用于檢測人體腸道的微小型機(jī)器人

用于檢測人體腸道的微小型機(jī)器人

在工業(yè)和臨床實驗領(lǐng)域，有許多小直徑的管道，如冷管、血管和人體腸道。有許多研究將傳感器置于管道內(nèi)部來監(jiān)測管道的內(nèi)部環(huán)境.美國的Gianchandani教授等人研制出了一種置于靜脈血管內(nèi)的微機(jī)電(MEMS)傳感器意大利的Quirini等研制了一種用于檢測人體腸道的微小型機(jī)器人本文提出了一種壓電雙層膜結(jié)構(gòu)驅(qū)動的管內(nèi)移動機(jī)器人.壓電晶體作為一種智能材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)界,如用于制作壓電傳感器和壓電驅(qū)動器.壓電晶體在外電場作用下產(chǎn)生變形(逆壓電效應(yīng));相反,壓電晶體在機(jī)械力作用下,晶體表面將產(chǎn)生極化電荷(正壓電效應(yīng)).有大量研究報道有關(guān)壓電效應(yīng)的靜態(tài)、動態(tài)性能和相關(guān)理論分析等方面的研究本文所設(shè)計的管內(nèi)微小型機(jī)器人主要包括兩個完全相同的壓電雙層膜和一個慣性質(zhì)量塊,通過中心軸串聯(lián)組成機(jī)器人本體.當(dāng)驅(qū)動電壓作用于壓電雙層膜時,雙層膜將產(chǎn)生彎曲變形,利用慣性沖擊力將其彎曲變形轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的直線運(yùn)動.本文在理論分析的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值計算方法對系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行仿真,并通過實驗對機(jī)器人的運(yùn)動能力進(jìn)行測試.1原型系統(tǒng)和運(yùn)動機(jī)1.1壓電雙層膜的工作原理管內(nèi)移動微小型機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.該機(jī)器人包括:兩套壓電雙層膜,一個慣性質(zhì)量塊,一個中心軸和三個銅質(zhì)彈性支撐腿.支撐腿呈120°均勻分布,并固定在機(jī)器人本體周圍.驅(qū)動器通過細(xì)導(dǎo)線與外部的驅(qū)動電源連接.圖2所示為一個壓電雙層膜的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖.壓電雙層膜是由兩層性質(zhì)完全相同,極化方向也相同的圓形壓電薄膜和一個銅質(zhì)的圓形薄板粘合而成.驅(qū)動電壓同時施加于雙層膜的上、下電極,中間層接地.上下兩壓電膜極化方向一致而電壓的施加方向相反,當(dāng)其中一層沿直徑方向伸張,另一層沿直徑方向收縮,從而產(chǎn)生雙層膜整體的彎曲變形.由于雙層膜邊界固定,最大的位移量產(chǎn)生于雙層膜的中心.壓電雙層膜采用PZT-4A材料,其結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)如表1所示.靜態(tài)分析和實驗測試結(jié)果表明,當(dāng)壓電雙層膜圓周邊緣處于簡支約束條件下時,30V驅(qū)動電壓可產(chǎn)生19.7μm的位移.1.2慣性沖擊原理工作過程智能材料驅(qū)動器,如壓電陶瓷驅(qū)動器,形狀記憶合金在圖3中,慣性沖擊系統(tǒng)由三部分組成:運(yùn)動主體、壓電驅(qū)動器和慣性質(zhì)量塊.驅(qū)動電壓通常為鋸齒波.慣性沖擊原理的工作過程包括三個基本步驟:(1)初始狀態(tài).施加一定的預(yù)壓力于運(yùn)動主體上,運(yùn)動主體處于原始狀態(tài),驅(qū)動電壓為0,壓電陶瓷驅(qū)動器沒有位移輸出;(2)驅(qū)動器緩慢伸展?fàn)顟B(tài).驅(qū)動電壓逐步上升(a→b),壓電驅(qū)動器逐漸伸長,產(chǎn)生一個慣性力1.3摩擦模型摩擦涉及靜摩擦、黏滯摩擦、摩擦記憶和遲滯等復(fù)雜的物理現(xiàn)象其中μ是黏滑運(yùn)動摩擦系數(shù),μ其中1μ是在μ其中F2動態(tài)分析與模擬2.1機(jī)器人動力學(xué)方程采用質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)作為機(jī)器人的等效物理模型,如圖5所示.在圖5中,機(jī)器人系統(tǒng)沿X方向運(yùn)動.其中根據(jù)圖5所提出的等效模型,采用拉格朗日方法推導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)方程:其中L為拉格朗日函數(shù),Q其中T是系統(tǒng)的總動能,U是總勢能,U其中w是雙層壓電膜的沿軸線方向的變形,滿足w=(x將方程(6)~(8)代入(5)式中,拉格朗日函數(shù)可寫成如下形式:將方程(9)代入(4)式中,得到機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程:將方程(3)代入(10)式中,并將運(yùn)動方程表示成狀態(tài)空間方程的形式:其中X={xA,B矩陣相應(yīng)的部分參數(shù)列于表1.2.2慣性質(zhì)量塊變化的運(yùn)動方程采用Matlab軟件中的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具(Simulink),建立機(jī)器人動力學(xué)系統(tǒng)的仿真模型,如圖6所示.驅(qū)動電壓的幅值和頻率分別選定為30V和3333Hz.通過仿真進(jìn)一步定性考察慣性沖擊原理的工作過程.因此,仿真采用的電壓幅值和頻率是初步指定的值,機(jī)器人實際工作的最佳幅值和頻率在后續(xù)實驗過程中通過實驗測試與分析獲得.基于龍格-庫塔(Runge-Kutta)數(shù)值算法對其運(yùn)動方程(11)進(jìn)行求解求解初始條件:仿真結(jié)果得到了慣性沖擊過程中運(yùn)動主體和慣性質(zhì)量塊的位移.在初始階段,當(dāng)壓電雙層膜產(chǎn)生彎曲變形時,慣性質(zhì)量塊向前運(yùn)動而運(yùn)動主體保持靜止甚至向后運(yùn)動;當(dāng)電壓由峰值迅速回落時,慣性質(zhì)量塊隨壓電驅(qū)動器的收縮而向后運(yùn)動,而運(yùn)動主體快速向前運(yùn)動.在點1,慣性質(zhì)量塊和運(yùn)動主體達(dá)到同樣的位移,表示壓電驅(qū)動器的變形量恢復(fù)為0.但由于彈性腿的彈性以及系統(tǒng)整體的慣性,運(yùn)動主體保持向前運(yùn)動而慣性質(zhì)量塊繼續(xù)向后運(yùn)動,如點1-2過程所示.在點2,兩者再次達(dá)到同樣的位移,表示慣性沖擊過程一個周期的結(jié)束.點2~4的過程與初始位置到點2的過程相似.通過Matlab求解,定性考察慣性沖擊的運(yùn)動過程,得到了機(jī)器人速度曲線.由于摩擦系數(shù)、驅(qū)動電壓以及彈性腿的剛度等參數(shù)的選取并不十分精確,因此數(shù)值仿真存在一定誤差.采用有限元分析方法,考慮機(jī)器人本體和支撐腿的彈性變形,建立機(jī)器人的有限元模型.采用有限元瞬態(tài)分析方法,分析管內(nèi)機(jī)器人在一個周期中的運(yùn)動過程,分析結(jié)果如圖8所示.分析結(jié)果也驗證慣性沖擊式原理的有效性.3實驗數(shù)據(jù)和分析在理論分析和有限元分析基礎(chǔ)上,研制了管內(nèi)移動微小型機(jī)器人如圖1(b)所示.驅(qū)動電壓由信號發(fā)生器產(chǎn)生,其幅值為0~50V,頻率為0~3500Hz.同時,搭建了實驗測試平臺,其結(jié)構(gòu)示意如圖9.圖10所示為實驗平臺照片.通過實驗測試,進(jìn)一步分析機(jī)器人的運(yùn)動能力(運(yùn)動速率、驅(qū)動力和驅(qū)動電壓的幅值、頻率之間的關(guān)系).管內(nèi)機(jī)器人(4)放置于一個直徑為14mm的玻璃管內(nèi).控制器(2)由信號發(fā)生器和放大器組成.信號發(fā)生器產(chǎn)生的驅(qū)動電壓經(jīng)放大作用于壓電雙層膜上,驅(qū)動機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動.牽引裝置(5)包含一條尼龍繩和一個動滑輪,用來連接機(jī)器人和力傳感器(7),并將直線位移轉(zhuǎn)化為角位移.通過光學(xué)編碼器(6)來測量其角位移,從而獲得機(jī)器人的直線運(yùn)動速率.力傳感器(7)用于測量牽引力,其測量信號通過放大器(8)后放大到0~10V范圍內(nèi).運(yùn)動控制卡采用香港固高公司產(chǎn)品(型號GT-400-SV),用于采集光學(xué)編碼器的信號,并將其輸送到計算機(jī)(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.計算機(jī)(1)與管內(nèi)機(jī)器人控制器(2)之間通過RS232接口進(jìn)行通訊.同時,一個12位的A/D數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動控制卡內(nèi)嵌于工業(yè)計算機(jī)中.為了確保機(jī)器人的工作效率,需要確定驅(qū)動電壓的最佳工作幅值和頻率.首先,測試機(jī)器人的運(yùn)動速率和牽引力在不同的電壓頻率下的變化,實驗結(jié)果如圖11所示.根據(jù)前面的理論分析和仿真分析,機(jī)器人的運(yùn)動速率并非恒定值,這里所指的速率是指機(jī)器人在一個工作周期內(nèi)的平均速率.將驅(qū)動電壓的幅值定為50V,改變工作頻率,可以得到圖11(a)所示的實驗結(jié)果.在500~1100Hz的頻率范圍內(nèi),機(jī)器人的運(yùn)動速度的大小隨驅(qū)動頻率增加而逐步升高.在驅(qū)動頻率大于1100Hz之后,當(dāng)頻率繼續(xù)上升時,運(yùn)動速率快速下降.圖11(b)也顯示了相似的結(jié)果.牽引力在工作頻率為1200Hz時達(dá)到峰值0.09N.根據(jù)實驗結(jié)果,我們可以確定最佳工作頻率在1100~1200Hz之間.但當(dāng)頻率大于1100Hz時運(yùn)動速率隨頻率升高衰減很快.因此,在綜合考慮牽引力和運(yùn)動速率的基礎(chǔ)上,我們可以確定機(jī)器人驅(qū)動的最佳工作頻率在1100Hz左右.接下來研究運(yùn)動速率和牽引力在不同的電壓幅值下的變化趨勢.設(shè)定驅(qū)動電壓工作頻率為1100Hz,通過改變電壓幅值,得到一組實驗數(shù)據(jù),如圖12所示.從圖可以看出管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動速率和牽引力均隨電壓幅值的增加而線性遞增,運(yùn)動速率和牽引力的關(guān)系曲線如圖13所示.在工作頻率為1100Hz時,機(jī)器人的運(yùn)動速率和牽引力也呈線性關(guān)系.如果需要更高的運(yùn)動速率需要更大的牽引力.在1100Hz的工作頻率下當(dāng)牽引力為0.082N時,機(jī)器人達(dá)到最大的運(yùn)動速率3.5mm/s.4仿真實驗與結(jié)果分析設(shè)計了由壓電雙層膜驅(qū)動的微小型管內(nèi)移動機(jī)器人.采用壓電雙層膜驅(qū)動器和慣性沖擊原理,實現(xiàn)機(jī)器人在直徑為16~18mm的管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)穩(wěn)定的直線運(yùn)動.在原型