（机械电子工程专业论文）基于sma驱动的仿蚯蚓蠕动式微型管道机器人的研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 微型管道机器人作为细小管道的一种有效的检测工具已经在工业、医疗 等领域有了越来越广阔的应用空间。蠕动式机器人由于驱动方式较多，负载 能力强，动作可靠且易于微型化，近年来成为微型管道机器人领域研究的热 点，但是传统的s m a 蠕动式微型管道机器人具有步距较小，速度较低且难 以实现转弯运动等缺点。 本文针对以上问题设计了一种基于s m a 的蠕动式微型管道机器人。该 机器人由多个相同模块组成，通过各模块之间的有规律的伸缩以及运动表面 的摩擦力实现仿蚯蚓的蠕动式运动。机器人由并联式s m a 驱动器驱动，可 以提供较大的步距和牵引力。并联式s m a 驱动器由3 根s m a 弹簧构成，不 仅可以实现机器人的水平运动，也可以实现机器人的转弯运动，适合在柔软、 狭窄的环境下运行。该机器人采用一种新的控制方式，可以克服传统s m a 蠕动机器人伸长速度较慢的缺点，提高了机器人的运动性能。 本文的主要工作包括：机器人运动机制的确定，蠕动式机器人各种驱动 方式的比较；s m a 驱动器的特性分析及s m a 弹簧驱动器的设计：机器人的 本体制作及其驱动电路的设计和控制方法的改进。最后，本文对机器人的性 能进行了一系列相关实验和分析，分别测试了机器人在平面上的直线运动， 机器人在平面上的偏转运动，机器人在斜面上的运动以及机器人在管道中的 运动。通过实验结果的分析，验证了本文设计制作的机器人具有较好的运动 性能。 关键词：微型机器人：管道；形状记忆合金；蠕动式 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t a se f f e c t i v ed e t e c t i o nt o o l sf o rs m a l lp i p e l i n e s ，m i c r oi n p i p er o b o t sh a v e m u c hb r o a d e ra p p l i c a t i o ns p a c ei nt h ei n d u s t r ya n dm e d i c a lf i e l d s p e r i s t a l t i c r o b o t sh a v eb e e nt h eh o t s p o ti nt h em i c r oi n - p i p er o b o tf i e l d si nt h er e c e n ty e a r s b e c a u s eo ft h e i rv a r i o u sd r i v i n gm o d e s ，s t r o n gl o a dc a p a c i t y , r e l i a b l ea c t i o na n d e a s ym i n i a t u r i z a t i o n h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a ls m ap e r i s t a l t i c m i c r oi n p i p e r o b o t sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lp a c e ，l o wv e l o c i t y , n o ta b l et o m o v e i nt h ec u r v i n gp i p e sa n ds oo n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m se x i s t e d ，an e wt y p eo fp e r i s t a l t i cm i c r oi n p i p e r o b o tb a s e do ns h a p em e m o r ya l l o ya c t u a t o ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h er o b o t i sm a d eu po fm a n ys a m em o d u l e sa n dc a nr e a l i z et h ep e r i s t a l t i c m o t i o n m e c h a n i s mi m i t a t i n ge a r t h w o r mt h r o u g ht h er e g u l a re x p a n s i o n sb e t w e e nd i f f e r e n t m o d u l e sa n df r i c t i o n so nt h em o v i n gs u r f a c e t h er o b o ti sd r i v e nb yp a r a l l e l s h a p em e m o r ya l l o ya c t u a t o rw h i c hi sm a d eu po ft h r e es m as p r i n g s i t c a l l s u p p l yb i g g e rp a c e ，d r a f tl o a da n dm o v ei nb o t h h o r i z o n t a lp i p ea n dc u r v i n gp i p e i ti ss u i t a b l ef o rt h es o f ta n dn a r r o we n v i r o n m e n t t h er o b o ta d o p t si m p r o v e d c o n t r o l l i n gm e t h o d i tc a no v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fl o we x t e n s i o nv e l o c i t y i nt h et r a d i t i o n a ls m a p e r i s t a l t i cr o b o t sa n de n h a n c et h em o t i o np e r f o r m a n c e t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ra r et h em o t i o nm e c h a n i s md e t e r m i n a t i o n ， c o m p a r i s o no fd i f f e r e n td r i v i n gm o d e si np e r i s t a l t i cr o b o t s ；a n a l y s i s o fs m a a c t u a t o rc h a r a c t e r i s t i c sa n ds m as p r i n ga c t u a t o r sd e s i g n ；r o b o tf a b r i c a t i o n ， d r i v i n gc i r c u i td e s i g na n dc o n t r o l l i n gm e t h o di m p r o v e m e n t t h el a s tp a r to f t h i s p a p e ri sa s e r i e so fe x p e r i m e n t sf o rt h er o b o tp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gm o t i o n so n f l a ts u r f a c e ，o ni n c l i n e dp l a n ea n di nt h ep i p e l i n e i tc a nc o n c l u d et h a tt h er o b o t d e s i g n e da n df a b r i c a t e di nt h i sp a p e rh a sg o o dm o t i o np e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m i c r or o b o t ；i n - p i p e ；s h a p em e m o r ya l l o y ；p e r i s t a l t i c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：断勿 日期：孙胡年弓月? 日 ， 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 眨名 导师( 签字) ： 乃酬 日期：2 明年多月) 日2 卵7 年弓月) 日 l l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 现代机器人出现于2 0 世纪中期，当时数字计算机已经出现，电子技术也 有了长足的发展，在产业领域出现了受计算机控制的可编程的数控机床，与 机器人相关的控制技术和零部件加工有了扎实的基础。美国原子能委员会的 阿贡研究所于1 9 4 7 年开发了遥控机械手，1 9 4 8 年又开发了遥控式的主从机 械手。1 9 5 4 年，美国的d c d e v o l 提出了一种“通用重复操作机器人”的方案， 并申请了专利。后来，在此基础上，d e v o l 与e n g e r l b e r g e 合作创建了u n i m a t i o n 公司，并于1 9 6 2 年生产了第一台机器人u n i m a t e 。在d e v o l 申请专利到真 正实现设想的8 年间，美国的机床与铸造公司( a m f ) 也在从事机器人的研究， 并于1 9 6 0 年生产了一台被命名为v e r s a t i a n 的圆柱坐标型的数控自动机械， 并率先以i n d u s t r i a lr o b o t 的名义进行宣传。通常认为这是世界最早的工业机 器人。 随着6 0 年代微电子机械系统( m e m s ) 科学与技术的发展，微型机器人技 术( m i c r or o b o t i c s ) 应运而生，成为m e m s 研究的一个重要方向与内容2 1 。成 千上万的电子元件得以在很小的空间内集成，人们开始设想将微型传感器、 微处理器、微执行器等器件在很小的空间内进行集成，组成微型机电系统或 微型机器人。微型机器人的研究方向可以归纳为三个方面：( 1 ) 微操作机器人 技术例：( 2 ) 微定位机器人技术【4 1 ；( 3 ) 微型机器人技术口捌。 研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重的劳动和简单的重复劳 动，以及替代人到危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核 工业领域得以应用。在自来水供应、煤气供应、飞机、潜艇、石油天然气、 核发电站等环境中存在着大量人类无法进入的微细管道和危险区域。这些管 道在经过一段时间的腐蚀和重压后，会出现裂纹、漏孔等现象。如果这些管 道发生泄漏，将导致无法预计的损失和危害。为提高管道的寿命、防止泄漏 等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护，管道机器人为满足该需 哈尔滨- 程大学硕十学位论文 要而产生。随着机器人技术的不断发展，工业领域中的管道机器人逐渐发展 壮大。 随着7 0 年代电子技术、计算机技术和自动化技术的发展和进步，国外的 管道机器入技术于9 0 年代初得到了迅猛发展，并接近于应用水平1 。日本学 者t m o r i m i t s u 等人于1 9 8 7 年成功研制了一种振动式管内移动机器人僵一0 1 ，其 工作原理是在机器人的外表面装有若干与机器人本体成一定角度的弹性针， 靠弹性针的变形使管道机器人压紧在管道内壁上。随着m e m s 技术的发展， 微型管道机器人成为管道机器人领域中一个重要的分支。微型管道机器人是 一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械， 在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、 仪一体化系统。 我国对于管道机器人的研究已有二十余年的历史。哈尔滨工业大学的邓 宗全等人早在1 9 8 7 年就对管内行走机构进行了较深入的研究。虽然我国微型 管内机器人的研究起步较晚，但渐渐得到了重视，以上海交通大学、上海大 学、广东工业大学为代表的院校在国家8 6 3 计划和国家自然科学基金委的资 助下，开展了卓有成效的工作，取得了一系列的成果” 哺1 。 1 2 微型管道机器人的发展现状 微型管道机器人是微型机器人领域的一个重要的研究方向，主要包括用 于发电、化工、制冷等行业中的细小管道检测的刚性管内移动的微型机器人， 以及能进入人的肠道的机器人式内窥镜柔性管内移动的微型机器人。使用微 型管道机器人可以提高管道检测的效率和精确度。用于医疗领域的微型管道 机器人利用人体管腔和液体介质在人体内部行走，以实现诊断、治疗和手术 等，可以大大减轻或消除目前临床上广泛使用的各类内窥镜、内注射器、内 送药装置等医疗器械给患者带来的严重不适及痛苦，减少对人体其它完好组 织的伤害，缩短康复时间消除手术引起的副作用，降低医疗费用，减轻患者 的生理痛苦和医疗人员手术操作时的心理压力。 目前，世界各国正积极地开展机器人微小型化的研究。美国政府早在 1 9 8 7 年就拨款1 0 0 万美元支持八所大学从事此方面的研究，1 9 8 8 年又追加到 2 0 0 万美元的研究经费，1 9 8 9 年更是一次性拨款给麻省理工学院2 0 0 0 万美元 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用于相关设各的研究。在美国之后，1 9 9 1 年同本通产省资助的“十年计划” 共拟定三个研究方向：电厂高级维护系统、微型工厂及医疗用机械”。重点 发展能进入狭小空间作业的微型机器人，能进八人体内腔的医疗微型机器人， 以及微型工厂。这项计划共投资2 5 0 亿开元，2 4 家企业、2 大基金和3 个国 家实验室参与。欧洲共有3 0 余个微机电系统研究机构，从1 9 9 3 年起每年投 入约4 0 0 0 万美元。我国从1 9 9 1 年开始把微机电系统列入国家自然科学基金 的资助范围，每年投，入大约5 0 万美元，1 9 9 6 年开始列入“8 6 3 ”计划。 目前，微型管道机器人的驱动方式大致有以下几种8 ：微型电机驱动、 压电驱动、形状记忆合金( s m a ) 驱动、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁驱动、 橡胶驱动、电流变液驱动、热力驱动、光驱动、静电驱动、微波驱动、超声 波驱动、超导驱动、金属氢化物驱动等。由于本文侧重于基于s m a 驱动的 仿蚯蚓蠕动式微型管道机器人的研究，所以关于s m a 驱动的微型管道机器 人的发展现状会在后面详细介绍。 ( 1 ) 微型电机驱动 德国g m d 智能自动控制学院研制出直流电机驱动的接近蛇的运动原理 的机器人8 ”( 如图11 所示) 。该蛇形机器人由五个相同单元组成，单元和单元 之间用二自由度的万向节连接。头部装有两个用于探测障碍的超声传感器和 一个带有发送器的c c d 摄像头，可在远程屏幕上监控拍摄到的画面。每个 单元上有三个5 w 的直流龟机通过钢索独立控制万向节的位置。为在技术上 实现与蛇等效的运动在蛇形机器人的每个单元安装了一圈轮子，由每个单 元的一部额外的直流电机驱动，以使每个单元能够控制各自的驱动力。驱动 直流电机的电池组装在机器人的尾部。电驱动部分由微处理器集成，各部分 之间通过c a n 总线通信。 图1 1 蛇形机器人结构图 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 2 ) 气动驱动 浙江大学提出了一种新型气动微型管道机器人田1 。该机器人由导引杆， 两个作为机器人的脚的双活塞单作用式气缸和一个作为躯体的单作用式气缸 组成。三个气缸构成了机器人的驱动和支撑机构。充气时双活塞单作用气缸 的活塞可以撑开，顶住管子内壁，单作用气缸活塞伸长，实现机器人的前进 运动。 上海大学研究了采用气动方式推进的管道机器人球引，如图1 2 所示。机 器人移动机构由3 个模块组成，前后端为把持模块，中间为伸缩模块。把持 模块采用医用细胞采集器中的乳胶气囊，伸缩模块采用波纹管。3 个模块为 相互隔离的气腔，通过3 个独立的出口与动力气路系统相连。波纹管兼有气 囊和弹簧的作用，充气后伸长，排气后缩短。机器人最大运动速度4 8 2 m s 。 气囊气瞰支撑体波纹臂接头 图1 2 气动方式推进的管道机器人 ( 3 ) 磁致伸缩驱动 磁致伸缩驱动是利用磁致伸缩合金的伸缩原理，即对磁致伸缩合金通外 加磁场，磁致伸缩合金的电磁方向为j l - ；d n 磁场方向，沿磁场方向伸长，沿垂 直于磁场的方向收缩。采用磁致伸缩合金驱动，不仅能使机器人在微型管道 内运动，而且实现了机器人运动的无线驱动。 日本名古屋大学福田敏男教授等人用巨磁致伸缩材料( g m a ) 制作了 4 0 m m x l o m m x 2 m m 的微型管道机器人【2 们，在交变磁场的激励下能够实现前进 和后退。巨磁致伸缩材料是一种在交变磁场中长度会发生伸长和缩短的智能 材料，在巨磁致伸缩棒的侧面安装上具有一定倾角的腿，当施加外部交变磁 场时，巨磁致伸缩棒的变形被放大，并依靠腿尖与管道内壁的碰撞实现移动， 移动方式如图1 3 所示。实验表明移动方向与腿的倾角方向相反，并可以通 过控制加外部电磁线圈上的电流来改变；移动速率与外磁场激励频率有关， 在一定频率范围内随着频率的增加而增大。 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 留留 醪酗 窜日 图1 - 3g m a 微型管道机器人的移动模式 ( 4 ) 电磁驱动 放在磁场中的载流导体要受到洛仑兹力：，= 侣s i n 口。其中，j 为电 流强度，b 为磁场强度，三为导体长度，口为磁场方向与电流方向的夹角， 安培力f 的方向垂直于b 与，所决定的平面。利用这一原理可以制造电磁驱 动器。 日本香川大学和名古屋大学研制出采用电磁驱动的管道水下机器人b 扪， 如图1 4 所示。电磁驱动的工作原理为：线圈产生平行于前进方向的交变的 电磁场，永久磁铁产生的旋转振动作为推进驱动力。永久磁铁驱动弹性鳍摆 动，在身体的前半部分产生旋涡，推动身体后半部分摆动前进。运动的加速 度取决于产生旋涡的身体部位。转弯或加速时，在尾部产生螺旋旋涡。通过 改变电流的频率改变微型机器人的运动速度。 移 电磁区域 图1 4 电磁驱动管道水下机器人的结构及其运动原理 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 另外，上海大学研制了一种电磁式微型机器人拉6 ，外形尺寸 1 5 m m x 3 0 m m ，自重2 5 9 ，它可以在直径2 0 m m 金属管内爬行，当所加电压 1 6 v 2 0 v ，频率3 0 h z - 7 0 h z 时移动速度可达到6 r a m s 8 m m s ，并具有垂直 爬坡能力。 ( 5 ) 压电驱动 压电元件用于微型机器人的动力源通常有两种驱动方式：一种是利用其 动态响应快的特点，作高频振动，利用振动作为驱动源；另外一种是利用驱 动力大、精度高的特点，利用驱动位移或力作为驱动源。 图1 5 所示的微型管道机器人由双压电型驱动元件和四块弹性翼片组成 弘”。当频率为双压电元件的共振频率电源加到驱动元件时，双压电驱动元件 发生共振，由于弹性翼片与管道内壁的动摩擦作用，会发生驱动元件的滑动， 左边的动摩擦力小于右边的动摩擦力时，双压电元件( 机器入主体) 向左运 动。反之亦然。 一饿 墨j 图1 5 基于压电元件振动的微型管道机器人 ( 6 ) 应用离子交换聚合薄膜( i c p f ) 驱动 日本香川大学的郭书祥等人用i c p f 高分子驱动器制作了一种水中微机 器人口引，其结构模仿鱼的形状，如图1 6 所示。机器人由木质本体，一对分 别由i c p f 执行器驱动的尾部，提供i c p f 能量的电源引线组成。该机器入可 实现向前、左转或右转的功能，具有一对驱动翼，由脉冲电压驱动而产生推 进力。实验证明，通过改变脉冲电压的频率可控制微机器人在水中游泳速度： 该研究适用于开发具有柔软性、低电压驱动的管道内和体内的微机器人。 6 坠垒堡；! ；垒垒兰堡圭兰2 垩耋圣 b u o y a n c y 喇r 1 劳一。篾v i 。f lj c p f a 墨 ， 、l c “b ) 图16i c p f 材料仿鱼型机器人 本文研究的是基于s m a 驱动的仿蚯蚓蠕动式微型管道机器人。形状记忆 合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，s m a ) 是指具有一定初始形状的台金在低温下经塑 性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初 始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形 状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ，s m e ) 。形状记忆合金作为一种特殊的新型 功能材料，是集感知与驱动于一体的智能材料，因其功能独特，可以制作小 巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目，并获得了广泛应用。 s m a 驱动就是利用形状记忆合金的特点，通过直接给s m a 通电，实现 控制温度，从而控制s m a 的长度变化。通过对s m a 元件的通电控制，微型 机器人能在空间三维方向根据管道的弯曲而弯曲成所需要的角度。 ( a ) s m a 蠕动式机器人 上海交通大学秦昌骏等人设计了一种基于s m a 的微小型蠕动机器人“”， 如图17 所示。利用并赋式s m a 驱动器的收缩与舒张运动输出力和位移，轮 式滚动移动，车轮逆向锁定机构控制运动方向，实现了微型机器人的蠕动式 前进。它的车体尺寸为4 5 r r l m x l 5 m m x 3 0 m m ，净重只有2 0 9 ，行走速度可达 5 0 m m r a i n ，可通过坡度小于3 0 度的管道。 图17s m a 蠕动机器人 上海交通大学还开发了立方体型管道蠕动机器人”( 如图18 所示) 。 该管道机器人的外观呈正方体型，由位于正方体棱边处的十二个尺寸相同的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s m a 直线驱动器和位于顶点处的八个尺寸相同的支撑脚连接而成。脚上3 个带沟槽的圆形平面互相垂直，从而构成支撑脚之间的s m a 驱动器的装配 面，其它部分为球面。支撑脚的这种结构能够保证机器人沿空间6 个方向中 的任一方向运动时，管壁与脚之间都是弧面接触，同时确保机器人同一端面 的四组s m a 驱动器与管壁之间产生的反作用力都是匀称的，运动中可控性 好。机器人可在2 英寸管道内实现前后、上下、左右全方位蠕动，其最大速 度为1 0 m m s 。 图18 立方体型管道蠕动机器人 韩国理工学院研制了s m a 驱动的仿蚯蚓微机器人”“，该机器人由s m a 弹簧驱动器和硅波纹管组成，如图19 所示。s m a 驱动器和波纹管可以仿照 蚯蚓肌肉的收缩和伸长，使机器人在无缆供电的情况下能自由运动。该机器 人采用电池供电，速度为1 0 m m m i n 。 图19s m a 仿蚯蚓机器人 法国b e s a n e o n 自动化实验室的t o u a i b i a 等人研制了一种由s m a 驱动的 微型管道机器人9 ”，如图11 0 所示。该机器人可以在直径为1 0 r a m 管道内移 曰壁 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动，机器人的中心单元由s m a 弹簧驱动。在中心单元上呈1 2 0 。放置的三条 腿组成每个支撑单元。每条腿由一个s m a 丝驱动。当每个支撑单元的三个 s m a 丝被同时加热时，机器人的腿部结构就会弯曲，支撑单元与管壁之间的 接触被破坏：当停止给三个s m a 丝加热后，腿部结构就会扳直成原来的形 状，支撑单元与管壁再次接触。 图11 0s m a 驱动的蠕动式微型管道机器人 意大利微型工程研究中心的a m e n c i a s s i 等研制了s m a 驱动的仿生蚯蚓 ”，如图11 1 所示。这种仿生蚯蚓利用s m a 弹簧作为致动器，出4 个串行 的模块组成。每个模块由一条s m a 弹簧驱动，前后两端的黄铜板作为向s m a 通电的导体，又将s m a 与蒙皮连接起来，实现力的传递。s m a 通电收缩， 模块变形缩短；s m a 断电冷却，模块在弹性蒙皮回复力的作用下恢复到初始 状态。各个模块顺序运动，仿生蚯蚓便可实现爬行。以利用1 0 0 i j t m 丝径的 t i n i 合金弹簧驱动的仿生蚯蚓为例，电流为6 0 0 m a 时，爬行频率为04 7 h z ， 速度为o2 2 m m s ，与真实蚯蚓相接近。通过爬坡试验，测得晟大爬行力为 58 m n 。 黼蝌附 图11 1s m a 仿生蚯蚓机器人 鞴繁娥f瓣黼瓣川迭匿孥 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o ) s m a 泳动式机器人 美国东北大学的j a y e r s 等研制了s m a 驱动的仿生七鳃鳗”“”，如图】1 2 所示。七鳃鳗的游动方式为鳗行式o 1 。鳗行式的推进效率与波的传播速度 有关，波的传播速度越大，推进效率就越高。如果用电机来实现这种游动方 式，势必需要多个电机或者变速装置，使结构复杂。而仿生七鳃鳗利用s m a 作为致动器，结构简单。它由树脂玻璃罩、柔性躯体和小型弹性尾巴组成， 并由神经网络控制。树脂玻璃罩中装有电源，控制系统及罗盘、倾斜仪、声纳 等传感器。柔性躯体由s m a 致动器、聚四氟乙烯椎骨、l y c r a t m 合成弹力 纤维蒙皮和硬泡沫浮力元件构成。 裁獭畦鞠霉鬟燕墨俸 彝挂恳巴 图11 2 s m a 仿生七鳃鳗 美国弗罗里达工业大学的n s h i n j o 等根据动物的弹性机制，提出了s m a 驱动的尾鳍摆动推进的仿生鲣鱼设想”，如图11 3 所示。 图11 3s m a 仿生鲤鱼 弹性机制是指动物在运动时，弹性纤维吸收并保存执行机构( 如腿、尾 鳍等) 惯性力所做的功，并在下一个动作循环中释放，以减小能量消耗，提 高运动效率。浚机器鱼的s m a 丝驱动的执行单元模仿红肌纤维。红肌纤维 含肌红蛋白和细胞色素较多，肌原纤维较少，在运动时收缩较慢，爆发力弱， 但能持久耐劳，适合稳定的运动。s m a 连接在两个碟形的刚性片上，向后形 成v ”型。靠近尾部的几个s m a 直接连接到尾巴上。刚性片连接在弹性脊柱 上。仿生腱利用高弹性模量材料制成连接着刚性片和脊柱。每个s m a 致 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 动器都有独立的驱动电路。s m a 按照一定顺序通电加热和冷却，通过微处理 器控制s m a 的动作时间和周期，从而控制尾鳍摆动的角度，实现不同的游 动模式。这种机器鱼模拟红肌纤维实现稳定游动，并利用弹性机制提高效率， 有效地利用了s m a 的长处，简化了结构。 ( c ) s m a 足式机器人 上海交通大学研制了s m a 微型六足机器人口叫们。该机器人躯干分为两层， 每_ 层上各自连接3 条腿，两层躯干之间通过转动副连接，发生相对转动时就 导致整个躯体变形，所以称之为双层柔性身体关节h 。采用双层柔性身体关 节，并采用组合偏动式s m a 驱动器驱动，占用空间少，结构简单，同时能以 较少的自由度和驱动器来实现微型机器人的全方位运动。 机器人结构如图1 1 4 所示，三叉支架一和支架二是相互平行的，支架一 通过固定在支架二上的1 根轴与其套接在一起，任一支架可绕另一支架相对 转动。2 个支架分别各与3 块基板固连。6 条腿则分别通过各块基板边缘的转 动副与其相连。起转向作用的s m a 弹簧和普通偏动弹簧分别安装在机器人 两端的基板之间。s m a 采用通电加热，每次能原地旋转1 5 度左右。但是， 由于s m a 丝绕制成弹簧，断电后冷却较慢，完成一个转弯动作需时1 5 s 作 用。 图1 1 4s m a 微型双三足步行机器人 美国东北大学研制了仿生龙虾h 2 1 ，能够通过遥控操作或者预编程操作。 它的8 条腿由s m a 丝驱动，每条腿由俯仰关节、屈伸关节和与躯体相连的 摆动关节组成【4 ”。s m a 为直径2 5 0 9 m 的t i n i 合金丝，由聚四氟乙烯包裹实 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 现绝缘。s m a 丝用电流加热后收缩，驱使腿动作。利用k e v l a r 制成的仿生 腱在s m a 丝冷却时将关节复位。j a y e r s 等通过研究龙虾运动行为建立了1 1 种动作的行为库，。并结合神经网络对仿生龙虾实施控制。 1 3 微型管道机器人面临的挑战 ( 1 ) 基础驱动方式 微型管道机器人常用的驱动方式有着各自的优缺点。电机驱动原理简单， 但需有减速装置m 1 ；压电驱动有较高的位移分辨率和控制精度，而且具有响 应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，但是它所需的驱动电压 较高、输出位移量小”；形状记忆合金驱动体积小、结构简单、动作柔性好、 控制方便、不易受周围环境( 温度除外) 的影响，但是s m a 微驱动器的响 应速度较慢，提高其反应速度，需外加冷却系统；橡胶驱动需要导气管，在 管道中绕几圈后，气就难以输送；电气驱动的尺寸与驱动力难以满足要求； 电磁型驱动器结构原理简单、控制方便、性能稳定、输出力大等优点，但是 这种驱动器的体积较大、能量消耗较大；静电驱动结构简单、控制方便、效 率高、功耗小、响应速度较快，适于集成化制造，但存在着输出的力小，以 及驱动电压高等缺点；热膨胀驱动器最大的优点就是它具有很大的输出力和 输出位移，但是它的响应频率较低。 因此，选择适当的驱动方式对于微型管道机器人的性能至关重要，既要 使机器人在弯管( 包括垂直管道) 行走中有足够的摩擦力克服重力，又要提 供足够大驱动力来克服各种阻力。 ( 2 ) 移动机构的设计 首先要保证微型机器人在弯管和管道分叉处能够j l 颐, n 通过。如何找到一 种既能提供较大牵引力又快速灵活、可靠性高的驱动方案是值得仔细研究的。 另外，还要注意考虑移动机构的小型化，尽量使其结构新颖且便于控制。 ( 3 ) 能源供应和控制 目前微型管道机器人的能源供应可分为有缆和无缆两种方式。无缆方式 大多采用电池供电。电缆供电对于机器人的移动会产生限制，现已很少使用。 电池供电也往往由于其体积和容量限制不能满足机器人的作业要求。控制方 面，由于光波、微波、电磁波方向性太强而不适用，从而使之能采用仿生物 1 2 哈尔滨工稗大学硕+ 学位论文 式的小智能自律行动控制。另外，微机器人在金属管道中作业，金属具有电 磁屏蔽作用，无线通讯方式下的机器人的测量信息会衰减或屏蔽。 ( 4 ) 传感器技术 对于管道内部这类非结构化环境，单一的传感器难以达到微型管道机器 人作业的要求。经过多年实践，人们已经意识到多传感器融合技术的重要性。 由于微型管道机器人的体积的限制，对于微型传感器技术也有了更高的要求。 ( 5 ) 自主能力 在管道内部这样的复杂环境中，微型管道机器人要完成检测、维修作业， 其自身定位及环境的识别能力是关键，因此微型管道机器人具有一定的自主 能力是非常必要的。这不仅能减轻操作人员的负担，也可减低机器人在管道 内发生故障后无法自救的危险。可以通过丌发微视觉系统，提高微图象处理 速度，采用神经网络及人工智能等先进的技术来解决控制系统的高度自治。 ( 6 ) 可靠性问题 微型管道机器人最终目标是要实现在生物医学及核电站等重要领域的应 用，其可靠性显得尤为重要，因此要求机器人能适应复杂管内环境，并具备 故障排除能力，能保证作业的可靠性和精确性。 1 4 本课题的研究内容 1 2 节介绍的s m a 蠕动式机器人普遍存在以下问题：首先是步距很小。 大多数机器人所采用的驱动器都是s m a 直线驱动器，其输出位移量等于 s m a 驱动器的长度变化值，其长度变化范围有限；其次是速度很低。大多数 机器人采用自然冷却方式对驱动器进行冷却，冷却过程会花费较长的时间， 这会导致机器人的运动性能受到严重影响。另外，由单根s m a 弹簧驱动的 机器人负载能力较小，且很难实现机器人的转弯运动。 本文针对以上问题提出了一种基于s m a 驱动的仿蚯蚓蠕动式微型管道 机器人。该机器人由并联式s m a 驱动器驱动，可以提供较大的步距和牵引 力。并联式s m a 驱动器由3 根s m a 弹簧构成不仅可以实现机器人的水平 运动，也可以实现机器人的转弯运动。该机器人采用一种新的控制方式，可 以克服传统s m a 蠕动机器人伸长速度较慢的缺点，提高了机器人的运动性 能。本课题的主要研究内容如下： 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ( 1 ) 阐述课题研究的目的和意义，简要介绍微型管道机器人的发展现状， 重点介绍s m a 驱动的微型管道机器人，即本课题的研究背景；根据微型管 道机器人的发展现状总结微型管道机器人的研究所面临的挑战。 ( 2 ) 对蠕动式机器人的优势及蚯蚓的运动机制进行探索，确定并分析本 课题所采用的运动机制。 ( 3 ) 设计机器人系统，制作机器人本体。 ( 4 ) 对机器人的控制系统进行分析，确定总体控制方案。 ( 5 ) 对机器人进行相关实验，分析实验结果。 ( 6 ) 对本课题的主要工作进行总结并得出结论。 哈尔滨二| _ 程大学硕十学位论文 第2 章仿蚯蚓蠕动式机器人的运动机制 本文研究的微型管道机器人为仿蚯蚓蠕动式机器人，属于仿生学范畴。 仿生学是2 0 世纪6 0 年代出现的一门综合性边缘科学，它由生命科学与工程 技术学科相互渗透、相互结合而成。仿生学将有关生物学原理应用到对工程 系统的研究与设计中，对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用 m 1 。本章将在分析蠕动式机器人的优势和应用以及蚯蚓运动机制的基础上研 究分析仿蚯蚓蠕动式机器人的运动机制。 2 1 蠕动式机器人的优势和应用 蠕动式机器人在柔软狭窄环境中有着轮式和足式机器人无法比拟的优 势，并具有良好的稳定性和运动性能。因此，蠕动式机器人在太空探索，危 险环境下作业，工业和城市管道检测以及医疗上的疾病诊断及微创手术等领 域有着广泛的应用前景。 2 1 1 蠕动式机器人的优势 ( 1 ) 稳定性 在崎岖不平的地区运动时，轮式和足式机器人存在翻倒的危险。基底与 机器人的接触点，形成一个凸多边形，当机器人系统的重心超出了由接触点 构成的凸多边形的边线时，机器人就会摔倒。而驱动式机器人在大多数情况 下的势能会处于较低的状态，因此，机器人因重心超出凸多边形边线而摔倒 的问题几乎不存在，其运动的稳定性更好。 ( 2 ) 穿越能力 蠕动式机器人在理论上能够越过数倍于其高度的障碍，这对于轮式和足 式机器人几乎是不可能的。很多运动系统采用轮式来获得足够的运动能力， 但轮式机器人在松软的地面和柔软材料的表面上很难进行有效的运动；足式 机器人在粗糙不平的表面上运动存在被卡住的危险。而蠕动式机器人在柔软 或粗糙不平的表面上具有更好的运动能力，同时能够穿越有障碍物的环境， 具有良好的穿越能力。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 3 ) 牵引力 牵引力是指加到运动系统上，驱动其向前运动的力。牵引力通常受运动 系统的重量和摩擦系数的影响。轮式和足式机器人的重量分布较为集中，在 松软的地面和柔软材料的表面上容易陷入其中。而蠕动式机器人的重量相对 来说分布在更大的面积上，在机器人具有同等重量的情况下，蠕动式机器人 在松软的表面上运动比轮式和足式机器人更有优势，能提供较大的牵引力。 ( 4 ) 尺寸微型化 相对于轮式和足式机器人，蠕动式机器人的驱动器和本体更适合采用智 能材料，可以利用智能材料的特性来实现运动，其尺寸更易微型化，因此多 数的蠕动机器人体形细长。对于细长狭窄的空间，蠕动式机器人更适合进入 狭窄空间进行作业。 2 1 2 蠕动式机器人的应用 ( 1 ) 工业管道检测 在工业领域中存在着大量的狭小区域，如水管，天然气管道，输油管道 等。很多工业运用管道镜来进行检测，但是这要求工厂需要修改设计，增加 通道入口来放置管道镜。而蠕动式管道机器人可以通过运动到达需要检测的 地点，节省了费用。具有现场检测和精确定位功能的高效蠕动式管道机器人 不仅能够节省费用，更能减少管道检测的时间，提高管道检测的效率。 ( 2 ) 医疗领域 蠕动式机器人因其在医疗领域的潜在应用价值而受到关注。微创手术减 少了手术中大面积切开皮肤组织的需要。这将大大减轻给患者带来的严重不 适及痛苦，减少对人体其它完好组织的伤害，缩短康复时间消除手术引起的 副作用，降低医疗费用，减轻患者的生理痛苦和医疗人员手术操作时的心理 压力。内窥镜就属于这类应用。 ( 3 ) 危险环境中作业 人类的活动有很多禁区，如辐射、高温、有毒、低压等环境，然而这样 的地区却是必须要被经常检查以确保安全。另外，在一些意外灾害，如地震、 爆炸、飓风、火灾等情况下，需要及时搜救被困人员，解救伤员。蠕动式机 器人适合在狭窄的环境下作业，能够很好的在这些场合完成任务。在蠕动式 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机器人上安装生命传感器，进入受灾现场，能够减少大型挖掘设备对受伤人 员带来的伤害，并提高救援效率。 2 2 蚯蚓的特征与运动分析 蚯蚓，水蛭和尺蠖是仿生蠕动式机器人常常采用的生物模型。考虑到生 物运动机制的复杂程度，不同环境的适应能力和稳定性等因素，本文选定蚯 蚓为蠕动式机器人的生物模型。通过对蚯蚓的特征，运动机制和轴向径 向应变关系的探索和分析，可以更好的理解蚯蚓蠕动式运动的特点，为设计 本文研究的仿蚯蚓蠕动式机器人的运动机制提供理论依据。 2 2 1 蚯蚓的特征 我们知道，蚯蚓有以下主要特征一刀： 身体两侧对称，具有分节现象；没有骨骼，在体表覆盖一层具有色素的 薄角质层。除了身体前两节之外，其余各节均具有刚毛。 ( 1 ) 刚毛 蚯蚓属于环节动物门寡毛纲动物。它们体壁上着生刚毛，刚毛由上皮内 陷形成。生于蚯蚓体壁毛囊的刚毛，可藉由肌肉控制伸出或收缩，并可与介 质产生摩擦力来达到移动的目的。 刚毛在每一个体节上围成一圈，依其数目与分布可将蚯蚓分为正蚓形与 环毛形。正蚓形的每一体节有四对刚毛，位于腹部或侧腹部成对；而环毛形 的刚毛在体节上围一圈而形成环状，数目为5 0 至1 0 0 或更多。另外，亦有正 蚓形与环毛形的中间形。 ( 2 ) 体节 蚯蚓的身体分节，各个节各自密封。各节的宽度不一，但在运动中保持 节体积恒定。 ( 3 ) 体壁和体腔 蚯蚓的体壁是由数层构造所组成角质层、表皮、神经组织、肌肉层 与围腔膜。角质层非常薄，无色透明，有二至多层，含有交错的胶原纤维， 并有许多贯穿小孔；表皮则为单层的构造，含有多种不同的细胞。杯状细胞 可分泌粘液帮助润滑；肌肉层由外层的环肌与内层的纵肌组成。环肌具有环 1 7 哈尔滨j 厂稗大学硕十学何论文 绕整个身体圆周的肌肉纤维。纵肌层则比环肌层厚，绵延整个体长、在身体 围成数束。 体腔绵延蚯蚓的整个身长，腔内充满体腔液。体腔由内外两层围腔膜包 住而分别与体壁及消化管隔离。腔内有横向的隔膜将体腔分隔成节，其上覆 有围腔膜。隔膜通常有孔贯穿，可以让体腔液能在节间自由流动。 2 2 2 蚯蚓的运动机制 许多软体爬行动物采用蠕动的方式进行运动。蠕动，即肌肉交替收缩和 松弛，沿着柔软的圆管传递的过程。在通常情况下，径向膨胀的区域将生物 体锚定在基底上，而径向收缩的部分向前伸展。 蠕动波有两种形式：倒行波和直接波。倒行波是非叠加的蠕动波，多数 具备横膈膜的分节动物( 节体积保持恒定) 采用这种方式，其身体波的传播 方向为从前向后。直接波是直接叠加的蠕动波，不具备横膈膜的分节动物( 节 体积可变) 采用这种方式，其身体波的传播方向为从后向前。 蚯蚓是采用倒行波方式运动的典型的环节动物。蚯蚓的每个节各自封闭， 并在运动中保持节体积恒定，几个体节构成一个体节组。当蚯蚓向前爬行时， 环肌和纵肌收缩，沿着体积恒定的体节向后传播，构成倒行波。当体节的纵 肌收缩，环肌舒张，该节长度缩小，体腔内体液不会随意流动，因此体腔压 力升高，其身体表面的刚毛伸展，使身体更好的锚定在基底上；而相邻体节 组则纵向肌肉舒张，环肌收缩该节变长，体腔压力下降，刚毛回缩；如此交 替作用，使身体蠕动前进。这种收缩和伸展的波沿着身体向后传播( 因此为 倒行波) 。蚯蚓将前端的体节伸展，这时后端的体节仍然保持膨胀锚定在基底 上，并施加向后的推动力，从而将其自身推向前。 根据上述蚯蚓的运动方式假设只有一个体节组，该体节组有2 个体节。 将蚯蚓的一个运动周期分为四步： 第一步：第一节纵肌收缩，环肌舒张，体节缩短，刚毛伸出； 第二步：第二节体节则纵肌舒张，环肌收缩，刚毛收回； 第三步：第二节纵肌收缩，环肌舒张，体节缩短，刚毛伸出： 第四步：第一节则纵肌舒张，环肌收缩，刚毛收回。 在这个两体节蚯蚓的运动周期中，蚯蚓移动了一个体节伸长的长度。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 罨撂 图2 1 蚯蚓的运动机制 蚯蚓的爬行速度可由下面的蠕动波方程导出： v ：叫w 么 其中q 为伸长的体节数占总体节数的比例，u 是倒行波波速，a ，是体节 收缩的距离，l 是伸长后的体节长度。因此，可以通过提高倒行波波速、提 高伸缩程度和提高伸长节数比例柬提高蚯蚓的爬行速度。由于伸长的体节数 比例和相对收缩系数小于1 ，因此蚯蚓的爬行速度一定小于倒行波速度。 2 2 3 蠕动蚯蚓运动的轴向与径向应变关系分析 一般将为了深入分析蚯蚓的运动方式，必须考虑。下限制： ( 1 ) 生物体体积保持恒定 ( 2 ) 摩擦因素 ( 3 ) 生物体结构的构成。尤其是蠕动型动物，其结构机制与爬行能力密切