尺蠖式机器人机构设计与运动学分析.ppt

尺蠖式机器人机构设计与运动学分析 李晓阳 机器人的定义 机器人技术是一种面向未来的现代化技术 机器人技术与网络技术 基因技术 通信技术 计算机技术等一样 属于高新技术 它涉及的学科有材料科学 计算机技术 控制技术 传感器技术 微电子技术 通讯技术 人工智能 数学方法 仿生学等等很多学科 我国科学家对机器人的定义是 机器人是一种自动化的机器 所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力 如感知能力 规划能力 动作能力和协同能力 是一种具有高度灵活性的自动化机器 爬行机器人的分类 爬行机器人是移动机器人的一种 爬行机器人按仿生学角度来分可分为 螳螂式爬行机器人 蜘蛛式爬行机器人 蛇形机器人 尺蠖式爬行机器人等 按驱动方式来分可分为 气动爬行机器人 电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等 按工作空间来分可分为 管道爬行机器人 壁面爬行机器人 球面爬行机器人等 按功能用途来分可分为 焊弧爬行机器人 检测爬行机器人 清洗爬行机器人 提升爬行机器人 巡线爬行机器人和玩具爬行机器人 按行走方式可分为 轮式 履带式 蠕动式等 微胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究背景 技术基础是微机器人技术 包括微机械技术 微传感技术 微电子技术及智能系统等多学科交叉的领域 微机电系统的一种典型应用 中国卫生部 第三次全国死因回顾抽样调查报告 2004 2005年中 消化道疾病死亡的人数为因疾病死亡人数的16 87 消化道的肿瘤与癌症在早期呈现出血与息肉征兆 其早期治愈率较高 消化道内窥镜系统 1950年 由日本原Olympus光学有限公司研发出第一款可商业化的胃镜原型 1969年推出了第一款商业化的消化道内窥镜 纤维内窥镜 品种繁多 一般包括操作软线 控制单元与插入管 可进行充气 充水与活组织取样等操作 光电耦合传感器取代光纤进行图像采样 传统内窥镜的优缺点 优点 技术成熟 图像清晰 操作直观 通过内窥镜插管的额外通道能够进行抽充水与充气 借以展平肠壁褶皱 借助活检通道 能够进行可疑病变组织的活体取样 以及小息肉的手术 缺点 无法检测大部分的小肠段 仅能覆盖上消化道与下消化道的十二指肠 结肠部分 内窥术有一定交叉感染与并发症的发生几率 病人在检查过程中需要麻醉以减轻痛苦 对麻醉剂过敏的病人只能忍受插管过程的不适感 内窥镜的操作过程完全由人工进行 对操作医生要求较高 存在人为失误的隐患 被动式胶囊内窥镜系统 以色列GivenImaging公司 M2A 2000年 中国重庆的金山技术公司 智能胶囊 2005年 日本Olympus公司 EndoCapsule 2006年 日本的RFSystemLab Norika 图像 药物释放与活检 被动式胶囊内窥镜的优缺点 优点 体较小 易吞服 缺点 1 容易有盲区或漏检 2 受电池体积限制 工作时间较短 3 不能采集连续视频信号 微型尺蠖式胃肠道疾病诊疗机器人 能够提高诊察效率 遍历全消化道 并有定点施药 手术或者活检等功能 是肠道无创检查和治疗的理想解决方案 研究尚处于实验室阶段 机器人是实现对肠道的主动诊查 定点施药 组织活检与手术的前提与载体 因此机器人在肠道内的可靠与有效地运动是整个微型胃肠道疾病诊疗机器人的基础与关键 核心问题 1 微型疾病诊疗机器人如何在胃肠道内的运动 2 安全 3 有效 尺蠖 尺蠖属于无脊椎动物 昆虫纲 鳞翅目 尺蛾科昆虫幼虫的统称 鳞翅目 Lepidoptera 尺蛾科 Geometridae 所有大型蛾类的幼虫 遍布世界 因缺中间一对足 故以 丈量 或 屈伸 样的具特征性的步态移动 即伸展身体的前部 再挪移身体后部使与前部相触 尺蠖式爬行机器人的原理 尺蠖的运动方式是一种蠕动爬行 蠕动是一种周期性的动作 蠕动体的姿态呈现某种规律性的变化 前夹紧机构和后夹紧机构分别起着保持器的作用 使之在不同的阶段与管壁保持不同的关系 而躯干部分则起着推进器的作用 如果把尺蠖运动在一个动作周期内的蠕动分开 可分为六步 1 前部放松 躯干静止 后部夹紧 2 前部前进 躯干伸长 后部夹紧 3 前部夹紧 躯干静止 后部夹紧 4 前部夹紧 躯干静止 后部放松 5 前部夹紧 躯干收缩 后部跟随 6 前部夹紧 躯干静止 后部夹紧 经过上述六步 在一个动作周期中尺蠖的头部和尾部均向前移动了一段距离e和f 仿尺蠖式机器人 运动特点 1 舱体需要提供可变且可控的摩擦力以保证该舱可驻留或可滑动 2 需要有能够改变驻留舱相对距离的伸缩舱 1994年 美国Grundfest等人 专利 Traction单元和Extensor单元 1995年实现 气动 仿尺蠖式机器人 意大利Dario 1996年 气动 吸附 吸附效率较低 2002年 钳夹 运动效率约为70 损伤活体肠道的可能性极大 仿尺蠖式机器人 2005年 美国Karagozler等人 足表面纤毛 SMA为驱动 高密度的圆柱悬梁臂式结构组成的纤毛 仿尺蠖式机器人 2010年 以色列Zarrouk等人 单电机实现 足通过凸轮原理传动 刚性管道中最高的运动速度可达25mm s 尺蠖运动特点 由上可知 尺蠖运动具有以下特点 1 尺蠖运动体的结构简单 2 运动所需的驱动器数目少 3 靠摩擦力传递运动 4 尺蠖运动是一种周期性动作 尺蠖式肠道机器人的驱动方式 结肠微型机器人仿尺蠖式运动机构设计的实质是利用合适的驱动方式来实现尺蠖型运动 驱动方式关系到结肠微型机器人的运动结构 并会影响微型机器人的机体尺寸 驱动力的大小 运动性能 系统功耗等因素 驱动方式研究主要集中在形状记忆合金驱动 压电驱动 气动 电磁驱动 微型电机驱动等常用方式上 形状记忆合金式驱动分析 形状记忆合金驱动微型化程度高 具有驱动力打 体积微小等优点 但是形状记忆合金是一种非线性并存在滞后的材料 其形变需要外界加热和冷却来驱动 并且加热周期较长 造成其运动速度慢 精确度低等缺点 而且 人体肠道是一个恒温环境 虽然形状记忆合金在通入电流后通过自身内阻消耗发热可以实现加热驱动 但是其自身的温升会对肠道组织造成损伤 电磁驱动方式 电磁驱动方式具有结构简单 输出位移大等优点 可将电能直接转化为机构的直线运动位移或圆周旋转角度 但其驱动力小 耗能高 控制复杂 虽然在磁悬浮列车 重物提升 打印绘图仪中多有应用 但结肠运动环境中微型机器人在电磁驱动方式下运动状态难于控制 并需要复杂的体外磁场驱动系统 气动式驱动方式 可以直接利用大气的气源作为驱动结肠微型机器人 但是 气体驱动也有一些问题 首先是气密性问题 消化道是一个开放的系统 传统的内窥镜检查也会使用气囊或喷气保证内窥镜的观察视野 但是消化道内的气体压力也不能太大 即要考虑机器人长时间在肠道内爬行时的气体泄漏量 此外 需要一套微型气动驱动系统来实现无托管运动 因此会增加微型机器人的体积 压电材料 压电材料属于新型材料 具有体积小 刚度大 位移分辨率及定位精度高 线性好 频率响应高 发热小 无噪声 易于控制等优点 缺点是 驱动位移较小和所需要的驱动电压较大 在自锁保持过程中还需要持续供电 压电材料一般在微米级对于结肠微型机器人来说 在有限的空间内将压电材料的位移放大到需要的倍数是十分困难的 微型电机驱动方式 具有驱动力大 控制方便 效率高等优点 商业化可供选择的微型电机型号与规格比较广泛 但是必须设计合适的驱动机构将微型电机选择输出进行变换和放大 在有限的空间内 设计出有效地减速增力机构和运动机构 面临着许多优化问题 综上分析 微型电机驱动更加适合尺蠖式微型肠道机器人 GHM1770010033E直流齿轮组微型电机 其直径为6mm 长度为15 8mm 额定电压为3V 额定电流小于等于150mA 齿轮组减速比为26 额定转速为900rpm 额定转矩为2gf cm 仿尺蠖式运动机构设计 此机器人的主要任务是利用仿尺蠖运动机构从人体肛门进入结肠 并利用携带的光源 摄像机 治疗装置等对结肠开展医学诊疗活动 结肠微型机器人应具备以下特性 结肠微型机器人机体必须有足够的柔性来适应结肠的弯曲部位 单个刚性单元长度要限制在40mm内 结肠微型机器人机体直径不能超过结肠的平均直径29mm 结肠微型机器人外表面要采用生物相容材料 避免对结肠组织的刺激 结肠微型机器人的主动运动不能损伤结肠组织 应该最大限度地保障结肠器官的完整性 同时提高诊断精度 减少病人的不适感 结肠微型机器人外形尺寸为 直径 20mm 长度 150mm 结肠微型机器人利用微型电机作为驱动器 其仿尺蠖运动机构由前后径向钳位机构和中部轴向伸缩机构组成 径向钳位机构位于结肠微型机器人两端 用以粘附或抓取肠道组织为机体提供钳位力 轴向伸缩机构位于结肠微型机器人中部 用以推动或牵引机体运动 结肠直径变化范围较大 25 60mm 而结肠微型机器人的机体直径限定在20mm以内 径向钳位机构需要收缩在直径20mm的结肠微型机器人机体内 并提供最大60mm的钳位直径 其变形行程应大于20mm 并且在提供足够径向钳位力同时 消耗较小的能量保持钳位状态 径向钳位机构 丝杠螺母的自锁性分析 螺纹升角为 当量摩擦系数为 当量摩擦角为 显而易见 v 可以判断丝杠螺母具有良好的自锁性能 径向钳位机构 连杆机构伸缩腿的钳位点D的x轴坐标Dx和y轴坐标Dy通过几何解析法可得 连杆机构伸缩腿钳位点D的x轴和y轴坐标分别对螺母滑块位置l求导数 可得到其x轴运动速度vx和y轴运动速度vy同滑块6运动速度v的关系 根据力矩平衡原理 轴向驱动力 在电机驱动下 螺母处于旋紧状态 作用在丝杠中径d2上驱动力Ft 此时 作用于丝杠的转矩为 微型电机在3 0V额定电压驱动下 堵转转矩Ts 2 2mN m 一级齿轮组效率为 98 假设钳位点D受到肠道的轴向作用力FDx为0 径向钳位机构3条伸缩腿受到相同驱动力 可得微型电机额定驱动下径向钳位机构的连杆机构缩腿最大径向钳位力为 轴向伸缩机构 轴向伸缩机构 轴向伸缩机构 微型电机在3 0V额定电压驱动下 堵转转矩为Ts 2 2mN m 一级齿轮传动效率为 98 从动齿轮1的最大驱动转矩T1 0 98Ts 2 从动齿轮2的最大驱动转矩T1 0 982 Ts 2 因此丝杠1和丝杠2的最大轴向驱动力分别为 从动齿轮1和从动齿轮2对微型电机的主动齿轮具有相同的齿轮减速比 电机额定转速下 两个丝杠螺母的移动速度 运动学分析基础 平面直角坐标变换矩阵分析 只考虑绕某一坐标轴旋转平移的坐标变换矩阵 右边三个式子分别为只绕X Y Z坐标轴旋转 角的旋转坐标变换矩阵 感兴趣的同学可以参看 机器人技术基础 仿生机械学 一种尺蠖式胃肠道机器人结构 尺蠖式机器人的运动学分析 结肠微型尺蠖式机器人的几何参数和关节变量确定后 其运动学分析在于求解机体相对于给定坐标系的位置和姿态 给定坐标系为固定在大地上的笛卡尔坐标系 并作为结肠微型机器人的总体坐标系 结肠微型机器人的各杆件的运动可在总体坐标系中描述 并在每个杆件上建立一个附体坐标系 运动学问题便归结为寻求联系附体坐标系和总体坐标系的变换矩阵 运动学分析 为了描述微型机器人相邻杆件平移和转动的关系 Denavit和Hatenberg提出了一种为关节链中的每一个杆件建立附体坐标系的矩阵方法 D H方法为每个关节处的杆件建立4X4齐次变换矩阵 表示它与前一杆件坐标系的关系 前面图显示了杆件的参数和坐标系 确定和建立每个坐标系应该根据以下3条规则 1 Zi 1轴沿着第i关节运动轴 2 Xi轴垂直于Zi 1轴和Zi轴并指向离开Zi 1轴的方向 3 yi按右手坐标系的要求建立 按照上述规则 第0号坐标系在机座上的位置和方向可任选 只要Zo轴沿着第一个关节轴 根据上述对杆件参数和坐标的定义 描述串联杆件相邻坐标系之间的关节关系归结为以下4个参数 i绕Zi 1轴 右手规则 由Xi 1轴向Xi轴的关节角 i绕Xi轴 右手规则 由Zi 1轴转向Zi轴的偏角 di从第i 1坐标系的原点到Zi 1轴和Xi轴的交点沿Zi 1轴的距离 ai从Zi 1轴和Xi轴的交点到第i坐标系原点沿Xi轴的偏移距离 将第i个坐标系表示的点ri在i 1坐标系表示 需要建立i坐标系和i 1坐标系的齐次变换矩阵 确定第i坐标系相对于机座的位置的齐次变换矩阵表示为 运动学分析 尺蠖式胃肠道微型机器人在任意姿态下尾部相对于头部总体坐标系Oxy的位置和姿态 运动学分析 将上表中的参数代入式中 可得到如下变换矩阵 最终 可得到万向节变换矩阵 对于结肠微型机器人来说 万向节可以看成一个关节 以结肠微型机器人头部径向钳位机构轴线上任一点H作为坐标原点 并建立总体坐标系Oxyz 以微型机器人尾部钳位机构轴线上任一点R作为坐标原点 建立附体坐标系Ouvw 当点H为结肠微型机器人顶点 而点R为结肠微型机器人尾点时 可以求得结肠微型机器人在任意姿态下尾部相对于头部总体坐标系Oxy的位置和姿态 1 从点H到万向节1的A轴的变换矩阵THA 总体坐标系Oxyz经过绕坐标轴的旋转后 坐标系O xyz的坐标轴与万向节1第0坐标系坐标轴平行且方向一致 之后O xy沿其x轴平