微型多關節電磁蠕動機器人系統的製作方法
2023-04-26 16:13:01 1
專利名稱：微型多關節電磁蠕動機器人系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機器人系統，尤其是一種微型多關節電磁蠕動機器人系統。屬機械工程中的微型機器人領域。
本世紀90年代以來，人們正試圖研究能深入微小空間、微小管道等特殊環境的微型機器人，通過機器人的自治移動及各個完成特定任務作業頭自治協調的動作，就能及時發現故障，並處理和解決問題；在生物醫學領域，科學技術的發展，人類對生命質量提高的追求，「少創或無創」治療技術已成為發展趨勢，為實現這一技術，首先必須解決適於人體環境的機器人。經對現有技術文獻的檢索，日本Tohoku大學利用微機械製造技術，採用形狀記憶合金驅動，研製成適用於人體腸道或血管環境的蛇形機器人，並將進一步研製和開發體內自行式診療系統，以實現體內診斷、體內微細手術、體內藥物直接投放等功能，但以上系統由於其關鍵件採用形狀記憶合金，而人體環境嚴重製約了形狀記憶合金的傳熱和散熱，因而其驅動頻率或動作速度受到很大限制。因此，解決該類機器人的人體適應性問題、人體內有效驅動和控制問題、微型化問題是該類機器人系統走向實用的關鍵。
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提出一種微型多關節電磁蠕動機器人系統。
本發明的技術方案如下，本發明由若干個驅動單元件、彈性密封膜、後艙、前艙構成，各節驅動單元件之間、後艙與驅動單件之間以及前艙與驅動單元件之間通過萬向節聯接，並用彈性密封膜密封。驅動單元件由永磁磁芯、導磁體、線圈架、線圈、永磁磁環、單元件外層、萬向節構成，線圈架套在永磁磁芯外，線圈架可在永磁磁芯上軸向運動，線圈架上繞制線圈，線圈架外端設萬向節，萬向節可聯接另一級驅動單元件或者後艙，永磁磁芯與導磁體以及永磁磁環固定聯接，線圈架可在永磁磁環腔內作軸向運動，單元件外層把永磁磁環和導磁體構成的軸向外表面封罩住，導磁體的外側設另一個萬向節，該萬向節可聯接另一級驅動單元件或者前艙。由永久磁環、永磁磁芯構成一橫穿動圈即工作氣隙的永久磁場，當對處於上述永久磁場中的單元件動圈通以控制電流時，動圈將產生電磁力，在該力作用下，動圈將拖動前級驅動單元件外殼或後艙運動一定距離，因此，只要產生適當時序的控制信號，就能使機器人實現蠕動爬行動作，每個控制循環的終了，首尾驅動單元件的動圈還應有極性相反的控制信號作用，以使機器人頭部向前推出，為機器人下循環蠕動作準備，總之每完成一個控制循環，機器人向前蠕動一個步距，重複上述的控制過程，就能使機器人在該方向運動任意要求的行程，改變上述控制信號的時序，即能實現機器人沿相反方向的運動，系統最大的特點是通過系統各驅動單元件一定時序的動作控制，構成了系統各驅動單元件間的運動傳遞，藉助介面的摩擦力實現了機器人系統的總體驅動運動。因此這種結構耗能少、驅動力大、特別適應柔軟環境下的驅動控制。
本發明產生了實質性的特點和顯著的進步，除了能勝任彎曲、柔軟(比如人體腸道)環境的驅動控制，還為自治進入微小空間、微小管道完成在線和實時探測、維護提供了全新的手段。
以下結合附圖進一步描述
圖1本發明結構示意2驅動單元件結構示意3各驅動單元件控制位置示意4各驅動單元件控制信號示意圖如圖1、圖2所示，本發明由若干個驅動單元件1、彈性密封膜2、後艙3、前艙4構成，各節驅動單元件1之間、後艙3與驅動單元件1之間以及前艙4與驅動單元件1之間通過萬向節5聯接，並用彈性密封膜2密封。驅動單元件1由永磁磁芯6、導磁體7、線圈架8、線圈9、永磁磁環10、單元件1外層11、萬向節5構成，線圈架8套在永磁磁芯6外，線圈架8可在永磁磁芯6上軸向運動，線圈架8上繞制線圈9，線圈架8外端設萬向節5，萬向節5可聯接另一級驅動單元件1或者後艙3，永磁磁芯6與導磁體7以及永磁磁環10固定聯接，線圈架8可在永磁磁環10腔內作軸向運動，單元件外層11把永磁磁環10和導磁體7構成的軸向外表面封罩住，導磁體7的外側設另一個萬向節5，該萬向節5可聯接另一級驅動單元件1或者前艙4。由永久磁環10、永磁磁芯6構成一橫穿線圈架8即工作氣隙的永久磁場，當對處於上述永久磁場中的驅動單元件1線圈9通以控制電流時，線圈9將產生電磁力，在該力作用下，線圈架8將拖動前級驅動單元件1外殼或後艙3或推動前艙4運動一定距離，因此，只要產生適當時序的控制信號，就能使機器人實現蠕動爬行動作，每個控制循環的終了，首尾驅動單元件1的線圈9還應有極性相反的控制信號作用，以使機器人頭部向前推出，為機器人下循環蠕動作準備，總之每完成一個控制循環，機器人向前蠕動一個步距，重複上述的控制過程，就能使機器人在該方向上運動任意要求的行程，改變上述控制信號的時序，即能實現機器人沿相反方向的運動，系統最大的特點是通過系統各驅動單元件1一定時序的動作控制，構成了系統各驅動單元件1間的運動傳遞，藉助介面的磨擦力實現了機器人系統的總體驅動運動；因此這種結構耗能少、驅動力大、特別適應柔軟環境下的驅動控制。
如圖3、圖4所示，設微型、多關節、多自由度、電磁蠕動機器人系統的初始狀態如圖3(1)所示，假設給三個驅動單元件分別編號A、B、C，給各驅動單元件1施加如圖4所示控制信號，在t＝0時刻，驅動單元件A變為正信號、驅動單元件B保持為幅值較小的負信號、驅動單元件C為零，在上述控制信號作用下，驅動單元件A收縮，帶動後艙向右運動，系統的其餘部分保持不動，如圖3(2)所示；在t1時刻，驅動單元件A變為幅值較小的負信號、驅動單元件B變為正信號、驅動單元件C為零，在上述控制信號作用下，驅動單元件B收縮，驅動單元件A存在伸張的趨勢，從而驅動單元件B很容易帶動驅動單元件A的外殼向右移動，系統的其餘部分保持不動，如圖3(3)所示；在t2時刻，驅動單元件A保持幅值較小的負信號、驅動單件B變為幅值較小的負信號、驅動單元件C變為正信號，在上述控制信號作用下，驅動單元件C收縮，驅動單元件B存在伸張的趨勢，從而驅動單元件C很容易帶動驅動單元件B的外殼向右移動，系統的其餘部分保持不動，如圖3(4)所示；在t3時刻，驅動單件A保持為幅值較小的負信號、驅動單元件B保持為幅值較小的負信號、驅動單元件C由正變為負信號，在上述控制信號作用下，驅動單元件C伸張，並帶動前艙向右移動，系統的其餘部分保持不動，通過此循環的控制，由此可見，機器人系統恢復到初始狀態，並向右移動了一個步距。重複上述過程，機器人系統將按設定步距向右移動要求的行程；改變控制時序，機器人系統將沿相反方向運動。
因此，只要對各控制單元件通過一定時序的控制電流，機器人系統即能實現要求的運動。改變控制時序，機器人改變運動方向，在一定範圍內改變控制信號頻率，即能實現機器人不同的驅動速度。
權利要求
1.一種微型多關節電磁蠕動機器人系統，其特徵在於由若干個驅動單元件1、彈性密封膜2後艙3、前艙4構成，各節驅動單元件1之間、後艙3與驅動單元件1之間以及前艙4與驅動單元件1之間通過萬向節5聯接，並用彈性密封膜2密封。
2.根據權利要求1所述的這種微型多關節電磁蠕動機器人系統，其特徵還在於驅動單元件1由永磁磁芯6、導磁體7、線圈架8、線圈9、永磁磁環10、單元件1外層11、萬向節5構成，線圈架8套在永磁磁芯6外，線圈架8可在永磁磁芯6上軸向運動，線圈架8上繞制線圈9，線圈架8外端設萬向節5，萬向節5可聯接另一級驅動單元件1或者後艙3，永磁磁芯6與導磁體7以及永磁磁環10固定聯接，線圈架8可在永磁磁環10腔內作軸向運動，單元件外層11把永磁磁環10和導磁體7構成的軸向外表面封罩住，導磁體7的外側設另一個萬向節5，該萬向節5可聯接另一級驅動單元件1或者前艙4。
3.根據權利要求1所述的這種微型多關節電磁蠕動機器人系統，其特徵還在於由永久磁環10、永磁磁芯6構成一橫穿線圈架8即工作氣隙的永久磁場，當對處於上述永久磁場中的驅動單元件1線圈9通以控制電流時，線圈9將產生電磁力，在該力作用下，線圈架8將拖動前級驅動單元件1外殼或後艙3或推動前艙4運動一定距離。
全文摘要
本發明由若干個驅動單元件、彈性密封膜、後艙、前艙構成,各節驅動單元件之間、後艙與驅動單元件之間以及前艙與驅動單元件之間通過萬向節聯接,並用彈性密封膜2密封。本發明在微型機器人領域內增添了一種微型、多關節、多自由度、電磁蠕動機器人系統。
文檔編號H02K41/02GK1257339SQ9912720
公開日2000年6月21日 申請日期1999年12月30日 優先權日1999年12月30日
發明者顏國正, 林良明, 丁國清, 顏德田, 宋一然 申請人:上海交通大學