尺蠖式机器人机构设计与运动学分析ppt课件
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尺蠖式机器人机构设计 与运动学分析 ———李晓阳
1
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”。
9
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；
10
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。
(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。
15
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。
18
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25 mm/s ；
19
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。
1994年，美国Grundfest等人，专利，Traction 单元和Extensor单元。1995年实现，气动
16
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 。
17
ห้องสมุดไป่ตู้
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；
优点：
1. 技术成熟，图像清晰，操作直观； 2. 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； 3. 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：
1. 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；
2. 内窥术有一定交叉感染与并发症的发生几率； 3. 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
11
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；
12
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。
13
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：
14
(1)前部放松，躯干静止，后部夹 紧；
2
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
4
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。
5
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。
6
传统内窥镜的优缺点
3
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；
能忍受插管过程的不适感； 4. 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。
7
被动式胶囊内窥镜系统
以色列Given Imaging公司，“M2A” ，2000年； 中国重庆的金山技术公司，“智能胶囊” ， 2005年
8
日本Olympus公司，“EndoCapsule” ，2006年； 日本的RF System Lab ，“Norika”，图像， 药物释放与活检。
20
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。
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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”。
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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；
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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。
(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。
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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。
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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25 mm/s ；
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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。
1994年，美国Grundfest等人，专利，Traction 单元和Extensor单元。1995年实现，气动
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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 。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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；
优点：
1. 技术成熟，图像清晰，操作直观； 2. 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； 3. 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：
1. 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；
2. 内窥术有一定交叉感染与并发症的发生几率； 3. 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
11
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；
12
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。
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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：
14
(1)前部放松，躯干静止，后部夹 紧；
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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
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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。
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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。
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传统内窥镜的优缺点
3
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；
能忍受插管过程的不适感； 4. 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。
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被动式胶囊内窥镜系统
以色列Given Imaging公司，“M2A” ，2000年； 中国重庆的金山技术公司，“智能胶囊” ， 2005年
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日本Olympus公司，“EndoCapsule” ，2006年； 日本的RF System Lab ，“Norika”，图像， 药物释放与活检。
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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。