尺蠖式機器人機構設計與運動學分析第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日機器人的定義機器人技術是一種面向未來的現代化技術，機器人技術與網絡技術、基因技術、通信技術、計算機技術等一樣，屬于高新技術。它涉及的學科有材料科學、計算機技術、控制技術、傳感器技術、微電子技術、通訊技術、人工智能、數學方法、仿生學等等很多學科。我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日爬行機器人的分類爬行機器人是移動機器人的一種，爬行機器人按仿生學角度來分可分為:螳螂式爬行機器人、蜘蛛式爬行機器人、蛇形機器人、尺蠖式爬行機器人等；

按驅動方式來分可分為:氣動爬行機器人、電動爬行機器人和液壓驅動爬行機器人等；按工作空間來分可分為:管道爬行機器人、壁面爬行機器人、球面爬行機器人等；按功能用途來分可分為:焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、巡線爬行機器人和玩具爬行機器人；按行走方式可分為：輪式、履帶式、蠕動式等第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日微胃腸道疾病診療機器人系統的研究背景

技術基礎是微機器人技術，包括微機械技術、微傳感技術、微電子技術及智能系統等多學科交叉的領域；微機電系統的一種典型應用；

中國衛生部，《第三次全國死因回顧抽樣調查報告》，2004-2005年中，消化道疾病死亡的人數為因疾病死亡人數的16.87%；消化道的腫瘤與癌癥在早期呈現出血與息肉征兆，其早期治愈率較高；第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日消化道內窺鏡系統

1950年，由日本原Olympus光學有限公司研發出第一款可商業化的胃鏡原型；1969年推出了第一款商業化的消化道內窺鏡。第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日纖維內窺鏡；品種繁多，一般包括操作軟線，控制單元與插入管，可進行充氣、充水與活組織取樣等操作。光電耦合傳感器取代光纖進行圖像采樣。第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日傳統內窺鏡的優缺點優點：技術成熟，圖像清晰，操作直觀；通過內窺鏡插管的額外通道能夠進行抽充水與充氣，借以展平腸壁褶皺；借助活檢通道，能夠進行可疑病變組織的活體取樣，以及小息肉的手術。缺點：無法檢測大部分的小腸段，僅能覆蓋上消化道與下消化道的十二指腸、結腸部分；內窺術有一定交叉感染與并發癥的發生幾率；病人在檢查過程中需要麻醉以減輕痛苦，對麻醉劑過敏的病人只能忍受插管過程的不適感；內窺鏡的操作過程完全由人工進行，對操作醫生要求較高，存在人為失誤的隱患。第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日被動式膠囊內窺鏡系統以色列GivenImaging公司，“M2A”

，2000年；中國重慶的金山技術公司，“智能膠囊”，2005年

第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日日本Olympus公司，“EndoCapsule”

，2006年；日本的RFSystemLab，“Norika”，圖像，藥物釋放與活檢。第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日被動式膠囊內窺鏡的優缺點

優點：體較小，易吞服；缺點：1.容易有盲區或漏檢；2.受電池體積限制，工作時間較短；3.不能采集連續視頻信號；第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日微型尺蠖式胃腸道疾病診療機器人

能夠提高診察效率，遍歷全消化道，并有定點施藥、手術或者活檢等功能，是腸道無創檢查和治療的理想解決方案；研究尚處于實驗室階段；機器人是實現對腸道的主動診查、定點施藥、組織活檢與手術的前提與載體，因此機器人在腸道內的可靠與有效地運動是整個微型胃腸道疾病診療機器人的基礎與關鍵。第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日核心問題（1）.微型疾病診療機器人如何在胃腸道內的運動；(2).安全；(3).有效；第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日尺蠖尺蠖屬于無脊椎動物，昆蟲綱，鱗翅目，尺蛾科昆蟲幼蟲的統稱。鱗翅目(Lepidoptera)尺蛾科(Geometridae)所有大型蛾類的幼蟲，遍布世界。因缺中間一對足，故以“丈量”或“屈伸”樣的具特征性的步態移動；即伸展身體的前部，再挪移身體后部使與前部相觸。第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日尺蠖式爬行機器人的原理尺蠖的運動方式是一種蠕動爬行，蠕動是一種周期性的動作，蠕動體的姿態呈現某種規律性的變化。前夾緊機構和后夾緊機構分別起著保持器的作用，使之在不同的階段與管壁保持不同的關系，而軀干部分則起著推進器的作用。

如果把尺蠖運動在一個動作周期內的蠕動分開，可分為六步：第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日(1)前部放松，軀干靜止，后部夾緊；(2)前部前進，軀干伸長，后部夾緊；(3)前部夾緊，軀干靜止，后部夾緊；(4)前部夾緊，軀干靜止，后部放松；(5)前部夾緊，軀干收縮，后部跟隨；(6)前部夾緊，軀干靜止，后部夾緊。經過上述六步，在一個動作周期中尺蠖的頭部和尾部均向前移動了一段距離e和f。第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日仿尺蠖式機器人運動特點：1、艙體需要提供可變且可控的摩擦力以保證該艙可駐留或可滑動；2、需要有能夠改變駐留艙相對距離的伸縮艙。

1994年，美國Grundfest等人，專利，Traction單元和Extensor單元。1995年實現，氣動第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日仿尺蠖式機器人意大利Dario。1996年，氣動，吸附，吸附效率較低。2002年，鉗夾，運動效率約為70%，損傷活體腸道的可能性極大。

第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日仿尺蠖式機器人2005年，美國Karagozler等人；足表面纖毛；SMA為驅動；高密度的圓柱懸梁臂式

結構組成的纖毛；

第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日仿尺蠖式機器人2010年，以色列Zarrouk等人；單電機實現；足通過凸輪原理傳動；剛性管道中最高的運動速度可達25mm/s；第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日尺蠖運動特點由上可知，尺蠖運動具有以下特點：(1)尺蠖運動體的結構簡單；(2)運動所需的驅動器數目少；(3)靠摩擦力傳遞運動；(4)尺蠖運動是一種周期性動作。第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日尺蠖式腸道機器人的驅動方式

結腸微型機器人仿尺蠖式運動機構設計的實質是利用合適的驅動方式來實現尺蠖型運動。

驅動方式關系到結腸微型機器人的運動結構，并會影響微型機器人的機體尺寸、驅動力的大小、運動性能、系統功耗等因素。

驅動方式研究主要集中在形狀記憶合金驅動、壓電驅動、氣動、電磁驅動、微型電機驅動等常用方式上。第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日形狀記憶合金式驅動分析

形狀記憶合金驅動微型化程度高，具有驅動力打、體積微小等優點。但是形狀記憶合金是一種非線性并存在滯后的材料，其形變需要外界加熱和冷卻來驅動，并且加熱周期較長，造成其運動速度慢、精確度低等缺點。而且，人體腸道是一個恒溫環境，雖然形狀記憶合金在通入電流后通過自身內阻消耗發熱可以實現加熱驅動，但是其自身的溫升會對腸道組織造成損傷。第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日電磁驅動方式

電磁驅動方式具有結構簡單、輸出位移大等優點。可將電能直接轉化為機構的直線運動位移或圓周旋轉角度，但其驅動力小、耗能高、控制復雜。雖然在磁懸浮列車、重物提升。打印繪圖儀中多有應用，但結腸運動環境中微型機器人在電磁驅動方式下運動狀態難于控制，并需要復雜的體外磁場驅動系統。第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日氣動式驅動方式

可以直接利用大氣的氣源作為驅動結腸微型機器人。但是，氣體驅動也有一些問題：首先是氣密性問題，消化道是一個開放的系統，傳統的內窺鏡檢查也會使用氣囊或噴氣保證內窺鏡的觀察視野，但是消化道內的氣體壓力也不能太大，即要考慮機器人長時間在腸道內爬行時的氣體泄漏量。此外，需要一套微型氣動驅動系統來實現無托管運動，因此會增加微型機器人的體積。第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日壓電材料壓電材料屬于新型材料，具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、線性好、頻率響應高、發熱小、無噪聲、易于控制等優點。

缺點是：驅動位移較小和所需要的驅動電壓較大，在自鎖保持過程中還需要持續供電。壓電材料一般在微米級對于結腸微型機器人來說，在有限的空間內將壓電材料的位移放大到需要的倍數是十分困難的。第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日微型電機驅動方式

具有驅動力大、控制方便、效率高等優點。商業化可供選擇的微型電機型號與規格比較廣泛，但是必須設計合適的驅動機構將微型電機選擇輸出進行變換和放大。在有限的空間內，設計出有效地減速增力機構和運動機構，面臨著許多優化問題。綜上分析，微型電機驅動更加適合尺蠖式微型腸道機器人。第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日GHM1770010033E直流齒輪組微型電機

其直徑為6mm,長度為15.8mm.額定電壓為3V，額定電流小于等于150mA,齒輪組減速比為26，額定轉速為900rpm，額定轉矩為2gf.cm

第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日仿尺蠖式運動機構設計此機器人的主要任務是利用仿尺蠖運動機構從人體肛門進入結腸，并利用攜帶的光源、攝像機、治療裝置等對結腸開展醫學診療活動。

第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日結腸微型機器人應具備以下特性：

——結腸微型機器人機體必須有足夠的柔性來適應結腸的彎曲部位，單個剛性單元長度要限制在40mm內；——結腸微型機器人機體直徑不能超過結腸的平均直徑29mm；——結腸微型機器人外表面要采用生物相容材料，避免對結腸組織的刺激。——結腸微型機器人的主動運動不能損傷結腸組織，應該最大限度地保障結腸器官的完整性，同時提高診斷精度，減少病人的不適感。第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日——結腸微型機器人外形尺寸為：直徑≤20mm，

長度≤150mm。——結腸微型機器人利用微型電機作為驅動器，其仿尺蠖運動機構由前后徑向鉗位機構和中部軸向伸縮機構組成。——徑向鉗位機構位于結腸微型機器人兩端，用以粘附或抓取腸道組織為機體提供鉗位力；軸向伸縮機構位于結腸微型機器人中部，用以推動或牽引機體運動。第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日——結腸直徑變化范圍較大（25~60mm），而結腸微型機器人的機體直徑限定在20mm以內，徑向鉗位機構需要收縮在直徑20mm的結腸微型機器人機體內，并提供最大60mm的鉗位直徑，其變形行程應大于20mm，并且在提供足夠徑向鉗位力同時，消耗較小的能量保持鉗位狀態。第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日徑向鉗位機構第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日絲杠螺母的自鎖性分析螺紋升角為：當量摩擦系數為：當量摩擦角為：

顯而易見，ρv>ψ，可以判斷絲杠螺母具有良好的自鎖性能第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日徑向鉗位機構第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日

連桿機構伸縮腿的鉗位點D的x軸坐標Dx和y軸坐標Dy通過幾何解析法可得：

第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日

連桿機構伸縮腿鉗位點D的x軸和y軸坐標分別對螺母滑塊位置l求導數，可得到其x軸運動速度vx和y軸運動速度vy同滑塊6運動速度v的關系。

第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日

根據力矩平衡原理：

軸向驅動力：

在電機驅動下，螺母處于旋緊狀態，作用在絲杠中徑d2上驅動力Ft：

此時，作用于絲杠的轉矩為：

第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

微型電機在3.0V額定電壓驅動下，堵轉轉矩Ts，一級齒輪組效率為η=98%。假設鉗位點D受到腸道的軸向作用力FDx為0，徑向鉗位機構3條伸縮腿受到相同驅動力，可得微型電機額定驅動下徑向鉗位機構的連桿機構縮腿最大徑向鉗位力為：第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日軸向伸縮機構第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日軸向伸縮機構第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日軸向伸縮機構

微型電機在3.0V額定電壓驅動下，堵轉轉矩為Ts，一級齒輪傳動效率為η=98%，從動齒輪1的最大驅動轉矩T1=0.98Ts/2，從動齒輪2的最大驅動轉矩T1=0.982.Ts/2，因此絲杠1和絲杠2的最大軸向驅動力分別為：

第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日

從動齒輪1和從動齒輪2對微型電機的主動齒輪具有相同的齒輪減速比：

電機額定轉速下，兩個絲杠螺母的移動速度：

第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日運動學分析基礎平面直角坐標變換矩陣分析：

第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日只考慮繞某一坐標軸旋轉平移的坐標變換矩陣

右邊三個式子分別為只繞X,Y,Z坐標軸旋轉

γ.β.θ角的旋

轉坐標變換矩陣。

感興趣的同學可以參看《機器人技術基礎》、《仿生機械學》第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日一種尺蠖式胃腸道機器人結構第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日尺蠖式機器人的運動學分析

結腸微型尺蠖式機器人的幾何參數和關節變量確定后，其運動學分析在于求解機體相對于給定坐標系的位置和姿態。給定坐標系為固定在大地上的笛卡爾坐標系，并作為結腸微型機器人的總體坐標系。結腸微型機器人的各桿件的運動可在總體坐標系中描述，并在每個桿件上建立一個附體坐標系，運動學問題便歸結為尋求聯系附體坐標系和總體坐標系的變換矩陣。第五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日運動學分析第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日為了描述微型機器人相鄰桿件平移和轉動的關系，Denavit和Hatenberg提出了一種為關節鏈中的每一個桿件建立附體坐標系的矩陣方法。D-H方法為每個關節處的桿件建立4X4齊次變換矩陣，表示它與前一桿件坐標系的關系。第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日前面圖顯示了桿件的參數和坐標系。（確定和建立每個坐標系應該根據以下3條規則）

（1）Zi-1軸沿著第i關節運動軸；

（2）Xi軸垂直于Zi-1軸和Zi軸并指向離開Zi-1

軸的方向；

（3）yi按右手坐標系的要求建立。第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日按照上述規則，第0號坐標系在機座上的位置和方向可任選，只要Zo軸沿著第一個關節軸。根據上述對桿件參數和坐標的定義，描述串聯桿件相鄰坐標系之間的關節關系歸結為以下4個參數：

Θi繞Zi-1軸（右手規則）由Xi-1軸向Xi軸的關

節角。αi

繞Xi軸（右手規則）由Zi-1軸轉向Zi軸的

偏角。第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日di

從第i-1坐標系的原點到Zi-1軸和Xi軸的交點

沿Zi-1軸的距離。

ai從Zi-1軸和Xi軸的交點到第i坐標系原點沿Xi

軸的偏移距離。第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日將第i個坐標系表示的點ri在i-1坐標系表示，需要建立i坐標系和i-1坐標系的齊次變換矩陣：

第五十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日確定第i坐標系相對于機座的位置的齊次變換矩陣表示為：第五十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日運動學分析尺蠖式胃腸道微型機器人在任意姿態下尾部相對于頭部總體坐標系Oxy的位置和姿態

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