[发明专利]管道内柔性移动微小机器人系统

说明书

技术领域

本发明涉及管道内柔性移动微小机器人系统，属于微小型机器人技术领域。

背景技术

目前，用于管道内移动的机器人大多为腿式、轮式或二者结合式刚性移动机构，机器人的驱动方式主要有电磁式驱动、压电式驱动、气动式驱动、特种功能材料如形状记忆合金、巨磁材料驱动等。刚性移动机构会造成管道内壁损伤，对管道内不同内径或弯曲处移动适应性差，机器人移动难以达到柔性可靠的目的。气动驱动、结构简单、相对运动部件少、具有安全、柔性等特点，因此气动驱动的橡胶驱动器已大量用于制作人工关节、机器人手臂等，但由于空气的可压缩性使人工筋橡胶驱动器难于实现高精度控制。

发明内容

本发明公开了一种由计算机电-气系统控制的管道内柔性移动微小机器人系统，该微小机器人系统的气动移动机构可克服现有的刚性移动机构易造成管道内壁破损，对管道内不同内径或弯曲处移动适应性差等弊端。

本发明管道内柔性移动微小机器人系统的气动移动机构，依据机器人仿生尺蠖移动机理，由前支撑单元、后支撑单元，和中间橡胶驱动器三部分连接构成。前、后支撑两个单元用于机器人移动时钳位支撑，中间橡胶驱动器用于机器人移动时伸缩驱动；微小机器人的控制系统为电-气控制系统。

管道内柔性移动微小机器人系统，包括气动移动机构和气压传递系统；气动移动机构中的橡胶驱动器有三个气室；其特征在于：

A)所述的气动移动机构由前支撑单元、后支撑单元、橡胶驱动器三部分连接构成；前支撑单元、后支撑单元都是空心圆柱体，其一端端面内接一带有吊带的圆环，前支撑单元、后支撑单元端面的两个带有吊带的圆环分别与橡胶驱动器的两端连接，整个圆柱表面外覆盖密闭塑料薄膜气囊，前支撑单元、后支撑单元上各连通一根气管，气管与通气回路连通；

B)所述的气压传递系统依次由高压泵、储压罐、球阀、流量调节阀、调压阀与气动移动机构串接；在流量调节阀与气动移动机构之间并联有三条通气管路，三条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀和一个二位三通电磁阀分别与驱动器的三个气室连通；在调压阀和气动移动机构之间并联有两条通气管路，每条通气管路各串接一个常闭的二位二通电磁阀和一个二位三通电磁阀分别与前支撑单元和后支撑单元的薄膜气囊连通。

本发明采用的驱动器为气动橡胶驱动器；驱动器外形呈管状，管内分隔成三个120°的扇形气室，驱动器一端封闭，另一端分别连通通气回路，控制各气室空气压力；橡胶层内嵌有均匀的螺旋细纤维线。

前支撑单元、后支撑单元的塑料薄膜气囊充气时内部压力增大、膨胀、压紧管道内壁起到钳位作用，塑料薄膜气囊具有一定的弹性，通过控制内部压力压紧内壁，以适应不同的管道内径实现钳位作用。

橡胶驱动器通气时限制其径向增大，使橡胶驱动器沿轴线方向伸长。当三气室同时加相等的压力时，驱动器沿轴线方向伸长，当只有某一内腔加压时，或压力与另两气室压力不同时，驱动器弯曲，实现转向驱动，通过调整三个气室空气的压力，使该驱动器实现空间三个自由度方向的驱动。因此，可通过该驱动器使机器人实现在气道内的直线运动和弯曲转向，通过前支撑单元，后支撑单元和中间驱动器的伸缩实现仿生尺蠖移动，移动一个步距可细分为如下状态过程：

初始状态：前支撑单元、后支撑单元均钳位，驱动器处于收缩状态，相当于尺蠖处于前脚、后脚靠近，中间身体弓起状态。

(1)前支撑单元放松，相当于尺蠖前脚放松；

(2)橡胶驱动器伸长，相当于尺蠖身体由原来的弓形伸直；

(3)前支撑单元钳位，相当于尺蠖前脚固定；

(4)后支撑单元放松，相当于尺蠖后脚放松；

(5)橡胶驱动器单元收缩，相当于尺蠖身体弓起；

(6)前支撑单元和后支撑单元均钳位，相当于尺蠖前也脚固定。

由(1)到(6)完成一个循环，向前移动一个步距，回到初始状态，所以仿尺蠖运动机器人向前移动一步的移动状态过程为(1)到(6)。而机器人反向移动一步的移动的状态过程为：(6)到(1)。因此，机器人按前移和后退的移动顺序不断循环，将实现前进和后退反向运动。

本发明结构简单、相对运动部件少、由于采用塑料薄膜气囊，充气时内部压力增大、膨胀、压紧管道内壁起到钳位作用，塑料薄膜气囊具有一定的弹性，使得与管道或人体器官接触具有安全、柔性等特点，不伤害管道内壁；采用的驱动器为气动橡胶驱动器，可实现空间三个方向的驱动，使得本发明管道内微小机器人在人体器官管道内行走自如；两者结合再与计算机辅助系统相结合可达到精确控制。

附图说明