[發明專利]一種柔順型尺蠖蠕動機器人

有效

• 申請號: 201310149147.2
• 申請日: 2013-04-26
• 公開（公告）號: CN103231747A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 王坤東;金軒
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

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蠕動機器人，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。