專利名稱：微型多關(guān)節(jié)電磁蠕動機器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種機器人系統(tǒng)，尤其是一種微型多關(guān)節(jié)電磁蠕動機器人系統(tǒng)。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(huán)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(yè)頭自治協(xié)調(diào)的動作，就能及時發(fā)現(xiàn)故障，并處理和解決問題；在生物醫(yī)學領域，科學技術(shù)的發(fā)展，人類對生命質(zhì)量提高的追求，“少創(chuàng)或無創(chuàng)”治療技術(shù)已成為發(fā)展趨勢，為實現(xiàn)這一技術(shù)，首先必須解決適于人體環(huán)境的機器人。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索，日本Tohoku大學利用微機械制造技術(shù)，采用形狀記憶合金驅(qū)動，研制成適用于人體腸道或血管環(huán)境的蛇形機器人，并將進一步研制和開發(fā)體內(nèi)自行式診療系統(tǒng)，以實現(xiàn)體內(nèi)診斷、體內(nèi)微細手術(shù)、體內(nèi)藥物直接投放等功能，但以上系統(tǒng)由于其關(guān)鍵件采用形狀記憶合金，而人體環(huán)境嚴重制約了形狀記憶合金的傳熱和散熱，因而其驅(qū)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(nèi)有效驅(qū)動和控制問題、微型化問題是該類機器人系統(tǒng)走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種微型多關(guān)節(jié)電磁蠕動機器人系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下，本發(fā)明由若干個驅(qū)動單元件、彈性密封膜、后艙、前艙構(gòu)成，各節(jié)驅(qū)動單元件之間、后艙與驅(qū)動單件之間以及前艙與驅(qū)動單元件之間通過萬向節(jié)聯(lián)接，并用彈性密封膜密封。驅(qū)動單元件由永磁磁芯、導磁體、線圈架、線圈、永磁磁環(huán)、單元件外層、萬向節(jié)構(gòu)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(jié)，萬向節(jié)可聯(lián)接另一級驅(qū)動單元件或者后艙，永磁磁芯與導磁體以及永磁磁環(huán)固定聯(lián)接，線圈架可在永磁磁環(huán)腔內(nèi)作軸向運動，單元件外層把永磁磁環(huán)和導磁體構(gòu)成的軸向外表面封罩住，導磁體的外側(cè)設另一個萬向節(jié)，該萬向節(jié)可聯(lián)接另一級驅(qū)動單元件或者前艙。由永久磁環(huán)、永磁磁芯構(gòu)成一橫穿動圈即工作氣隙的永久磁場，當對處于上述永久磁場中的單元件動圈通以控制電流時，動圈將產(chǎn)生電磁力，在該力作用下，動圈將拖動前級驅(qū)動單元件外殼或后艙運動一定距離，因此，只要產(chǎn)生適當時序的控制信號，就能使機器人實現(xiàn)蠕動爬行動作，每個控制循環(huán)的終了，首尾驅(qū)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(huán)蠕動作準備，總之每完成一個控制循環(huán)，機器人向前蠕動一個步距，重復上述的控制過程，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(xiàn)機器人沿相反方向的運動，系統(tǒng)最大的特點是通過系統(tǒng)各驅(qū)動單元件一定時序的動作控制，構(gòu)成了系統(tǒng)各驅(qū)動單元件間的運動傳遞，借助介面的摩擦力實現(xiàn)了機器人系統(tǒng)的總體驅(qū)動運動。因此這種結(jié)構(gòu)耗能少、驅(qū)動力大、特別適應柔軟環(huán)境下的驅(qū)動控制。
本發(fā)明產(chǎn)生了實質(zhì)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(huán)境的驅(qū)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(jié)合附圖進一步描述

圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2驅(qū)動單元件結(jié)構(gòu)示意3各驅(qū)動單元件控制位置示意4各驅(qū)動單元件控制信號示意圖如圖1、圖2所示，本發(fā)明由若干個驅(qū)動單元件1、彈性密封膜2、后艙3、前艙4構(gòu)成，各節(jié)驅(qū)動單元件1之間、后艙3與驅(qū)動單元件1之間以及前艙4與驅(qū)動單元件1之間通過萬向節(jié)5聯(lián)接，并用彈性密封膜2密封。驅(qū)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(huán)10、單元件1外層11、萬向節(jié)5構(gòu)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(jié)5，萬向節(jié)5可聯(lián)接另一級驅(qū)動單元件1或者后艙3，永磁磁芯6與導磁體7以及永磁磁環(huán)10固定聯(lián)接，線圈架8可在永磁磁環(huán)10腔內(nèi)作軸向運動，單元件外層11把永磁磁環(huán)10和導磁體7構(gòu)成的軸向外表面封罩住，導磁體7的外側(cè)設另一個萬向節(jié)5，該萬向節(jié)5可聯(lián)接另一級驅(qū)動單元件1或者前艙4。由永久磁環(huán)10、永磁磁芯6構(gòu)成一橫穿線圈架8即工作氣隙的永久磁場，當對處于上述永久磁場中的驅(qū)動單元件1線圈9通以控制電流時，線圈9將產(chǎn)生電磁力，在該力作用下，線圈架8將拖動前級驅(qū)動單元件1外殼或后艙3或推動前艙4運動一定距離，因此，只要產(chǎn)生適當時序的控制信號，就能使機器人實現(xiàn)蠕動爬行動作，每個控制循環(huán)的終了，首尾驅(qū)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(huán)蠕動作準備，總之每完成一個控制循環(huán)，機器人向前蠕動一個步距，重復上述的控制過程，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(xiàn)機器人沿相反方向的運動，系統(tǒng)最大的特點是通過系統(tǒng)各驅(qū)動單元件1一定時序的動作控制，構(gòu)成了系統(tǒng)各驅(qū)動單元件1間的運動傳遞，借助介面的磨擦力實現(xiàn)了機器人系統(tǒng)的總體驅(qū)動運動；因此這種結(jié)構(gòu)耗能少、驅(qū)動力大、特別適應柔軟環(huán)境下的驅(qū)動控制。
如圖3、圖4所示，設微型、多關(guān)節(jié)、多自由度、電磁蠕動機器人系統(tǒng)的初始狀態(tài)如圖3(1)所示，假設給三個驅(qū)動單元件分別編號A、B、C，給各驅(qū)動單元件1施加如圖4所示控制信號，在t＝0時刻，驅(qū)動單元件A變?yōu)檎盘?、?qū)動單元件B保持為幅值較小的負信號、驅(qū)動單元件C為零，在上述控制信號作用下，驅(qū)動單元件A收縮，帶動后艙向右運動，系統(tǒng)的其余部分保持不動，如圖3(2)所示；在t1時刻，驅(qū)動單元件A變?yōu)榉递^小的負信號、驅(qū)動單元件B變?yōu)檎盘枴Ⅱ?qū)動單元件C為零，在上述控制信號作用下，驅(qū)動單元件B收縮，驅(qū)動單元件A存在伸張的趨勢，從而驅(qū)動單元件B很容易帶動驅(qū)動單元件A的外殼向右移動，系統(tǒng)的其余部分保持不動，如圖3(3)所示；在t2時刻，驅(qū)動單元件A保持幅值較小的負信號、驅(qū)動單件B變?yōu)榉递^小的負信號、驅(qū)動單元件C變?yōu)檎盘?，在上述控制信號作用下，?qū)動單元件C收縮，驅(qū)動單元件B存在伸張的趨勢，從而驅(qū)動單元件C很容易帶動驅(qū)動單元件B的外殼向右移動，系統(tǒng)的其余部分保持不動，如圖3(4)所示；在t3時刻，驅(qū)動單件A保持為幅值較小的負信號、驅(qū)動單元件B保持為幅值較小的負信號、驅(qū)動單元件C由正變?yōu)樨撔盘枺谏鲜隹刂菩盘栕饔孟?，?qū)動單元件C伸張，并帶動前艙向右移動，系統(tǒng)的其余部分保持不動，通過此循環(huán)的控制，由此可見，機器人系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)，并向右移動了一個步距。重復上述過程，機器人系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)即能實現(xiàn)要求的運動。改變控制時序，機器人改變運動方向，在一定范圍內(nèi)改變控制信號頻率，即能實現(xiàn)機器人不同的驅(qū)動速度。
權(quán)利要求
1.一種微型多關(guān)節(jié)電磁蠕動機器人系統(tǒng)，其特征在于由若干個驅(qū)動單元件1、彈性密封膜2后艙3、前艙4構(gòu)成，各節(jié)驅(qū)動單元件1之間、后艙3與驅(qū)動單元件1之間以及前艙4與驅(qū)動單元件1之間通過萬向節(jié)5聯(lián)接，并用彈性密封膜2密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型多關(guān)節(jié)電磁蠕動機器人系統(tǒng)，其特征還在于驅(qū)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(huán)10、單元件1外層11、萬向節(jié)5構(gòu)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(jié)5，萬向節(jié)5可聯(lián)接另一級驅(qū)動單元件1或者后艙3，永磁磁芯6與導磁體7以及永磁磁環(huán)10固定聯(lián)接，線圈架8可在永磁磁環(huán)10腔內(nèi)作軸向運動，單元件外層11把永磁磁環(huán)10和導磁體7構(gòu)成的軸向外表面封罩住，導磁體7的外側(cè)設另一個萬向節(jié)5，該萬向節(jié)5可聯(lián)接另一級驅(qū)動單元件1或者前艙4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型多關(guān)節(jié)電磁蠕動機器人系統(tǒng)，其特征還在于由永久磁環(huán)10、永磁磁芯6構(gòu)成一橫穿線圈架8即工作氣隙的永久磁場，當對處于上述永久磁場中的驅(qū)動單元件1線圈9通以控制電流時，線圈9將產(chǎn)生電磁力，在該力作用下，線圈架8將拖動前級驅(qū)動單元件1外殼或后艙3或推動前艙4運動一定距離。
全文摘要
本發(fā)明由若干個驅(qū)動單元件、彈性密封膜、后艙、前艙構(gòu)成,各節(jié)驅(qū)動單元件之間、后艙與驅(qū)動單元件之間以及前艙與驅(qū)動單元件之間通過萬向節(jié)聯(lián)接,并用彈性密封膜2密封。本發(fā)明在微型機器人領域內(nèi)增添了一種微型、多關(guān)節(jié)、多自由度、電磁蠕動機器人系統(tǒng)。
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(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)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