（机械制造及其自动化专业论文）基于钹形压电复合驱动的微小管内机器人技术研究.pdf

j 摘饔 摘要 空间曲线型微细管路在航空、航天、船舶、汽车及核工业领域发挥着重要作 用，然而对其内部的结构检测及三维重建却一直是制约这些领域发展的技术瓶 颈。因此，针对空间曲线型微细管道潜入式无损检测微小管内机器人技术的研究 已逐渐成为了技术前沿和研究热点。 论文在综述机器人的发展历史、国内外微小管内机器人的研究状况及其所需 要解决关键技术的基础上，针对空间曲线型分布的深细孔和管路内壁质量检测和 三维几何模型重建问题，提出了一种基于惯性驱动并具有自主定位功能的钹形压 电复合微小管内机器人。 针对这种微小管内机器人技术，文章从该微小管内机器人的爬行驱动系统及 爬行定位系统两大方面进行了研究论述： 首先针对微小管内机器人的动力源，设计开发了一种基于压电逆效应的可应 用于微小管内机器人动力驱动的钹形压电复合致动器。根据微小管内机器人动力 装置的实际应用特点，提出了钹形压电复合致动器的开槽式结构优化方法，建立 了开槽式钹形压电复合致动器的理论分析模型。通过理论建模、有限元及实验分 析验证了开槽结构优化后，钹形压电复合致动器较无槽钹形压电复合致动器，其 输出位移、输出力及能量转化率等特性均有大幅提高。基于这种钹形压电复合致 动器，设计制造了基于惯性驱动原理并能满足巾l o m m 管道爬行的机器人动力装 置。针对钹形压电复合动力动力装置的具体结构，建立了该动力装置的时域动力 学模型及系统状态空间表达，并通过模态分析及计算机动力学仿真分析，论述了 该系统的运动机理。根据对该钹形压电复合动力装置进行运动速度、负载能力及 管道适应性等方面进行实验，说明了该动力装置具有良好的动力性能。 为了满足微小管内机器人进行巾l o m m 管道爬行定位的要求，研制了一种仿 尺蠖式爬行的微小管内机器人爬行轴向定位系统。该系统基于钹形压电复合动力 装置响应速度快的特点，采用机械碰撞接触式运动机构的定长碰撞解决了仿尺蠖 爬行式微小管内机器人轴向的全程定位问题。通过碰撞理论及实验分析证明了该 定位机构的接触碰撞属有利碰撞，有利于提高距离定位测量的精度。然而，尽管 该系统具有结构简捷紧凑并巧妙结合驱动器运动进行相对位移检测的特点，但实 文章 管内 能够 航技 合内 了标 了一 人光 主曲 数化 0 u “u a b s t r a c t a l t h o u g ht h es p a t i a lc u r v e dm i c r o - p i p eh a sb e e nu s e di ns e r i a li n d u s t r i a lf i e l d sl i k et h e a e r o n a u t i ca n da e r u s p a c e , t h en a u t i c a l ，t h ec h e m i c a l ，t h em o b i l ea n dt h en u c l e a r - p o w e r e d p l a n t s , t h en o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nf o rt h ei n s i d es u r f a c ea n d3 dg e o m e t r i c a lr e c o n s l r u c t i o n a r es t i l lt h et e c h n i c a lb o t t l e n e c kt or e s t r i c ti t sa p p l i c a t i o n s s o , t h ei n - p i p em i c r o - r o b o tf o r i n g o i n gn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nh a sb e e na t l r a c t e dm o r e a t t e n t i o n si nt h ew o r l d a f t e rs u m m a r i z i n gt h eh i s t o r yo fr o b o t s t h ed o m e s t i ca n df o r e i g n 啾e r c h a 吣o ft h e i n - p i p em i c r o - r o b o ta n dt h ek e yt e c h n o l o g i e st ob es o l v e d , t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dt o r e s e a r c hak i n do fa u t o m a t i c a l l yp o s i t i o n i n gi n - p i p em i c r o - r o b o t , w h i c hw a sa c t u a t e db y p i e z o e l e c t r i cc y m b a l sb a s e d0 nt h et h e o r yo fi n e r t i ad r i v i n g , d e p e n d i n go nt h ep r o b l e m so f s p a t i a lc u r v e dp i p ei n s p e c t i o na n dg e o m e t r i c a lr e c o n s t r u c t i o n t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ei n - p i p em i c r o - r o b o ts y s t e mo nt h et w of u n c t i o n a lp a r t s , t h e r o b o tm o v i n gp o w e rs y s t e ma n dt h er o b o tm o v i n gp o s i t i o n i n gs y s t e m f i r s t l y , a i m i n ga tt h em b o tp o w e rs y s t e m , ak i n do fc o m p o s i t ep i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r , p i e z o e l e c t r i cc y m b a l ，w a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t oi m p r o v et h ep r o p e r t i e s , as l o t t i n g s t r u c t u r “o p t i m i z a t i o no f p i e z o e l e c t r i cc y m b a lw a sb r o u g h tf o r w a r d t h o u g ht h em e c h a n i s m m o d e l i n ga n dm o d e la n a l y s i s , f m i t ee l e m e n ta n a l y s i sf l e a ) , a n de x p e r i m e n t s , i tw a s d e m o n s t r a t e dt h a tt h es l o t t e dc y m b a lp o s s e s s e dm o r ea d v a n c e dp r o p e r t i e si no l l t p l l t d i s p l a c e m e n ta n df o r c e , a n de n e r g yt r a n s m i s s i o n b a s e d0 9t h et h e o r yo fi n e r t i ad r i v i n g , a p i e z o e l e c t r i cc y m b a la c t u a t o rm o v i n gi nl o m md i a m e t e r sw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e df o r t h ei n - p i p em i c r o - r o b o t , a n di t st h e o r e t i c a ld y n a m i cm o d e la n de x p r e s s i o no f s t a t es p a c ew e r e s c tu pb a s e do nt h ev i b r a t i o nt h e o r y t h r o u g ht h em o d ea n a l y s i sa n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n a n a l y s i s , t h em o v i n gm e c h a n i s mo f t h ea c t u a t o rw a se x p o u n d e d e x p e r i m e n t so nt h ea c t u a t o r a b o u tt h es p e e d , t h el o a dc h a r a c t e r i s t i c a n da d a p t a b i l i t yt ot h ep i p e sh a db e e nc a r r i e do u t , a n d t h er e s u l t ss h o w e dt h ea c t u a t o rh a da d v a n c e dk i n e t i cp r o p e r t i e s s e c o n d l y , i no r d e rt op e r f o r mt h em o v i n gp o s i t i o n i n gi nt h ec u r v e dp i p eo fl o n u ni n d i a m e t e r s ，as t y l eo fi n c h w o r m - l i k em o v i n gp o s i t i o n i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d , w h i c h a d o p t e di n c o r p o r a t ed e s i g no ft w op i e z o e l e c t r i cc y m b a la c t u a t o r sw i t ham e c h a n i c a l - c o n t a c t p o s i t i o n i n gm e c h a n i s m t h es y s t e mw a sd e s i g n e dt oh a v eh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c yb a s e d 0 1 1 t h eh i g hr e s l 】g ) n s eo f t h ea c t u a t o r s i nc o l l a b o r a t i o nw i t he x p e r i m e n t s ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s e x p l a i n e dt h ei m p a c ti n d u c e db yt h em e c h a n i c a lc o n t a c tw a sb e n i g nt oe r s u r et h eh i i g h p o s i t i o n i n ga c c u r a c y a l t h o u g ht h ei n c h w o r m - l i k em o v i n gp o s i t i o n i n gs y s t e m $ u e c c c d c di n t h ea p p l i c a t i o n , t h es t e pd i s t a n c ew a sh a r dt ob es m a l le n o u g ht oh a v eh i g h e rp o s i t i o n i n g r e s o l u t i o n t h e r e f o r e ，i nc h a p t e r5 ，at h e o r yo ft w o - d i m e n s i o n a lo p t i c a lp o s i t i o n i n gb a s e do n i n 佴 ，。1；t 翌：銮：堡土：2 鎏兰 o p t i c a ln a v i g a t i o nw i t hi t sm e a s u r e m e n tm e c h a n i s ma n dc o r r e l a t i v ea r i t h m e t i cw a sp r e s e n t e d ak i n do f t w o - d i m e n s i o n a lo p t i c a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma d o p t e dt h eo p t i c a ln a v i g a t i o nc m o s c h i p ，a d n s 一2 0 5 1 ，w a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db a s e do no p t i c a ln a v i g a t i o n t h es y s t e m c o u l do n l yb ea p p l i e di nm o r et h a n1 2 5 m mp i p e si nd i a m e t e r s e x p e r i m e n t so f d e m a r c a t i o n a n dm e a s u 他m e n tw a r ed o n e f i n a l l y , b a s e do nt h et w od i m e n s i o n a l m o v i n g t r a c t m e a s u r e m e n ta n dt h ep r i n c i p a ln o r m a lv e c t o ra n dt h ep n n c i p a lc u r v a t u r em e a s u r e m e n to f t h e p i p ea x i s ，am e t h o do fg e o m e t r i c a lr e c o n s t r u c t i o nf o rt h ep i p ew a sp u tf o r w a r dd e p e n d i n go n t h er e c u r s i v ea r cl e n g t hp a r a m c t c f i z a t i o na r i t h m e t i c ，w h i c hc o m p e n s a t e dt h ee r r o ro f p r i n c i p a l n o r m a lv e c t o rm e a s u r e m e n tc a u s e db yt h er o t a t i n go f t h ew h o l er o b o ts y s t e m t h r o u g hs e t t i n g i l pt h ea r i t h m e t i cm o d e la n da n a l y z i n go f t h ea r i t h m e t i ce x a m p l e ，i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e m e t h o dw a se f f e c t i v e k e yw o r d s ：i n - p i p em i c r o - r o b o t ；i n s p e c t i o n ；p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ；c y m b a l ；p o s i t i o n i n g ； g e o m e l n i cr e c o n s t r u c t i o n t h er e s e a r c hw l $ s p o n s o r e db yt h en a t i o n a lh i g h - t e c h r e s e a r c h d e v e l o p m e n t p r o g r a m ( 8 6 3p r o g r a m , 2 0 0 1 a a 4 2 3 1 3 0 ) i v ，c ， 学号1 q 2 q 墨q1 1 独创性声明 本人声明所旱交的学位论殳是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文_ r _ 不包含其 他人已经发表或撰写过的硎究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使_ ； j 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： p ，年佑月嵋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝望盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 删 撕繇彳，荔彩 签字日期：扣。r 年b 月 ；日签字日期：，j 年，。月哆日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 一i 模型重建问题，论述了开展空间曲线型微小管内机器人研究的意义。最后给出了本论文研究 的内容和目标。 1 1 引言 自从1 9 2 0 年捷克作家卡雷尔喳培克( k a r e lc a p e k ) 首次在他的幻象剧：罗 莎姆万能罗博特公司( “r o s s u m su n i v e r s a lr o b o t s ”) 一书中提到“机器人” ( r o b o t a 一一捷克语) 以来，制造一种机器代替人来为人类生产、生活服务的想法 深深扎根于人们的脑海。自上世纪6 0 年代初第一台机器人诞生至现在，只经过 了短短4 0 年的发展，但机器人技术已经发展为集力学、机械学、电子学、生物 学、控制论、计算机、人工智能及系统工程等多学科深入交叉的综合性高技术， 并已被公认为高技术领域内具有代表性的战略目标i i i e 机器人的出现和发展，不 但使传统的工业生产面貌发生了根本性的变化，而且必将对人类的社会生活产生 深远的影响。 随着机器人概念的不断深化和拓展，无论是作为一种出现在现代化生产中的 实际应用机器人，还是作为人工智能科学的一个研究对象并正处于实验阶段中的 机器人，都已经超脱了单纯模仿人的概念，而可以看作是某些方面远远超越人， 并能够代替人从事多种工作的高度灵活的自动化装各。从机器人应用角度划分， 机器人包括传统工业机器人和特种机器人。传统的工业机器人是一类根据预先编 制在存储装置内的操作程序自动地重复进行作业的机器人，其所处的环境为“结 构化”的制造环境；而特种机器人( 有些国家称之为极限作业机器人乜1 ) ，是工 作于非制造应用环境，替代人在危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，是辅助 完成人类无法完成或是具有危险性的作业的关键技术装备3 1 ，如空间与深海作 业、精密操作、在役管道内作业、生物医学科学仪器、反恐防爆与救灾等。特种 ，翌垩銮：望：竺鎏兰 机器人已成为世界公认的二十一世纪前沿技术之一，在能源、交通、海洋、航空 航天、生物、医疗、服务、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景。 微机器人( m i c r o r o b o t ) 作为特种机器人技术的一个重要发展方向和内容， 由于其体积小、能耗低，能进入传统机械难以进入的狭小空间进行精密操作，并 能方便地与m e m s 器件集成和接口，因而在现代科技领域得到了广泛的关注。微 型机器人系统由微驱动器、微控制系统、微执行器及传感器组成，按照尺度从小 到大可以分为三类：( 1 ) 纳米机器人( n a n o r o b o t ) ，其外形尺度在1 0 0 n i i l 1 0um 范围，应用于纳米研究及分子生物学领域；( 2 ) 微型机器人( m i c r o - r o b o t ) ，其外 形尺度在l opm i m m 范围，该机器人采用微加工技术制造，微驱动器、微传感 器及集成控制电路等均集成在一个硅片上；( 3 ) 迷你型( 微小型) 机器人 ( m i n i a t u r er o b o t ) ，其外形尺度在l 咖一l o o m m 范围，由于其产生的力与人做精 细作业的力比较接近，且在一般工业的微小作业空间应用广泛，因而该类机器人 成为当前研究的热点。微小管内机器人作为微小型机器人领域的重要研究方向之 一，在生物医学、化学工业、核工业、航空航天工业等领域中各种微细管道的检 测、探查和维护任务中发挥着至关重要的作用。虽然目前对在役大管道实施检测 和维修的常规管道机器人已经实现了工程化，但对以上诸领域中的微细管道的潜 入式检测和维护仍然存在着一定困难。因此，微型管内机器人作为工业狭小空间 作业微璎机器人和能进入人体或动物体内微型医疗机器人的典型代表，已经成为 国际微机器人技术领域的研究热点。 随着人们对生活质量关注程度的不断提高，近年来出现了一种引起各国研究 人员广泛关注的体内微创、无刨诊疗系统“”“1 ，它实际上是一种能够工作于人 或动物的血管、淋巴管及消化道内部的微型管内机器人。有些“微型机器虫”可 以在血管中自由运动，对人体血管进行探察和修复并清理血管中的脂肪栓塞；有 些微型内窥镜则可以进入人的消化道系 统，对人体消化道进行主动病理探查； 有的微型内窥镜系统做成胶囊形，包含 摄像头、电源、闪光灯、信号传送装置 等，如图1 1 所示。该机器人通过人的出瓣 吞咽及消化道的蠕动遍历整个消化道系 图1 - 1g i v e ni m a g i n e 公司m 2 a 内窥镜 、 1 _ ，il。i， - l 第一节堵论 统，采集信息诊断病情，并已经进入临床实用阶段1 7 | o 在化学工业、核工业、航空航天工业等领域，常常存在输送高压高流速物料 的细小管道。为了提奇这些管道的使用寿命，防止泄漏等事故的发生，研究开发 适合于刚性管道的微小管内机器人具有藿要应用价值。譬如，为了实施对有保温 层或无保温层管道内部及外部的缺陷的枪测，美国研制了m a g s t e e r 智能爬行系 统；为了对垂直及水平工业管道进行检测，加拿大研制了多级三足竖管爬行机器 人；俄罗斯针对工业管内人眼看不到的微小裂缝或缺陷的检测问题，研制了可 以在狭窄的管道中灵活翻身的管内移动筒式微型机器人坤1 。 针对各种不同微细管道，只对传统的大管道检测系统实行结构上的微小化将 难以实现对微细管道实施检测的功能要求。虽然理论上常规管道机器人可按比例 缩小实现微型化，但由于机械传动的间隙受加工精度的影响，传统加工势必造成 微型传动链误差累计，进而影响微管道机器人在狭小空间的作业及其控制精度。 采用超精密加工方法目前尚不能完全实现复杂的微细加工。因此，针对不同作业 环境需要研究具有创新性工作原理的微小管内机器人。这类微小管内机器人并非 普通管内机器人结构的微型化，而是指采用具有创新功能原理的可微型化的机 构、微型传感器，微型执行器以及信号处理和控制电路，便于进入微细管道空间 进行操作的机器人。它与微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 技术是紧密相连的。m e m s 的飞速发展，为微机器人技术提供了优越的技术平台“” 1 4 1 。美国国家自然科学基金会( n s f ) 和美国国防部先进研究计划署( d a r p a ) 都将m e m s 技术列为优先发展项目n ”。在欧洲，m e m s 技术业已成为前沿高科技， 得到了欧盟组织的大力支持。日本的微机械研究始于1 9 9 1 年，并在通产省资助 的“十年计划”中被列为工业科技的前沿项目之一，其中进入狭小空间作业的微 型机器人、能进入人体内腔的微型医疗机器人及微氆工厂成为了发展重点。我国 微小管内机器人技术起步较晚，基本处于国外先进技术水平的跟踪阶段，但随着 国家对m e m s 研究的高度重视，以及国家8 6 3 计划、国家自然科学基金委和国防 科工委的大力资助，我国在管内微小机器人技术领域开展了卓有成效的工作，其 中以哈尔滨工业大学、上海交通大学、上海大学及广东工业大学等为代表的院校 取得了一系列重要成果“”亿1 。 塑三盔差堡：兰堡竺耋 1 2 微小管内机器人技术研究综述 1 2 1 轮式微小管内机器人2 3 卜2 5 1 日本学者福田敏男、细贝英夫于1 9 8 6 年研制了一种可以通过“l ”行圆弧过 渡的管内移动机器人，该机器人行走机构分为头部和本体两部分，头部和本体部 分可以相对回转，如图l - 2 所示1 2 3 1 , 当机器人走直线管道时，本体上的电机m i 通过减速装置带动本体上的驱动轮转 动；当通过9 0 度弯管时，电机m 2 驱 动头部作姿态调整，同时驱动头部履 带，引导机器人通过弯管。该机器人适 应管径为q ) 5 0 m m ，速度为8 1 m m s 。 其缺点是只能前进和转弯，不可逆行。 图! - 2 轮式管内机器人 1 9 9 4 年日本东京工业大学的1 w a o h a y a s h i 等研制了一种基于螺旋驱动原理的微小管内机器人，其运动方式如图1 3 所示，可在0 2 5 4 m m 管道内自由移动，最大速度可达2 6 0 r n m s ，直管道最大牵 引力为1 2 n 阱，1 2 5 1 e 该微机器人主体周围的橡胶轮的轴线与基座轴线空间相交一 定侧偏角，可等效为螺旋角。当电机直接驱动时，机器人将在管道内以螺旋轨迹 前进和后退，其机理等同于螺纹传动。该机器人驱动单元由单元体、三个支撑臂、 三个小轮及三个螺旋线弹簧构成，如图l - 4 所示。通过调整驱动轮侧偏角的大小 可调节机器人的移动速度及牵引力。整个微机器人系统根据牵引力的需求，可设 置若干驱动单元，如图1 5 。为了解决微机器人过弯曲管道容易发生小轮与管道 内壁相干涉的问题，在微机器人的头部设计了柔性导引头，如图1 - 6 所示。 晨 图l - 3 螺旋轮式微机器人运动方式 图l - 4 螺旋轮驱动单元示意图 之、 ，lq-，s 第一奇绪论 嚣 图1 5 螺旋轮驱动系统图i - 6 螺旋轮微机器人 1 9 9 7 年1 w a oh a y a s h i 等对该机器人进行改进，使其可在q ) 2 0 m m ，长2 0 m 的 管道中移动，并增加了微型c c d 摄像机来进行管道内壁检测。1 9 9 9 年，该研究 导引头小组又与n e c 公司及k a n t o o lg i k e n 公司合作，对螺旋驱动单元作了改进， 使其具备了越障能力，顺利地通过了中1 0 0 m m 和q ) 7 5 m m 的管道连接处。 总体来说，这些轮式微小管内机器人多采用微小电机驱动机器人系统的主动 轮，使得主动轮与管道内壁产生摩擦力，从而带动机器人系统运动。这种驱动方 式由于采用了主动电机，能源的利用率较高，机器人系统的运动速度较高，但由 于其系统机械结构较为复杂，其整体结构的微型化能力难以提高，很难适应进一 步微细化的管道。 1 2 2 气囊驱动式微小管内机器人 1 9 9 4 年日本东京工业大学的1 w a oh a y a s h i 等研制了一种仿蚯蚓式微型管内 机器人“。该机器人为气囊驱动，可以模仿蚯蚓运动，通过主体分段地产生轴 向的伸缩来移动，如图l - 7 所示。该机器人包括三个驱动单元，每个单元由一个 柔性微型驱动器( f a m ) 和4 个铰链结构组成，如图1 8 所示。柔性微型驱动器 匿 图l - 7 仿蚯蚓微机器人运动方式 瓢 ，i-， 鍪；骤 浙江大学博十学位论文 连接两个铝制圆盘，圆盘四周等距安装4 个铰链机构，铰链机构中部具有支撑腿， 当柔性微型驱动器受到气压作用膨胀伸长时，会带动铰链机构膨胀而使支撑腿压 紧于管壁上。该机器人主体直径为2 5 m m ，长度为8 5 m m ，在管道中的移动速度 为2 2 m m s 。 1 9 9 5 年美国加州理工大学的a b s l a t k i n 等在m e d i w o r m 的基础上研制了 一种仿蚯蚓运动式的内窥镜系统1 2 7 1 0 该系统以压缩气体为动力源，驱动器采用 橡胶气囊，并分为伸缩驱动器和夹紧驱动器。夹紧驱动器如气球状，可沿管道径 向膨胀并紧贴肠道内壁给系统提供支撑力；伸缩驱动器位于夹紧驱动器之间，可 沿管道轴向交替伸缩使得机器人系统如蚯蚓般运动，其系统结构如图1 - 9 所示。 夹紧驱动器 。 。 摄像机 线缆及通气管路伸缩驱动器 图1 - 9 仿蚯蚓式气囊驱动管内机器人 1 9 9 6 年意大利的p d a r i o 等和比利时l c u v g n 大学的j p e i r s 等合作研发了一种 仿尺蠖式具有自推进能力的内窥镜系统1 2 1 1 1 0 该系统由机器人本体、控制系统和 微型检测及操作手三部分组成。系统的本体运动部分为三个气囊驱动器，其中一 个气囊驱动器产生轴向伸缩运动以推动机器人，另外两个气囊驱动器径向膨胀使 得机器人与肠道夹紧以产生摩擦力，系统驱动气体、检查及控制信号均通过管形 线缆与外部系统相连，其结构及运动方式如图1 1 0 及图1 1 1 所示。机器人头 图l l o 气囊驱动医用微型管内机器人 回国园国 围困圉圉 口噩塑口匪盈困 巫口医垂固 图1 l l 气囊驱动机器人尺蠖运动方式 岳 、 ；ol fi， t l j 第一牵绪论 部具有s m a 驱动的微型操作手和c c d 摄像机，以便对肠道进行检查和治疗。 该系统整体直径为中1 8 r a m ，运动为仿尺蠖运动，收缩时长5 0 m m ，伸长时为 8 0 m m 。 1 9 9 8 年j p e i r s 等对以上气囊式机器人系统进行了更为深入的研究，重点对 该机器人的驱动方式、与肠道内壁的夹紧方法及人机交互界面等方面做了改进 m 1 。针对肠道径向变形大，肠壁湿滑等特点，将气囊膨胀式夹紧驱动器替换为 真空抽气式夹持器，通过外部系统的真空抽气系统使得肠壁紧贴夹持器，以产生 移动所需的摩擦力，改进系统结构如图1 1 2 所示。 图1 1 2 仿尺蠖式自推进微型机器人内窥镜 气囊驱动式微小管内机器人系统，巧妙地利用气压实现了机器人系统的伸缩 动作或固持动作，由于其特有的气囊作用，可以使得系统变形范围大，单步行程 长，适用于管径变化范围大及柔性的工作环境，常用于生物医学领域中柔性管道 的检测。其缺点是需要携带通气的管路，而这种通气管路影响了机器人系统的运 动，使得系统总体行程受到限制。 1 2 3 压电驱动式微小管内机器人 日本m e t t e c 公司的h o k a m o t o 于1 9 9 3 年提出了一种基于压电驱动方式的 针形驱动器，后由t m a t s u o k a 等对其进行了微型化改进，并应用该驱动器研制 出一种基于压电振动原理的微小管内机器人“”“1 。该针形驱动器由8 片( 4 组) 压电陶瓷片、弹性金属片及触针构成，如图1 1 3 所示。当对这4 组压电陶瓷片 施加一定电压，就会使得弹性金属片变形并带动触针端部在x y 平面内移动， 从而产生驱动力。每4 个针形驱动器围绕内部驱动电路组成一个驱动单元，图 ，；， 浙江大学博 学位论文 1 1 4 显示了具有2 个针形驱动单元的微型管内机器人。该机器人需外部能量有线 输入，主体长4 9 m m ，质鼋为3 5 9 ，可在3 6 r a m 的管道内移动，其最大移动速 度为2 0 0 m m s ，最大驱动力为0 6 n 。 触针( 8 )内部驱动电路 图1 1 3 压电针形驱动器示意图图1 1 4 压电针形微型管内机器人 1 9 9 5 年，日本d e n s o 公司的t i d o g a k i 等研制了一种基于惯性冲击式驱动原 理的微型管内机器人”“，外观如图1 1 5 所示。该机器人采用压电陶瓷材料 制作微驱动器，微驱动器工作原理应用压电材料的逆压电效应，具有体积小动态 响应频率宽等特点。该机器人驱动单元由叠堆型压电陶瓷驱动器、弹性支撑腿和 惯性质量块构成，爬行机理如图1 1 6 所示。当给压电叠堆驱动器缓慢施加一定 圈1 - 1 5 压电叠堆微小管内机器人图1 1 6 惯性冲击驱动原理示意图 电压信号时，压电叠堆驱动器慢速伸张，此时惯性质量块的惯性力小于支撑腿与 管壁之间的静摩擦力，机器人静止，惯性质量块向前；当给压电叠堆驱动器快速 施加反向电压时，压电叠堆驱动器迅速收缩，此时惯性质量块的惯性力大于静摩 擦力，机器人则向前移动一步。重复这一过程可使机器人连续向前，同理施加反 向规律电压信号可使机器人连续反方向运动。该机器人可在e a s m m 弯管内爬行， - s 丽一 画图一皑。画￥ t 产 j 一 ，l z 第一童绪论 机器人本体直径中5 5 m m ，长2 0 m m ，质量为1 5 9 ，当驱动电压为1 0 0 v ，驱动频 率为4 k h z ，支撑腿与管壁摩擦力为0 2 1 n 时，爬行速度为1 0 m m s 。 由于叠堆型压电驱动器直接采用压电膜片层叠制成，存在电压位移l t d , 的缺 点，而且长时作业发热严重，并影响到驱动器的性能。1 9 9 7 年，d e n s o 公司的 n k a w a h a r a 等对压电叠堆式微驱动器进行了改进，采用双压电膜驱动器替代了 压电叠堆式驱动器“1 1 6 1 。双压电膜是一种压电材料和其它弹性材料复合的压 电元器件，目前多采用弹性金属膜片两面粘贴压电膜片的方式。压电膜片按照图 l 一1 7 所示极化方向粘贴于弹性金属膜片，当向双压电膜片施加电压时，便会产生 一边收缩。另一边伸张的变形。双压电膜驱动器的优点是：输出位移大，功耗小， 发热低，有效地改善了叠堆式驱动器的弊端。该微机器人仍采用惯性驱动方式， 主体长1 7 m m ，直径8 h i m ，质量为1 6 9 ，在驱动电压信号为2 0 v ，i k h z 时， 功耗为叠堆式驱动器的! 8 0 。而速度却提高了2 5 倍，其结构如图1 1 8 所示。 图l 1 7 双压电膜片变形机理 为了消除由于能量及信号线缆对系统 造成的不利影响，1 9 9 9 年d e n s o 公司对双 压电膜微理管内机器人做了进一步的改进， 采用了射频技术( r f ) ，用于机器人的无线 能量传送和无线通讯。机器人在原有结构的 基础上增加了无线收发装置和控制电路，其 中无线收发装置由检波电路和微波收发天 线组成。微波天线能够接收两种频率的微 波，其中2 2 g h z 的微波信号用于能量传递， 随蓠 麓加正电压状睿l i r a 负电压状吝 图1 1 8 双压电膜微型管内机器人 图i - 1 9 无线微型管内机器人 浙江大学博 学位论艾 2 4 g h z 微波信号用于无线通讯，如图1 1 9 。其控制电路包括锯齿波发生器和一 个逻辑可编程器件。该机器人的主体直径为0 9 5 m m ，长6 0 m m ，可在巾1 0 m m 直径的管道内移动。 基于惯性冲击式压电驱动原理，上海大学也研制了压电叠堆式4 ”“”和双压 电膜式微小管内机器人”。该压电叠堆式微小管内机器人采用了叠堆型驱动器， 利用压电纵效应实现惯性冲击驱动，并在机器人头部安装有形状记忆合金 ( s m a ) 操作手，通过温控电路实现央持动作，其结构如图1 2 0 所示。该机器 人的整体尺寸为0 9 8 r a m x 2 4 m m ，可在1 0 m m 管道中运动，速度为2 5 m m s 。 由于叠堆型驱动器输出位移量小的缺点，上海大学进一步研制了双压电膜片驱动 器，该驱动器利用压电横效应，使得金属膜片两面的压电膜片在电压的驱使下分 别产生收缩力和舒张力，从而使双压电膜片产生切变变形以形成驱动位移。该驱 动器由平衡体、行走本体和支撑腿三部分组成，如图1 - 2 1 所示。双压电膜片为 圆形，中心孔套装在芯杆上，双压电膜片的外缘由隔离套连接起来。当施加交变 电压时，双压电膜片产生弯曲变形，使得芯杆相对外缘轴向往复振动，在惯性质 量块的耦合下，使机器人沿管内运动。该机器人可在0 2 0 m m 管道内移动，速度 为l o 1 4 m m s 。 例1 - 2 0 压电叠堆微小臀内机器人图1 - 2 1双压电膜片微小管内机器人 由于压电驱动微小管内机器人利用压电功能材料的特殊的逆压电效应，有效 地将电能转化为机械能实现机器人系统的动力驱动。由于压电器件微型化潜力 大、结构简单、功率密度高、位移分辨率及频响高等优点，业已成为微型驱动器 的首选材料之一。以压电材料作为刚性管道作业环境下的微小管内机器人驱动部 件的方案被广泛采用。但由于压电材料的机械变形率较低，各种提高其机械变形 率的复合型压电材料的研究方兴未艾。 ，l l 第一章绪论 1 2 4 超磁致伸缩驱动式微小管内机器人 超磁致伸缩合金( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea l l o y ，g m a ) 在外磁场作用下，沿 磁力线方向产生伸缩变形的现象，称为焦耳现象。因此，利用焦耳现象，g m a 构成的电一机械能量转换器在磁场激励下可以产生外部位移和力的输出。通过对 比g m a 和压电晶体可以发现g m a 具有更为显著的力输出和位移输出，动态响 应也更快。因此，在某些方面作为微驱动器，g m a 比压电材料更具优越性。 表2 g m a 与p z t 性能参数比较 种类 能量密度( j n 2 )伸缩系数x1 0 击响应速度 重量能量 g m a2 2 5 0 0 6 0 0 01 6 5 m 之4 0 0n 螂2 o p 砑6 7 0 - - 9 5 06 0 0 1 2 0 0s7 8 1 9 9 0 年，日本东京工业大学的h i d e m ih o s o k a i 等研制了一种基于g m a 驱动 的微型管内机器人啪t l s l l 其直径为中2 1 m m ，利用振动实现行走，如图1 2 2 。 该机器人有1 6 个振动腿，在外部磁场的激励下产生振动，如图1 2 3 所示，并通 过放大装置将g m a 输出位移放大到振动腿的顶部。振动腿与管壁形成一定倾角， 改变倾角方向可实现反方向行走。 “ 该机器人采用的g m a 材料虽然比压电材料的伸缩系数有较大程度的提高， 且不需能量输入线缆，但能量及运动控制均依靠管道外部的外加磁场，这样便制 约了其应用的范围。 图1 - 2 2 磁致伸缩微型管内机器人图1 - 2 3 磁致伸缩机器人振动腿 1 2 5 记忆合金( s m a ) 驱动微小管内机器人 日本学者l k u t a 于1 9 8 8 年提出了适用于人体体腔的柔性管道的微机器人的概 念，并同时研制出一种采用形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y , s m a ) 驱动器 的用于人体体腔检查的微小管内机器人m e d i w o r m ”1 。该机器人采用了s m a 的电阻反馈控制的方法，避免了 s m a 驱动器在开环控制时，由热 流扰动造成的运动不稳定。该机 器人由5 段驱动器组成，结构如 图1 2 4 所示，直径为m 1 3 m m ， 总长2 1 5 m m ，总质量为3 2 9 。该 装置由操作人员通过人机界面进 行交互操作。 图1 - 2 4s m a 医用微型管内机器人 上海交通大学也研制了一种基于形状记忆合金( s m a ) 的仿蚯蚓微小管内机 器人嘲。该机器人由四节柔性单元组成，每节采用s m a 和弹簧片分别模拟蚯蚓 的纵向肌和环向肌，当纵向肌收缩，单元变得短粗：当环向肌收缩，单元变得细 长。当交替对每节s m a 进行加热和 冷却，就可以实现单元的交替变形使 得机器人完成爬行动作，如图1 2 5 所示。 形状记忆合金是一种优良的功能 材料，随着温度的变化其形状产生变 化。作为微型驱动器具有位移输出大 等优点，但同时因为s m a 的冷却速 度限制，作为驱动器存在着运行速度 相对较慢的缺点。 1 2 6 电磁驱动式微小管内机器人 亚至五 图1 - 2 5s m a 蠕动管内机器人 广东工业大学研制了一种电磁力驱动的仿尺蠖微小管道机器人，该机器人主 要由电磁驱动器、磁性腿、弹簧和平衡质量块等部件组成，其尺寸为巾8 m i n x 2 0 m m ，可在1 0 l s m m 的管道内爬行“”“。其结构如图1 2 6 所示，初始状 态时，两个电磁驱动器和两个磁性腿分别通电，驱动器相互吸合，平衡质量块处 于平衡位；当驱动器l 断电时，弹簧l 将驱动器l 向前推动；驱动器2 断电，驱 动器l 通电，平衡质量块被驱动器1 吸合，弹簧2 伸长；驱动器1 断电，驱动器 # 第一章绪论 2 通电，驱动器2 在平衡质量块的作用 磷 下向前移动；驱动器l 和驱动