尺蠖式機器人機構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)分析

1、 機器人技術(shù)是一種面向未來的現(xiàn)代化技術(shù)，機器人技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基因技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等一樣，屬于高新技術(shù)。它涉及的學(xué)科有材料科學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等等很多學(xué)科。 我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。 爬行機器人是移動機器人的一種，爬行機器人按仿生學(xué)角度來分可分為:螳螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、尺蠖式爬行機器人等； 按驅(qū)動方式來分可分為:氣動爬行機器人、電動

2、爬行機器人和液壓驅(qū)動爬行機器人等； 按工作空間來分可分為:管道爬行機器人、壁面爬行機器人、球面爬行機器人等； 按功能用途來分可分為:焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、巡線爬行機器人和玩具爬行機器人；按行走方式可分為：輪式、履帶式、蠕動式等 技術(shù)基礎(chǔ)是微機器人技術(shù)，包括微機械技術(shù)、微傳感技術(shù)、微電子技術(shù)及智能系統(tǒng)等多學(xué)科交叉的領(lǐng)域 ；微機電系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用； 中國衛(wèi)生部，第三次全國死因回顧抽樣調(diào)查報告，2004-2005年中，消化道疾病死亡的人數(shù)為因疾病死亡人數(shù)的16.87% ；消化道的腫瘤與癌癥在早期呈現(xiàn)出血與息肉征兆，其早期治愈率較高； 1950年，由日本原O

3、lympus光學(xué)有限公司研發(fā)出第一款可商業(yè)化的胃鏡原型； 1969年推出了第一款商業(yè)化的消化道內(nèi)窺鏡。纖維內(nèi)窺鏡；品種繁多，一般包括操作軟線，控制單元與插入管，可進行充氣、充水與活組織取樣等操作。光電耦合傳感器取代光纖進行圖像采樣。優(yōu)點：1.技術(shù)成熟，圖像清晰，操作直觀；2.通過內(nèi)窺鏡插管的額外通道能夠進行抽充水與充氣，借以展平腸壁褶皺；3.借助活檢通道，能夠進行可疑病變組織的活體取樣，以及小息肉的手術(shù)。缺點：1.無法檢測大部分的小腸段，僅能覆蓋上消化道與下消化道的十二指腸、結(jié)腸部分；2.內(nèi)窺術(shù)有一定交叉感染與并發(fā)癥的發(fā)生幾率；3.病人在檢查過程中需要麻醉以減輕痛苦，對麻醉劑過敏的病人只能忍受

4、插管過程的不適感；4.內(nèi)窺鏡的操作過程完全由人工進行，對操作醫(yī)生要求較高，存在人為失誤的隱患。 以色列Given Imaging公司，“M2A” ，2000年； 中國重慶的金山技術(shù)公司，“智能膠囊” ，2005年 日本Olympus公司，“EndoCapsule” ，2006年； 日本的RF System Lab ，“Norika”，圖像，藥物釋放與活檢。 優(yōu)點： 體較小，易吞服； 缺點： 1.容易有盲區(qū)或漏檢； 2.受電池體積限制，工作時間較短； 3.不能采集連續(xù)視頻信號； 能夠提高診察效率，遍歷全消化道，并有定點施藥、手術(shù)或者活檢等功能，是腸道無創(chuàng)檢查和治療的理想解決方案； 研究尚處于實驗

5、室階段； 機器人是實現(xiàn)對腸道的主動診查、定點施藥、組織活檢與手術(shù)的前提與載體，因此機器人在腸道內(nèi)的可靠與有效地運動是整個微型胃腸道疾病診療機器人的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。（1）.微型疾病診療機器人如何在胃腸道內(nèi)的運動； (2).安全； (3).有效； 尺蠖屬于無脊椎動物，昆蟲綱，鱗翅目，尺蛾科昆蟲幼蟲的統(tǒng)稱。鱗翅目(Lepidoptera)尺蛾科(Geometridae)所有大型蛾類的幼蟲，遍布世界。因缺中間一對足，故以“丈量”或“屈伸”樣的具特征性的步態(tài)移動；即伸展身體的前部，再挪移身體后部使與前部相觸。 尺蠖的運動方式是一種蠕動爬行，蠕動是一種周期性的動作，蠕動體的姿態(tài)呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化。前夾緊機構(gòu)

6、和后夾緊機構(gòu)分別起著保持器的作用，使之在不同的階段與管壁保持不同的關(guān)系，而軀干部分則起著推進器的作用。 如果把尺蠖運動在一個動作周期內(nèi)的蠕動分開，可分為六步：(1)前部放松，軀干靜止，后部夾緊； (2)前部前進，軀干伸長，后部夾緊； (3)前部夾緊，軀干靜止，后部夾緊； (4)前部夾緊，軀干靜止，后部放松； (5)前部夾緊，軀干收縮，后部跟隨； (6)前部夾緊，軀干靜止，后部夾緊。 經(jīng)過上述六步，在一個動作周期中尺蠖的頭部和尾部均向前移動了一段距離 e和 f。 運動特點： 1、艙體需要提供可變且可控的摩擦力以保證該艙可駐留或可滑動；2、需要有能夠改變駐留艙相對距離的伸縮艙。 1994年，美國G

7、rundfest等人，專利，Traction單元和Extensor單元。1995年實現(xiàn)，氣動 意大利Dario。 1996年，氣動，吸附，吸附效率較低。 2002年，鉗夾，運動效率約為70% ，損傷活體腸道的可能性極大 。 2005年，美國Karagozler等人； 足表面纖毛； SMA為驅(qū)動； 高密度的圓柱懸梁臂式 結(jié)構(gòu)組成的纖毛； 2010年，以色列Zarrouk等人；單電機實現(xiàn)；足通過凸輪原理傳動；剛性管道中最高的運動速度可達25 mm/s ； 由上可知，尺蠖運動具有以下特點： (1)尺蠖運動體的結(jié)構(gòu)簡單； (2)運動所需的驅(qū)動器數(shù)目少； (3)靠摩擦力傳遞運動； (4)尺蠖運動是一種周

8、期性動作。 結(jié)腸微型機器人仿尺蠖式運動機構(gòu)設(shè)計的實質(zhì)是利用合適的驅(qū)動方式來實現(xiàn)尺蠖型運動。 驅(qū)動方式關(guān)系到結(jié)腸微型機器人的運動結(jié)構(gòu)，并會影響微型機器人的機體尺寸、驅(qū)動力的大小、運動性能、系統(tǒng)功耗等因素。 驅(qū)動方式研究主要集中在形狀記憶合金驅(qū)動、壓電驅(qū)動、氣動、電磁驅(qū)動、微型電機驅(qū)動等常用方式上。 形狀記憶合金驅(qū)動微型化程度高，具有驅(qū)動力打、體積微小等優(yōu)點。但是形狀記憶合金是一種非線性并存在滯后的材料，其形變需要外界加熱和冷卻來驅(qū)動，并且加熱周期較長，造成其運動速度慢、精確度低等缺點。而且，人體腸道是一個恒溫環(huán)境，雖然形狀記憶合金在通入電流后通過自身內(nèi)阻消耗發(fā)熱可以實現(xiàn)加熱驅(qū)動，但是其自身的溫升

9、會對腸道組織造成損傷。 電磁驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出位移大等優(yōu)點?？蓪㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為機構(gòu)的直線運動位移或圓周旋轉(zhuǎn)角度，但其驅(qū)動力小、耗能高、控制復(fù)雜。雖然在磁懸浮列車、重物提升。打印繪圖儀中多有應(yīng)用，但結(jié)腸運動環(huán)境中微型機器人在電磁驅(qū)動方式下運動狀態(tài)難于控制，并需要復(fù)雜的體外磁場驅(qū)動系統(tǒng)。 可以直接利用大氣的氣源作為驅(qū)動結(jié)腸微型機器人。但是，氣體驅(qū)動也有一些問題：首先是氣密性問題，消化道是一個開放的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查也會使用氣囊或噴氣保證內(nèi)窺鏡的觀察視野，但是消化道內(nèi)的氣體壓力也不能太大，即要考慮機器人長時間在腸道內(nèi)爬行時的氣體泄漏量。此外，需要一套微型氣動驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)無托管運動，因此

10、會增加微型機器人的體積。 壓電材料屬于新型材料，具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、線性好、頻率響應(yīng)高、發(fā)熱小、無噪聲、易于控制等優(yōu)點。 缺點是：驅(qū)動位移較小和所需要的驅(qū)動電壓較大，在自鎖保持過程中還需要持續(xù)供電。壓電材料一般在微米級對于結(jié)腸微型機器人來說，在有限的空間內(nèi)將壓電材料的位移放大到需要的倍數(shù)是十分困難的。 具有驅(qū)動力大、控制方便、效率高等優(yōu)點。商業(yè)化可供選擇的微型電機型號與規(guī)格比較廣泛，但是必須設(shè)計合適的驅(qū)動機構(gòu)將微型電機選擇輸出進行變換和放大。在有限的空間內(nèi)，設(shè)計出有效地減速增力機構(gòu)和運動機構(gòu)，面臨著許多優(yōu)化問題。 綜上分析，微型電機驅(qū)動更加適合尺蠖式微型腸道機器人。 其

11、直徑為6mm,長度為15.8mm.額定電壓為3V，額定電流小于等于150mA,齒輪組減速比為26，額定轉(zhuǎn)速為900rpm，額定轉(zhuǎn)矩為2gf.cm 此機器人的主要任務(wù)是利用仿尺蠖運動機構(gòu)從人體肛門進入結(jié)腸，并利用攜帶的光源、攝像機、治療裝置等對結(jié)腸開展醫(yī)學(xué)診療活動。 結(jié)腸微型機器人機體必須有足夠的柔性來適應(yīng)結(jié)腸的彎曲部位，單個剛性單元長度要限制在40mm內(nèi)； 結(jié)腸微型機器人機體直徑不能超過結(jié)腸的平均直徑29mm； 結(jié)腸微型機器人外表面要采用生物相容材料，避免對結(jié)腸組織的刺激。 結(jié)腸微型機器人的主動運動不能損傷結(jié)腸組織，應(yīng)該最大限度地保障結(jié)腸器官的完整性，同時提高診斷精度，減少病人的不適感。 結(jié)腸

12、微型機器人外形尺寸為：直徑20mm， 長度150mm。 結(jié)腸微型機器人利用微型電機作為驅(qū)動器，其仿尺蠖運動機構(gòu)由前后徑向鉗位機構(gòu)和中部軸向伸縮機構(gòu)組成。徑向鉗位機構(gòu)位于結(jié)腸微型機器人兩端，用以粘附或抓取腸道組織為機體提供鉗位力；軸向伸縮機構(gòu)位于結(jié)腸微型機器人中部，用以推動或牽引機體運動。結(jié)腸直徑變化范圍較大（2560mm），而結(jié)腸微型機器人的機體直徑限定在20mm以內(nèi)，徑向鉗位機構(gòu)需要收縮在直徑20mm的結(jié)腸微型機器人機體內(nèi)，并提供最大60mm的鉗位直徑，其變形行程應(yīng)大于20mm，并且在提供足夠徑向鉗位力同時，消耗較小的能量保持鉗位狀態(tài)。螺紋升角為：當(dāng)量摩擦系數(shù)為：當(dāng)量摩擦角為： 顯而易見，v

13、，可以判斷絲杠螺母具有良好的自鎖性能 連桿機構(gòu)伸縮腿的鉗位點D的x軸坐標(biāo)Dx和y軸坐標(biāo)Dy通過幾何解析法可得： 連桿機構(gòu)伸縮腿鉗位點D的x軸和y軸坐標(biāo)分別對螺母滑塊位置l求導(dǎo)數(shù)，可得到其x軸運動速度vx和y軸運動速度vy同滑塊6運動速度v的關(guān)系。 根據(jù)力矩平衡原理： 軸向驅(qū)動力： 在電機驅(qū)動下，螺母處于旋緊狀態(tài)，作用在絲杠中徑d2上驅(qū)動力Ft： 此時，作用于絲杠的轉(zhuǎn)矩為： 微型電機在3.0V額定電壓驅(qū)動下，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts=2.2mN.m，一級齒輪組效率為=98%。假設(shè)鉗位點D受到腸道的軸向作用力FDx為0，徑向鉗位機構(gòu)3條伸縮腿受到相同驅(qū)動力，可得微型電機額定驅(qū)動下徑向鉗位機構(gòu)的連桿機構(gòu)縮腿最大

14、徑向鉗位力為： 微型電機在3.0V額定電壓驅(qū)動下，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為Ts=2.2mN.m，一級齒輪傳動效率為=98%，從動齒輪1的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1=0.98Ts/2，從動齒輪2的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1=0.982.Ts/2，因此絲杠1和絲杠2的最大軸向驅(qū)動力分別為： 從動齒輪1和從動齒輪2對微型電機的主動齒輪具有相同的齒輪減速比： 電機額定轉(zhuǎn)速下，兩個絲杠螺母的移動速度： 平面直角坐標(biāo)變換矩陣分析： 右邊三個式子分別為只繞X ,Y,Z坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn) .角的旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換矩陣。 感興趣的同學(xué)可以參看 機器人技術(shù)基礎(chǔ)、 仿生機械學(xué) 結(jié)腸微型尺蠖式機器人的幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量確定后，其運動學(xué)分析在于求解機體相對于給定坐

15、標(biāo)系的位置和姿態(tài)。給定坐標(biāo)系為固定在大地上的笛卡爾坐標(biāo)系，并作為結(jié)腸微型機器人的總體坐標(biāo)系。結(jié)腸微型機器人的各桿件的運動可在總體坐標(biāo)系中描述，并在每個桿件上建立一個附體坐標(biāo)系，運動學(xué)問題便歸結(jié)為尋求聯(lián)系附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的變換矩陣。 為了描述微型機器人相鄰桿件平移和轉(zhuǎn)動的關(guān)系，Denavit和Hatenberg提出了一種為關(guān)節(jié)鏈中的每一個桿件建立附體坐標(biāo)系的矩陣方法。 D-H方法為每個關(guān)節(jié)處的桿件建立4X4齊次變換矩陣，表示它與前一桿件坐標(biāo)系的關(guān)系。 前面圖顯示了桿件的參數(shù)和坐標(biāo)系。（確定和建立每個坐標(biāo)系應(yīng)該根據(jù)以下3條規(guī)則） （1）Zi-1軸沿著第i關(guān)節(jié)運動軸； （2）Xi 軸垂直于Zi

16、-1軸和Zi軸并指向離開Zi-1 軸的方向； （3）yi按右手坐標(biāo)系的要求建立。 按照上述規(guī)則，第0號坐標(biāo)系在機座上的位置和方向可任選，只要Zo軸沿著第一個關(guān)節(jié)軸。根據(jù)上述對桿件參數(shù)和坐標(biāo)的定義，描述串聯(lián)桿件相鄰坐標(biāo)系之間的關(guān)節(jié)關(guān)系歸結(jié)為以下4個參數(shù)： i 繞Zi-1軸（右手規(guī)則）由Xi-1軸向Xi軸的關(guān) 節(jié)角 。 i 繞Xi軸（右手規(guī)則）由Zi-1軸轉(zhuǎn)向Zi軸的 偏角。 di 從第i-1坐標(biāo)系的原點到Zi-1軸和Xi軸的交點 沿Zi-1軸的距離。 ai 從Zi-1軸和Xi軸的交點到第i坐標(biāo)系原點沿Xi 軸的偏移距離。 將第i個坐標(biāo)系表示的點ri在i-1坐標(biāo)系表示，需要建立i坐標(biāo)系和i-1坐標(biāo)

17、系的齊次變換矩陣： 確定第i坐標(biāo)系相對于機座的位置的齊次變換矩陣表示為： 尺蠖式胃腸道微型機器人在任意姿態(tài)下尾部相對于頭部總體坐標(biāo)系Oxy的位置和姿態(tài) 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)i iiidiai1-45450-1mm1mm02-4545-90-1mm1mm1mm 將上表中的參數(shù)代入式中，可得到如下變換矩陣：最終，可得到萬向節(jié)變換矩陣： 對于結(jié)腸微型機器人來說，萬向節(jié)可以看成一個關(guān)節(jié)，以結(jié)腸微型機器人頭部徑向鉗位機構(gòu)軸線上任一點 H 作為坐標(biāo)原點，并建立總體坐標(biāo)系 Oxyz；以微型機器人尾部鉗位機構(gòu)軸線上任一點 R 作為坐標(biāo)原點，建立附體坐標(biāo)系 Ouvw。當(dāng)點 H 為結(jié)腸微型機器人頂點，而點 R 為結(jié)腸微型機器人尾點時，可以求得結(jié)腸微型機器人在任意姿態(tài)下尾部相對于頭部總體坐標(biāo)系 Oxy的位置和姿態(tài)。 (1) 從點 H 到萬向節(jié) 1 的 A 軸的變換矩陣 THA，總體坐標(biāo)系 Oxyz 經(jīng)過繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)后，坐標(biāo)系 Oxyz 的坐標(biāo)軸與萬向節(jié) 1 第 0 坐標(biāo)系坐標(biāo)軸平行且方向一致，之后 Oxy 沿其 x 軸平移，并最終與萬向節(jié) 1 第 0 坐標(biāo)系重合； (2) 萬向節(jié) 1 坐標(biāo)變換矩陣 TAB，可由公式求得； (3) 從萬向節(jié) 1 的 B 軸