙。頭艙密封艙端蓋22和頭艙密封艙壁23通過螺釘連接且中間加上一層密封圈構成密封艙。頭艙I密封艙中放置有電機4，電機4傳動軸上安裝一個圓柱直齒齒輪，與子傳動軸12在頭艙I中的一部分上的齒輪嚙合形成一個頭艙齒輪系8，在頭艙密封艙壁23中加工一個圓槽用以固定電機4。電機4的傳動軸通過一個中心孔延伸至非密封艙，為保證密封，中心孔中加密封圈10。非密封艙中的旋轉軸上均勻安裝有三個頭艙支撐架6，通過電機4的旋轉方向改變，可以控制三個頭艙支撐架6在頭艙I外的伸展度。通過齒輪哨合傳動的子傳動軸12 —部分伸出頭艙I密封艙外至牽引艙3中，其一部分插入于柔性傳動裝置的母傳動軸13中，母傳動軸13通過牽引艙伸3至尾艙2中。尾艙2亦分為密封艙和非密封艙兩部分，為了加工以及安裝方便，尾艙2分為四個部分，分別為尾艙密封艙內端蓋24，尾艙密封艙壁19，尾艙密封艙外端蓋25，尾艙艙體外端蓋26。其中尾艙密封艙內端蓋24，尾艙密封艙壁19，尾艙密封艙外端蓋25通過螺釘連接構成密封艙，且尾艙密封艙壁19和尾艙密封艙外端蓋25之間有密封圈，尾艙密封艙外端蓋25，尾艙艙體外端蓋26構成非密封艙，其中非密封艙如頭艙I非密封艙所述，擁有安裝在尾艙傳動軸20上的尾艙支撐架7以及中心孔中的密封圈11，尾艙支撐架7的繞向需與頭艙支撐架6繞向相反，以保證二者不是同步收縮和伸展。密封艙分為兩部分，尾艙密封艙壁19主要目的是為了零部件的固定，左邊一部分為電機艙，包含電機5,右邊一部分為齒輪傳動艙，母傳動軸13通過尾艙密封艙內端蓋24，尾艙密封艙壁19進入齒輪傳動艙，其上安裝有一齒輪，與安裝在尾艙轉動軸20上的齒輪嚙合構成尾艙齒輪系9，因為柔性傳動軸的特點，在機器人通過彎曲狹窄的腸道時，柔性傳動軸在彎曲狀態下仍然能傳遞電機4的轉矩，造成尾艙支撐架7收縮與伸展。牽引艙3外部為一圈波紋管18，通過波紋管18與頭艙1、尾艙2的粘結使牽引艙3形成一個密封環境，牽引艙3中有前述的剛性子傳動軸12及柔性母傳動軸13的各一部分、彈簧14、電機5的傳動軸外伸部分。其中電機5傳動軸上安裝有一錐齒輪，與牽引艙3中的豎直桿17上的錐齒輪哨合傳動,構成錐齒輪系15,用以將電機的傳動換向，豎直桿17上下部分各繞制有牽引繩16，牽引繩16上下部分的另一端固定在頭艙I上，通過電機5的轉動控制牽引繩16的纏繞，彈簧14相應被壓縮，彈簧14在電機控制牽引繩16釋放纏繞時由于彈力恢復原狀，由此形成一張一弛步態。腸道蠕動機器人的支撐架側面如圖2所示，頭艙支撐架6與尾艙支撐架7相同，包括在傳動軸28上均勻分布的支撐架27，以及頭艙I與尾艙2的非密封艙截面29。為了保證支撐架27的伸長和收縮，非密封艙壁上有三個小孔30用以通過支撐架27。小孔30的作用還在于能限制支撐架27的側向移動，便于支撐架27在傳動軸28上的纏繞。柔性傳動裝置中子傳動軸12示意圖如圖3所示,母傳動軸13示意圖如圖4所示。子傳動軸12分為兩個部分，左半部分截面為圓柱形，目的為了平滑轉動，右半部分截面為正方形(亦可為其他非圓形不規則截面)，母傳動軸13亦分為兩部分，左半部分內部挖空與子傳動軸12配合，右半部分截面為實心圓形。子傳動軸12在母傳動軸13中的位置可以隨著牽引艙3的伸長和收縮相應改變。頭艙1、尾艙2與·牽引艙3通過波紋管18連接后，通過頭艙I和尾艙2支撐架的伸長和收縮以及牽引艙3的軸向伸縮可以使機器人前進或后退，具體步驟如下:假設其初始步態為頭艙支撐架6在伸長狀態，尾艙支撐架7在收縮狀態，而牽引艙3的彈簧14在伸長狀態。第一步，通過尾艙2中電機5的旋轉，通過錐齒輪系15，帶動豎直桿17的轉動，使牽引繩16纏繞在豎直桿17上，從而壓縮彈簧14。而伸長狀態下的頭艙支撐架6支撐在腸道壁上，不能移動，從而彈簧14的壓縮帶動尾艙2的向前運動；第二階段開始，頭艙支撐架6通過頭艙I中的電機4帶動而收縮，另一方面，通過頭艙齒輪系8以及柔性傳動裝置(剛性子傳動軸12，柔性母傳動軸13)的傳動，可以帶動尾艙支撐架7的伸長，當尾艙支撐架7支撐在腸道壁上，頭艙支撐架6收縮后，電機5開始工作，通過錐齒輪系15，使牽引繩16從豎直桿17上釋放纏繞，彈簧14伸長，帶動頭艙I前進；第三階段，頭艙支撐架6伸長，尾艙支撐架7相應收縮，重復第一階段工作，從而完成一個完整的前進步態。以上僅為本發明的具體實施例進行描述。本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，包括形成一整體的頭艙(1)，尾艙(2)和牽引艙(3)，牽引艙(3)與頭艙(1)、尾艙(2)之間密封連接；其中: 頭艙(I)中安裝電機(4 )，通過電機(4 )的旋轉方向改變，控制安裝在電機(4 )傳動軸上的頭艙支撐架(6)在頭艙(1)外的伸展度，柔性傳動裝置的子傳動軸(12)的一部分伸入頭艙(I)中，與電機(4)的傳動軸通過齒輪嚙合，另一部分伸入牽引艙(3)中的柔性傳動裝置的母傳動軸(13 )中，母傳動軸(13 )通過牽弓丨艙(3 )伸至尾艙(2 )中； 牽引艙(3)中安裝彈簧(14)，安裝在尾艙(2)中的電機(5)的傳動軸伸入牽引艙(3)中，電機(5)傳動軸上安裝有一錐齒輪，與牽引艙中的豎直桿(17)上的錐齒輪嚙合，用以將電機(5)的傳動方向改變為垂直傳動，豎直桿(17)上下部分各繞制有牽引繩(16)，牽引繩(16)上下部分的另一端固定在頭艙(1)上，通過電機(5)的轉動控制牽引繩(16)的纏繞和釋放纏繞，彈簧(14)相應被壓縮和恢復，形成機器人一張一弛步態； 尾艙(2 )中安裝尾艙傳動軸(20 )，尾艙傳動軸(20 )上安裝尾艙支撐架(7 )，尾艙支撐架(7)的繞向與頭艙支撐架(6)繞向相反，以保證二者不是同步收縮和伸展，柔性傳動裝置的母傳動軸(13)與尾艙傳動軸(20)之間齒輪嚙合，在機器人通過彎曲狹窄的腸道時，母傳動軸(13)在彎曲狀態下也能夠傳遞電機(4)的轉矩，形成尾艙支撐架(7)收縮與伸展。
2.根據權利要求1所述的柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，所述頭艙(I)和尾艙(2)之間通過牽引艙(3)外部設置的一圈波紋管(18)實現密封連接。
3.根據權利要求1所述的柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，所述頭艙(I)和尾艙(2)均分為密封艙和非密封艙兩部分。
4.根據權利要求3所述的柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，所述頭艙(I)分為三個部分，包括頭艙艙體外端蓋(21)，頭艙密封艙端蓋(22)以及頭艙密封艙壁(23)，頭艙艙體外端蓋(21)和頭艙密封艙端蓋(22)連接構成非密封艙，頭艙密封艙端蓋(22)和頭艙密封艙壁(23)連接且中間加上一層密封圈構成密封艙；所述電機(4)放置在頭艙(I)的密封艙中，電機(4)的傳動軸通過一個中心孔延伸至所述非密封艙，為保證密封，中心孔中加密封圈(10)，位于非密封艙中的電機(4)的傳動軸上均勻安裝有三個頭艙支撐架(6)。
5.根據權利要求4所述的柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，所述電機(4)固定在頭艙密封艙壁(23)中設置的一個圓槽中。
6.根據權利要求3所述的柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，所述尾艙(2)分為四個部分，分別為尾艙密封艙內端蓋(24)，尾艙密封艙壁(19)，尾艙密封艙外端蓋(25)，尾艙艙體外端蓋(26)，其中:尾艙密封艙內端蓋(24)，尾艙密封艙壁(19)與尾艙密封艙外端蓋(25)連接構成密封艙，且尾艙密封艙壁(19)和尾艙密封艙外端蓋(25)之間有密封圈，尾艙密封艙外端蓋(25)與尾艙艙體外端蓋(26)構成非密封艙；尾艙傳動軸(20)通過一個中心孔延伸至所述非密封艙，為保證密封，中心孔中加密封圈(11);所述密封艙分為兩部分，尾艙密封艙壁(19)左邊一部分為電機艙，包含電機(5),右邊一部分為齒輪傳動艙,母傳動軸(13)通過尾艙密封艙內端蓋(24)，尾艙密封艙壁(19)進入齒輪傳動艙。
7.根據權利要求1所述的柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，所述柔性傳動裝置的子傳動軸(12)分為兩個部分，左半部分截面為圓柱形，為了平滑轉動，右半部分截面為非圓形的規則或不規則截面。
8.根據權利要求7所述的柔順型尺蠖蠕動機器人，其特征在于，所述柔性傳動裝置的母傳動軸(13)分為兩部分，左半部分內部挖空與子傳動軸(12)配合，右半部分截面為實心圓形 。
全文摘要
本發明涉及一種柔順型尺蠖蠕動機器人，由頭艙、尾艙、牽引艙三大部分組成，包含兩個電機、一對支撐架、一對相互配合的柔性傳動裝置，波紋管、彈簧、牽引繩以及一系列齒輪系傳動組成。其中兩個電機分別用以控制一對支撐架的伸縮以及牽引繩的纏繞和釋放，柔性傳動裝置用以將一個電機的轉矩分別傳遞給兩個支撐架，波紋管保證牽引艙的密封和機器人的柔順性，彈簧用以保證牽引繩釋放纏繞時機器人能恢復原身長，一系列齒輪傳動系用以傳遞轉矩。本發明大大提高了蠕動機器人的能動性，具有運動靈活、結構緊湊、體積小、重量輕的特點。
文檔編號B62D57/02GK103231747SQ20131014914
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月26日 優先權日2013年4月26日
發明者王坤東, 金軒 申請人:上海交通大學