管道机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种管道机器人。


背景技术：

2.管道机器人在工业、医疗的应用越来越广泛，广泛应用于医疗监控、微管道安全检测、水下探测等领域。例如在医疗领域，血管机器人是一种可以进入血管并能够在血管内自由移动的微型机器人,它可以在血管里完成清除血栓、切除肿瘤、投放药物等工作，对防治心血管疾病具有重要的意义，是当前国内外微型机器人研究领域的热点，但现有的管道机器人一般需要电池供电，结构相对复杂，不能适应弯曲管道和粘稠的行进环境，鲁棒性差。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种管道机器人。
4.根据本发明提供的一种管道机器人，包括：
5.激发器，产生电磁波；
6.机器人本体，具有中间段、与中间段前端相连的前足以及与所述中间段后端相连的后足；
7.接收器，至少为2个，用于接收电磁波并能够产生热量使得所述前足、中间段、后足均能够在初始状态和膨胀状态之间切换进而使得机器人本体向前运动、停止或向后运动，其中：
8.当所述后足处于膨胀状态、前足处于初始状态时后足被定位在管道中，驱使所述中间段在初始状态和膨胀状态之间切换能够驱使所述前足前进或后退；
9.当所述前足处于膨胀状态后足处于初始状态时前足被定位在管道中，驱使所述中间段在初始状态和膨胀状态之间切换能够驱使所述后足前进或后退。
10.优选地，所述接收器包括填充有体积变化材料的接收器外壳，所述接收器外壳的内部配置有感应导体以及沿所述感应导体周向布置的接收线圈，所述感应导体处于体积变化材料中并在所述接收器的感应下能够产生焦耳热使得所述体积变化材料产生膨胀或在体积变化材料产生膨胀后感应导体不再产生焦耳热使得所述体积变化材料体积缩小。
11.优选地，所述前足、中间段、后足中各自具有的接收线圈分别具有不同的谐振频率进而使得能够通过激发器发射不同的谐振频率对前足、中间段、后足中的任一个的状态进行控制。
12.优选地，所述中间段分别与前足、后足连通或者不连通。
13.优选地，所述中间段分别通过两个单向阀与前足连通，中间段分别通过两个单向阀与后足连通。
14.优选地，管道机器人能够在浓稠状载体中运动。
15.优选地，对应的所述接收器均位于所述前足、中间段、后足的内部；或者
16.对应的所述接收器均位于所述管道的外部并采用如下任一种结构：
17.对应的所述接收器分别与前足、中间段、后足相连通；
18.对应的所述接收器分别与前足、后足相连通。
19.优选地，所述前足、中间段、后足均采用波纹管结构；或者
20.所述前足、后足均采用弹性膜结构。
21.优选地，所述前足被内部具有的前足弹性薄膜第三腔室、第四腔室，所述后足被内部具有的后足弹性薄膜通过弹性薄膜被分割为第一腔室、第二腔室，其中，第二腔室、第四腔室分别通过单向阀与所述中间段连通。
22.优选地，所述接收器自身的接收器外壳被前足、中间段、后足自身的壳体代替。
23.优选地，所述接收器外壳可形变或者不可形变；
24.所述接收线圈与激发器所具有的发射线圈的相对位置固定或者相对位置处于可变化的状态。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、本发明通过无线激发模式控制机器人在管道内运动，无需安装电池，依靠相变材料或流体的体积变化实现驱动行进，结构简单，控制精准，能够解决多种管道内的任务要求，为管道机器人提供了一种新的控制模式。
27.2、本发明中机器人本体可采用如弹性膜结构、波纹管等多种结构，能够应用于多种环境。
28.3、本发明除在管道内行进外，还能够在一些浓稠状载体、浓稠状流体中行进。
29.4、本发明中的激发器通过发射线圈发射不同频率的电磁波进而实现对机器人各个部位的精准控制，设计巧妙，控制方式简单。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
31.图1为本发明的结构示意图，其中，前足、中间段、后足均为波纹管的结构；
32.图2为接收器的截面示意图；
33.图3为本发明在管道中拐弯时的结构示意图；
34.图4为机器人本体完成一个周期作动的结构示意图；
35.图5为接收器布置在管道外部并分别通过管路与机器人连接时的结构示意图；
36.图6为接收器采用两个并布置在管道外部且接收器分别通过管路与机器人连接时的结构示意图；
37.图7为流体通过单向阀走向示意图，其中，虚线箭头为后足前进时流体的流向，实线箭头为前足前进时流体的流向；
38.图8为实施例5的结构示意图；
39.图9为实施例5中后足弹性壁面膨胀时的结构示意图；
40.图10为实施例5中流体通过单向阀走向示意图；
41.图11为实施例5中机器人的结构示意图，其中，后足展示了结构爆炸示意图；
42.图12为实施例5中机器人运动原理示意图；
43.图13为机器人在浓稠状载体中时的结构示意图；
44.图14为机器人在浓稠状载体中前足、后足两种状态的示意图，其中虚线为处于膨胀状态，实线为处于初始状态；
45.图15为单向阀的结构示意图，其中左侧的单向阀处于关闭状态，右侧的单向阀处于打开状态。
46.图中示出：
47.激发器1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三腔室232
48.机器人本体2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第四腔室233
49.后足21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
前足弹性壁面234
50.后足弹性薄膜211
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
单向阀24
51.第一腔室212
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
悬臂梁241
52.第二腔室213
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中心板242
53.后足弹性壁面214
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
环形支撑壳243
54.后足后壳215
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阀座25
55.第一凸齿2151
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收器3
56.后足前壳216
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收器外壳31
57.第二凸齿2161
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感应导体32
58.端盖217
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收线圈33
59.中间段22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
体积变化材料34
60.前足23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
管道4
61.前足弹性薄膜231
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
浓稠状载体5
具体实施方式
62.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
63.实施例1：
64.本发明提供了一种管道机器人，其特征在于，包括激发器1、机器人本体2、接收器3，机器人本体2能够在管道4中运动，其中，激发器1产生电磁波；机器人本体2具有中间段22、与中间段22前端相连的前足23以及与所述中间段22后端相连的后足21；接收器3接收电磁波并能够产生热量使得所述前足23、中间段22、后足21均能够在初始状态和膨胀状态之间切换进而使得机器人本体2向前运动、停止或向后运动，其中，热量优选为焦耳热，在某些场景中，也可以是其他的热，具体根据实际的场景灵活设计。
65.本实施例中的管道机器人，当所述后足21处于膨胀状态、前足23处于初始状态时后足21被定位在管道4中，驱使所述中间段22在初始状态和膨胀状态之间切换能够驱使所述前足23前进或后退；当所述前足23处于膨胀状态、后足21处于初始状态时前足23被定位在管道4中，驱使所述中间段22在初始状态和膨胀状态之间切换能够驱使所述后足21前进或后退。
66.如图2所示，接收器3包括填充有体积变化材料34的接收器外壳31，体积变化材料
34优选采用相变材料或相变复合材料，例如石蜡等，再例如采用包括膨胀石墨、石蜡和镍粉在内的材料。接收器外壳31的内部配置有感应导体32以及沿所述感应导体32周向布置的接收线圈33，感应导体32处于体积变化材料34中并在所述接收器2的感应下能够产生焦耳热，具体地，交流激励在激发器1所具有的发射线圈上产生交变磁场，耦合到接收器2所具有的接收线圈33，接收线圈33内部产生高频电流，导致感应导体32表面温度急剧升高，进一步使得体积变化材料34状态发生膨胀。
67.进一步地，体积变化材料34在感应导体32产生焦耳热时产生膨胀，在体积变化材料34产生膨胀后，如果感应导体32不再产生焦耳热，则体积变化材料34的体积会缩小。
68.需要说明的是，前足23、中间段22、后足21中各自对应的接收线圈33分别具有不同的谐振频率进而使得能够通过激发器1发射不同的谐振频率对前足23、中间段22、后足21中的任一个的状态进行控制，也就是说，根据机器人的运动路径通过控制激发器1发射不同的谐振频率实现对前足23、中间段22、后足21相应状态的控制，进而实现机器人前进、停止或后退的运动。
69.实施例2：
70.本实施例为实施例1的一个优选例。
71.如图1所示，本实施例中的管道机器人为无缆驱动的管道机器人，激发器1位于管道4的外部，机器人本体2包括依次相连前足23、中间段22、后足21，前足23、后足21均垂直于管道4布置，中间段22沿管道4的轴向方向布置，前足23、中间段22、后足21均优选为波纹管结构，前足23、中间段22、后足21均不连通，前足23、中间段22、后足21中均布置有一个接收器3且各个接收器3均具有不同的谐振频率，接收器外壳31为可变形的结构，如采用弹性膜结构等。
72.机器人本体2整体为柔性结构，不仅可以在管道4的长度方向上发生变形，而且在经过弯曲管道4时还可发生弯曲变形使得整个机器人本体2可以在管道4内拐弯，如图3所示，前足23、后足21的主变形方向沿管道径向，中间段22的主变形方向沿管道的轴向，前足23、中间段22、后足21依次正交连接且依次均不连通。
73.如图4所示，本实施例中机器人本体2在管道4中运动的原理如下：
74.初始状态：前足23、中间段22、后足21均处于初始状态，机器人本体2未发生变形；
75.驱动步骤1：能量输入激发器1的发射线圈发出与后足21内接收线圈33匹配频率信号f1，与f1对应的复合材料发生相变体积膨胀，后足21沿自身长度、管道4的径向方向发生变形膨胀伸长，后足21的两端分别与管道4的内壁接触挤压进而被定位，从而不能够在管道4内部移动。
76.驱动步骤2：能量输入激发器1的发射线圈发出与中间段22内接收线圈33匹配信号f2，中间段22沿自身长度方向发生变形，推动前足23向前移动。
77.驱动步骤3：能量输入激发器1的发射线圈发出与前足23内接收线圈33匹配信号f3，前足23沿管道4径向方向发生变形，前足23的两端分别与管道4内壁接触挤压而被定位，前足23不能够在管道4的内部移动。停止对频率为f1、f2的接收线圈33进行能量传输，中间段22、后足21均恢复到初始状态，与信号f1对应后足21向前移动，从而整个机器人本体2完成一个周期作动。
78.重复步骤1～3，实现对机器人本体2在管道4内连续步进运动。
79.需要说明的是，可以采用不同的激发器1发射不同信号的电磁波，也可以采用同一个激发器1发射不同信号的电磁波，进而实现机器人本体2不同部位形变的控制。另外，对于前足23、中间段22、后足21分别与接收器3之间具有腔体，可以在腔体中加入流体，以使得当接收器3形变时能够敏感的引起前足23、中间段22、后足21的形变，也可以将接收器3的外形与前足23、中间段22、后足21的外形设计为近似的形状，在接收器3形变时能够直接导致前足23、中间段22、后足21的形变。
80.在某些特定场景中，接收器3自身的接收器外壳31可以被前足23、中间段22、后足21自身的壳体代替，体积变化材料34直接填充到前足23、中间段22、后足21中。
81.需要说明的是，本实施例中的机器人结构能够在浓稠状载体5中运动，浓稠状载体5为流体、流固共存体、桨状体或微颗粒集合体等，如图13、图14所示，前足23、后足21的外壳均优选为大变形薄膜结构，中间段22采用波纹结构，接收器3分别位于前足23、中间段22、后足21中，基于本实施例中的原理，也可以实现在浓稠状载体5中的移动，具体地，当后足21处于膨胀状态、前足23处于初始状态时，由于后足21的横截面积大于前足23的横截面积，因此中间段22伸长能够驱使前足23向前运动，基于前足23和后足21在不同状态下横截面积的差异导致的行进阻力不同能够使得整个机器人在浓稠状载体5的内部前进或后退，但是应注意，在浓稠状载体5中运动前足23和后足21不能被完全定位，但能够实现整体前进或后退的运动。
82.进一步地，本实施例中的机器人可以在人体的浓稠状体液、血液中运动以达到医疗的目的。
83.实施例3：
84.本实施例为实施例2的一个变化例。
85.本实施例与实施例2相比，将三个接收器3置于管道4的外部，接收器外壳31不可变形，三个接收器3的接收器外壳31分别与前足23、中间段22、后足21通过管路相连，如图5所示，通过对三个接收器3的控制可对前足23、中间段22、后足21内压力进行调节，且本实施例中将接收线圈33与发射线圈相对位置固定，可实现大功率且连续稳定驱动过程。
86.本实施例中的机器人也能够实现在浓稠状载体5中运动的效果。
87.实施例4：
88.本实施例为实施例1的另一个变化例。
89.本实施例与实施例2相比，中间段22的一端分别通过两个单向阀24与前足23连通，中间段22的另一端分别通过两个单向阀24与后足21连通，采用两个接收器3，两个接收器3的接收器外壳31分别与前足23、后足21通过管路相连，或者将两个接收器3分别置于前足23、后足21的内部，如图6、图7所示。
90.本实施例中，当两个接收器3分别置于前足23、后足21的外部时，接收器外壳31不可变形，前足23、后足21的两侧上均配置有阀座25，其中，一个接收器外壳31通过管路连接前足23上的阀座25，另一个接收器外壳31通过管路连接后足21上的阀座25上，前足23、后足21也分别通过阀座25连接中间段22,前足23与中间段22之间的阀座25上设置有两个单向阀24，且两个单向阀24的阀向相反；后足21与中间段22之间的阀座25上设置有两个单向阀24，且两个单向阀24的阀向相反；通过单向阀24控制后足21、前足23分别与中间段22之间的流体进行交换。
91.本实施例中的单向柔性悬臂梁阀片均优选采用单向柔性悬臂梁阀片，如图15所示，单向柔性悬臂梁阀片包括中心板242、布置在中心板242周向的环形支撑壳243以及连接环形支撑壳243和中心板242的多个间隔布置的悬臂梁241，每相邻的两个悬臂梁之间形成间隙，图15中的左侧、右侧阀座25上分别安装有单向柔性悬臂梁阀片，阀座25上具有流道通孔，左侧阀座25上中心板242将流道通孔堵住，单向柔性悬臂梁阀片处于关闭状态，右侧阀座25上中心板242由于流体推动离开阀座25，流体通过悬臂梁241之间的间隙将流动到阀座25另一侧，单向柔性悬臂梁阀片处于打开状态。
92.进一步地，两个阀片悬臂梁242宽度尺寸不同，对应的单向阀24具有不同的开启压力(如图10所示，中间的两个单向阀24的悬臂梁241的宽度小于两侧的两个单向阀24的悬臂梁241的宽度)，如后足21通向中间段22的单向阀24的开启压力为po1，中间段22通向前足23的单向阀24的开启压力为po2，则po2＞po1，此外还可以通过改变阀片厚度尺寸、阀片悬臂梁241的数目实现单向阀24不同的开启压力。
93.如图6、图7所示，本实施例的驱动原理如下：
94.初始状态：后足21、中间段22、前足23均未发生变形；
95.向前运动：能量输入发射线圈，发射线圈发出与后足21相连的接收器3中的收线圈33匹配信号f1，与f1对应接收器3内的相变材料发生相变体积膨胀，后足21中的相变材料沿管路流入后足21内部使得后足21膨胀进而径向方向发生变形，后足21两端分别与管道4内壁接触挤压被定位从而不可移动。此时后足21内部压力p1＜po1；随着持续能量的输入使后足21内部压力po1＜p1＜po2，后足21通向中间段22的单向阀24开启流体从后足21流入中间段22，中间段22内部压力增大po1＜p1＝p2＜po2，中间段22沿自身长度方向发生变形，推动其右侧前足23向前移动；持续能量输入使得p1＝p2＞po2时，中间段22到前足23的单向阀24打开，流体从中间段22流到前足23中使得前足23沿管道4径向方向发生变形，前足23的两端分别与管道4内壁接触挤压而被定位，前足23不能够在管道4内部移动；断电停止对激发器1对应频率f1的能量输入，与后足21连接的接收器3内复合材料体积减小形成负压，后足21中的流体通过管路流入到接收器3的内部进而使得后足21恢复到初始状态而不被定位，此时，由于中间段22内的压力大于后足21内的压力，中间段22到后足21方向上的单向阀24打开，流体从中间段22流回到后足21中使得中间段22沿长度方向缩短回到初始状态进而带动后足21向前运动，从而整个机器人本体2完成一个周期作动。
96.后退运动：同理，能量输入激发器1中的发射线圈发出与前足23相连的接收器3中接收线圈33相匹配的信号f2可实现驱动器后退运动。
97.本实施例中的机器人也能够实现在浓稠状载体5中运动的效果。
98.实施例5：
99.本实施例为实施例4的变形。
100.本实施例提供了一种管道机器人，与实施例4的不同之处在于：后足21中设置有后足弹性薄膜211并被后足弹性薄膜211分割为第一腔室212、第二腔室213，接收器3布置在第一腔室212中，第二腔室213的周向壁面为后足弹性壁面214，在第二腔室213内部压力变大时能够外凸形变，如图8、图9、图10、图12所示，当接收器3的体积变大时能够膨胀驱使后足弹性薄膜211朝向第二腔室213一侧凸出进而使得后足弹性壁面214外凸鼓出，此时后足21被定位在管道4的内部，当第二腔室213的压力逐步升高时，第二腔室213中的流体通过单向
阀24能够进入到中间段22中，与实施例4中相同的原理能够驱使前足23前进。
101.前足23被内部具有的前足弹性薄膜231分割为第三腔室232、第四腔室233，接收器3布置在第三腔室232中，第四腔室233的周向壁面为前足弹性壁面234，在第四腔室233内部压力变大时能够外凸形变，当接收器3的体积变大时能够膨胀驱使前足弹性薄膜231朝向第四腔室233一侧凸出进而使得前足弹性壁面234外凸鼓出，此时前足23被定位在管道4的内部，与实施例4中相同的原理能够驱使后足21前进。
102.在实际应用中，两个接收器3均具有不同的谐振频率，接收器外壳31为可变形的结构，后足21包括后足前壳216、与后足前壳216相匹配的后足后壳215以及端盖217，端盖217为刚性结构体，端盖217和后足后壳215之间形成第一腔室212，后足后壳215和后足前壳216之间形成第二腔室213，如图11所示，后足后壳215的一侧的壁面上延伸出多个间隔布置的第一凸齿2151，后足前壳216的一侧壁面上延伸出多个匹配第一凸齿2151的第二凸齿2161，第一凸齿2151背向后足后壳215轴心的一侧为内凹的结构，第二凸齿2161朝向后足前壳216轴心的一侧为凸出的结构，后足弹性壁面214位于第一凸齿2151和第二凸齿216之间并呈环状结构，后足弹性壁面214能够在每相邻的两个第二凸齿2161之间的间隙中凸出到外部进而接触管道4的内壁而定位后足21。前足23的结构相对于中间段22与后足21的结构对称，此处不再赘述。
103.本实施例中的机器人也能够实现在浓稠状载体5中运动的效果。
104.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
105.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。