[发明专利]振动机器人蠕动器

说明书

技术领域

本发明涉及用于在表面上蠕动的机器人(robotic)设备，无论是平面还是在腔中，尤其是利用设备的振动借助于具有外部表面的柔性纤维推动设备，所述外部表面具有相对于设备在其上蠕动的表面的各向异性摩擦。

背景技术

用于提供沿腔向下的自动运动(autonomous motion)的当前技术大致包含具有多个移动部件的相对复杂的机构，由于当前技术的限制这约束了微型化。此外这些技术经常需要顺序控制致动，这使得其运行复杂化。

此外一般使用的大多数方法不能在例如相对较小管道的有限空间中，或者只能在那些为设备预先确定的环境中工作。由于移动部件的复杂性、多样性，致动器和控制电路、传感器以及内部电源的可能性需求，具体地像在管道这样微型化必不可少的狭窄环境中，现有技术机构受到尺寸限制，且具有复杂的组件以及相对高的成本。更加具体地对于医学运用，对于具有最少数量的移动部件(出于医学安全原因)的不引起排斥的微型系统的要求，现有技术机构通常距离最优还有很大距离。

因此，需要简单的、由最少数量的移动部件组成自动微型移动机构，并且所述机构在不同环境中性能良好。

由环节动物尤其是蚯蚓的蠕动运动引起的移动，启发了对在震动(oscillating)微型结构和腔的壁或者被穿越的表面之间的摩擦的使用。所述设备提供简单的机器人自动蠕动设备。

在Autonomous Robots Journal Vol 21(2)第155-163页中发表的题目为“Development of a biomimetic miniature robotic crawler”的文章，描述了赋予被动的钩状摩擦性微型结构的分块的人工蠕动器的发展，所述微型结构使用形状记忆合金弹簧使其躯干在低频下交替地大幅收缩和伸展，由此引起移动。钩为设备的前进提供必要的各向异性摩擦。

在Advanced Motion Control，2002，第599-603页发表的题目为“in pipe bristled micromachine”的文章中，微型机械移动原理是基于在倾斜震动的刚毛梢端和管壁之间的方向性摩擦力。在该设备躯干中使用小幅高频压电致动器。

在所述两个系统中，摩擦构件限制了接触表面几何形状，即如果应用为在管道中移动的机器人设备，因为没有包含调节机构，机器人设备可以应用的直径范围就变窄。此外，通过利用例如形状记忆合金或者压电致动器的尺寸变化致动器来改变在两个或者多个锚固刚毛之间的距离以实现移动。

CP.Xenis的美国专利文件No.2917762“用于行进通过管道的器械”，描述了用于在管道中行进的器械，其包括被安置为圆柱形的倾斜的刚性纤维，所述器械具有稍微超出管道内径的直径，并且由于振动前进。如同描述中所述，在纤维和器械纵轴线的法线之间大约15的倾斜角将使纤维与管道内部表面接触时产生各向异性摩擦。然而，纤维的刚性和仅在纤维的梢端引起的摩擦将管道直径范围限制到器械可以应用的范围。另外，该器械局限于在管道中使用。

J.W.Armstrong的美国专利文件No.3885356“振动输送装置和研磨机”描述了使用振动堆积材料的输送带系统，所述材料具有朝向进给方向倾斜的柔性纤维，并且所述系统在靠近纤维的方向中振动，以移动在其上的物体。该专利描述了仅振动纤维的梢端的特定使用，所述纤维用于支撑负载和用于提供在那里的运动。

A.J.Billington et al的美国专利文件No.5575378“传输方法和用于此方法的器械”，描述了另一种振动纤维输送装置系统，该系统不使用纤维而使用以很高密度堆积包装的大量非常细并且相对短的柔性纤维，为使在纤维上的负载移动提供缓冲元件。纤维还可以被置于物体上，以使物体相对于基部移动。这种纤维构造的使用避免了对由输送装置运输的易碎物体的损坏。

J.V.Mizzi的美国专利文件No.5770913“使用振动换能器驱动器的致动器、马达以及无轮的自动机器人设备”描述一种设备，其提供使用振动换能器驱动器的致动器、马达以及无轮子的自动机器人设备的其中一个。振动换能器驱动器连接到往复的元件，由振动驱动器往复地驱动。为将往复元件的往复运动转化为运动提供摩擦表面。被驱动的构件通过与摩擦表面的接触移动。该专利建议了一种由3M公司供应的“Tran纤维(Fibre-Tran)”材料作为在所述专利中使用的良好材料。这种材料依赖于所用倾斜纤维的梢端的各向异性摩擦。