【毕业论文】微型管道机器人结构设计

微型管道机器人结构设计 摘 要 管道移动微型机器人是微型机器人领域的一个主要研究方向。微型管道机器 人能进入人所不能及的狭小空间作业，在许多领域有着广阔的应用前景。螺旋轮驱 动的微型管内机器人是一种适合小口径管内移动作业的微型机器人，能在一定范围 管径和弯曲度的小口径管内运动。微型管道螺旋轮式机器人机构包括：驱动机构、 减速电机和保持机构三部分，结构简单，控制方便。本文对基于螺旋轮驱动的管道 微型机器人的移动机构进行了理论分析，提出了总体设计方案，对各部分进行了设 计，完成了零件形状、尺寸大小和材料的设计，以及三部分之间连接方案的设计。 在此基础上，对设计产品进行了可行性技术分析，设计出了适合管径20道微 型螺旋轮式机器人。 关键词 ：微型管道机器人 螺旋轮 机构 he is an in of in t it is to be in on is in ca it is on on to of On to on 0mm 录 第一章 绪 论 . 错误！未定义书签。 11 微型机器人技术的发展 .定义书签。 12 微管道机器人的研究现状 .定义书签。 13 微(管道)机器人研究展望 .定义书签。 13 1 “微”的深入 .定义书签。 13 2 应用领域进一步扩大 .定义书签。 14 本论文的工作要点 .定义书签。 第二章 微管道机器人的结构设计与总体方案 . 错误！未定义书签。 21 微管道机器人的驱动方式 .定义书签。 21 1 压电驱动 .定义书签。 21 2 .定义书签。 21 3 超声波驱动 .定义书签。 21 4 电磁驱动 .定义书签。 22 微管道机器人的移动方式 .定义书签。 22 1 轮式 .定义书签。 22 2 足式 .定义书签。 22 3 螺旋式 .定义书签。 22 4 蠕动式 .定义书签。 22 5 几种典型移动方式的比较研究 .定义书签。 23 几种典型微管道机器人的结构特点与性能分析 .定义书签。 24 微管道机器人设计应注意的几个问题 .定义书签。 25 总体设计方案 .定义书签。 25 1 管内螺旋轮式机器人机构设计的思想 .定义书签。 25 2 整体机构总体设计 .定义书签。 第三章 机械机构主要零件的设计 . 错误！未定义书签。 31 载能力及移动速度的理论计算 .定义书签。 31 1 承载能力 .定义书签。 31 2 移动速度 .定义书签。 32 各主要零件的设计 .定义书签。 32 1 轮子 .定义书签。 32 2 轮轴 .定义书签。 32 3 扭臂 .定义书签。 2 4 前元实体 .定义书签。 32 5 前单元实体扭簧 .定义书签。 32 6 软轴接头 1.定义书签。 32 7 电动机和减速器的选择 .定义书签。 32 8 软轴接头 2.定义书签。 32 9 软轴接头 3.定义书签。 32 10 后单元实体 .定义书签。 32 11 后单元实体扭簧 .定义书签。 32 12 其它零件 .定义书签。 33 本章小结 .定义书签。 第四章 结论与展望 . 错误！未定义书签。 41 取得的结果 .定义书签。 42 存在的问题和日后需要进一步研究的方向 .定义书签。 参 考 文 献 . 错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。声明 . 错误！未定义书签。 5一章 绪 论 11 微型机器人技术的发展 微型机器人技术的研究是学与技术的一个重要内容，微型机器人与其它微系统、微技术相比，它更着重于“作业的操作”1 。 自工业机器人问世以来，机器人的种类日益繁多、性能不断改进、工作领域也在不断扩大。从深海到宇宙空间，在各种人体所不能承受的极限环境条件下都能找到机器人的应用。目前，机器人研究又开始进入一个全新的发展领域 :巨型系统( 如全自主控制的高人工智能无人航天站) 和微型系统2， 3， 4。 近 10 多年来由于硅制造工艺和集成度的飞速发展，使得微型化成为可能。这一前景为工业界提供了一个新的开发领域，以美国、日本、法国为首的一些工业发达国家对此都十分重视，投入了大量的人力和资金开展这方面的研究与设计。美国国防部也认为微型化、特别是毫微米级系统的研究对美国的工业和国防具有极其重要的意义。美国国防高级研究计划局决定到本世纪末用于开展微型系统研究的经费将增加三倍。 微型机器人是结构尺寸微小、器件精密，可进行微细操作的机都人。微型机器人是 80 年代末开始发展，现己成为国际上科技界的一个热点的微电子机械系统的研究开发的重要分支。它有着广泛的应用前景和社会需求。目前诸如信息技术中的控制系统和信息处理系统的微型智能机器人 ;用于操作血球、操作细胞的微机器人 ;医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人等的研究正在进行中。 微型机器人系统的应用领域正在不断扩大。有些系统己进入实用阶段，微型机器人也己进入某些领域，但从总体上来说，大多数微型机器人系统还处于实验室研制和原型机开发阶段，但在生物医学、微细作业系统、核工业、航空航天、军事工程等方面已取得了较大的进步。 日本东京大学研制的钠米机器人，它是在电子显微镜下工作的系统。它由右腕、左腕和基座所组成。右腕由压电元件驱动三轴，左腕由粗动和压电元件驱动三轴，基座有 2轴机构。其工具使用金刚石刀或用电解钨针。这一纳米机器人己作过 规模集成电路) 表面的铝配线切断实验。 英国提出的 3M 计划是指研制分子测量机，它可揭示诸如 机高分子和1微型管道机器人结构设计 超大分子之迷。 瑞典学也研制了利用它进行切割 200 脚硅片、硅片熔接、制作硅单晶微型针等的微机器人，它在电子显微镜下工作的。它有两个作业腕，分别有 4 个和 3 个自由度。其工具是针状的摄子8。 在处理核电站事故时，各种机器人将发挥巨大的作用。其中当然也少不了小型机器人。法国目前已开发出一整套在核辐射环境下工作的机器人，从重量 20 公斤的小型机器人到重达 30 吨的大型无人驾驶车辆。小型机器人身背各种传感器，通过裂缝、管道等进入发生事故的核电站内部，寻找辐射源，了解事故发生的情况。管道内微机器人通过无线电遥控或是通过光导纤维控制，可提供核电站内的温度、压力、辐射强度等各方面的信息以及通过摄像机提供内部的画面，还可以利用其机械臂控制开关、转动手柄等，进行一些必要的操作。 其它类似的精巧小器件正不断地由科学家的智慧之手创造出来， 如比蜘蛛丝还细的部件，体积小于尘粒的齿轮，重量比灰尘还轻的发动机，现代科学技术的发展为微型机器的问世创造了有利的条件。例如，红外技术和新型透镜有助于微型影像系统的研究和开发，精密的硅侵蚀技术能够生产出更小的电脑、小型发动机和微型传动装置使得用微型轮和螺旋推讲装置得以与世人见面。 毫微米技术将列入下一个世纪的技术议事日程，毫微米机器人必袋成为人类的又一大“杰作”，为我们未来的世界增辉添色。像这类的研究，可能目前还找不到具体的应用领域，但其研究成果却能影响微型化的进程。也可能在 10 年或 20 年后将会应用到人类生活的各种领域。 微型化是工业发展的必然趋势之一，是高科技成果的结晶。我国在微型机器人研究方面基本上还是空白。这与我国的微电子、电机工业的整体水平是密切相关的。我国正在发展通用的工业机器人，与此同时，应重视微型机器人的发展和基础研究。可选择水平较高的大学和研究所对国际上的微型化技术开展跟踪研究，以便使我国在微型系统大发展的时代到来时不至于差距太大。 12 微管道机器人的研究现状 微管道机器人的研制，开发与其他微电子机械系统一样，涉及的面很广，不仅需要新概念，新理论而且还须新材料，新工艺。它是真正机、电、光、磁等一体化的开始，因而微机器人技术作为微电子机械技术的一个重要组成部分，为许多领域2微型管道机器人结构设计 的应用研究开拓了道路，是当前世界上有极好前景的科技领域之一。 对于那些人类无法进入的危险区域，如核动力工厂和石油化工厂的大量管道的探伤和维修都十分需要管道机器人。虽然大管道中行走的机器人在国内外均有所开发，但在管径小于 20道内微机器人的研制和开发的难度除了与其他微电子机械系统一样需涉及多学科的理论和技术之外，管内操作还会碰到一系列特殊的问题1， 2， 3。 微管道机器人的研究在日本和德国等国家开展得比较早，也比较好，出现了有些好的成果。日本工人研制了一种带压电步进移动机构的管内探伤微机器人，该机器人的直径为 20 1g，可以在管径为管道中行走。它由四部分组成 :一个支撑体，两个涡电流传感器，一个移动机构和一个散热器。移动机构可以视为一个壳体( 机器人的支撑体) ，一个压电元件和一个惯性质量块( 内装传感器，散热器等) 。当压电元件的电压缓慢增加时，压电元件伸胀推动质量块前移，然后电压迅速下降，压电元件很快收缩。此时移动机构的内力超过了最大静摩擦力，支撑向前移动。由此周期性地重复上述过程微机器人即可以连续向前移动。同理，只须按相反顺序控制电压变化，就可以获得从原来位置向相反的方向移动。在 80mm/s11。 9，它的结构及移动机构的移动原理与参考文献相似，仅驱动是由压缩空气驱动而不是压电驱动。它的外形是圆柱形，直径为 15m。收缩时长为 42胀时长为 80上载有种微型机器人在驱动力矩作用下在管道内的运动是靠主体两侧的滚轮在管壁上滚动从而使主体沿管轴方向移动。在主支撑板的两侧各装有三个轮子，且错位放置，其轮子靠螺圈弹簧转动，主体板间又由矩形截面的螺圈弹簧连接，此螺圈弹簧为一个 28 圈的弹簧。它前进及导向由导向单元控制牵引，此机器人可在管内壁直径为 率半径为 3引力可达 高行走速率为 34mm/s10。 它是一种以形状记忆合金(为致动器的管型微机械手。它的电器部件用多功能集成薄膜，薄膜上包括加热器、传感器、导线和电极。机械手的动作由传感器的位置信号反馈3微型管道机器人结构设计 回路来控制。 目前已推出的有两自由度的和五自由度的两种。 机械手直径为 10为 80以在内径为 250。 2，该机器人有三个运动部分组成，每个部分对应蛆好的段，每一段有一个柔性微驱动器和四个铰链组成。当气压驱动时，机器人的多腿移动铰链。其最大运动速度为 s，最大牵引力 在直径为 200。 西门子公司人研制的微管道机器人有 4、 6、 8 只脚三种类型，可在各种类型的管里移动，其基本原理是利用腿推压管壁来支撑个体，多腿可以很方便地在各种形状的弯管内移动。然而，多腿结构在移动时会损耗过多的能量且控制变得特别复杂10。 最近，日本 机器人长110径 23 16g，运动速度达 6mm/s。它通过一台小巧的 1/4 英寸，410000 像素的 像机装在其两指手和橡胶柔性微驱动器(上方。手臂长巧 15以拾起 1 克重的物体10。 在国内微管道机器人的研究才起步，还没有成功的报告。但相关技术的研究还不少。颜国正等进行过微小型蠕动驱动管道探测机器人运动机理的研究，据说上海大学等单位也在从事微管道机器人的研究，己取得了初步的研究成果。 特别要说明的是由于目前所研究的微管道机器人基本上处于实验室研究阶段，这些机器人的控制方法都比较简单，还没有将现代智能控制技术应用于这些机器人的控制，故这些机器人离实际应用还有一段距离。 13 微(管道)机器人研究展望 131 “微”的深入 科学家们预测，人类进入 21 世纪后、世界上将会出现大量的微型机器人。微型技术前程远大，机器人组件将进一步缩小，出现在现代人面前的将不再是小型机件，而是微型乃至于毫微型机件。 利用微型技术，可以将宇航器硬件按比例大幅度缩小体积，以满足其体积小、重量轻的空间特殊要求。微型技术在医学领域也大有用武之地，用它生产出的微型“药弹”( 即给药系统) 里装有传感器、贮药囊和微型泵，进入体内后能在需要的部位释放出适当的药量。特别值得一提的是显微外科手术，微型硅钳和硅管可以修复4微型管道机器人结构设计 目前技术无法确保治愈的微细血管。比光纤导管细得多的成像探针插入细胞组织后，能够拍摄人体内部的超声波图像。灵敏的选分仪器由于可对单个细胞 进行分离和计数，因此能提高白血球和精子计数等化验的精确度。在制造业方面，微型技术可以清洁室内那些必须在防尘或无尘条件下工作的设备，实现微型化可以缩小其积尘表面面积。 在科技人员的宏伟“蓝图”里，微型机器人能够根据编排好的程序进入火箭或飞机的发动机里，在“心脏”部位从事精细的检测或维修工作。有人设想向人体血液中注射一些潜艇式毫微米机器人，用于治疗心脏病。有趣的是，每一个机器人的体积都比一个红血球更小，一个皮下注射器能够装下上百万个这种机器人。它们从溶解在血里的氧和葡萄糖获取能量，按编入的程序探测遭遇到的物体。如果遇上的 别出后不予理会。然而在碰到了沉积动脉血管壁上的胆固醇或者病毒，就会分别立即将其打碎或消毒，使之成为废物通过肾脏过滤排出。几个星期后，动脉血管变得畅通无阻，血液中也不见病毒了。 当然，从微型机件到能工作、会行走的微型机器人的出现，甚至毫微米机器人的问世，需要进行长期艰苦的探索，还有大量的工作要做。作为研制微型机器人的第一步，目前微型机器内外部件的研制工作进展很快，不断地取得突破。 132 应用领域进一步扩大 由微型机械组装的微型机器人大有用武之地，它们可以从事大型机器人无法做的收集信息和智能操作等各项工作。 在工业上，微型机器人能够用来加工三维密集连接的硅片结构，制造下一代更微小的超微型机器人。 农业上可以用微型机器人将农药取而代之，因为撒在农田里的成千上万的微型机器人能杀灭害虫，在确保庄稼收成好的同时还可避免作物和环谙的污染。 在医学上，植入人体血管中的微型机器人能从大腿的静脉经由微细血管送入心脏。它们首先用装在前端的摄像机“诊察”心脏血管内部的情况，然后用安装在身上的微型手术刀做手术。 军事上可利用微型机器人在海下监听噪音，在发现异常时喷洒出化学染料，显示敌潜艇所处的位置，以便用导弹将其摧毁。哨所周围如果有装备了红外传感器的微型机器人“站岗放哨”，能够收集到入侵者兵力部署等信息。 用微型机器人可以代替宇航员，进行星球探测。它们数以千计地撒在需要探测5微型管道机器人结构设计 的星球后，能够用微型电视摄像机把星球上的地形和地貌等图像传送到作中继用的星球车上，然后再传送到地面上。 14 本论文的工作要点 本研究致力于研究与设计一种可以在内径为 20工业管道内从事检测和维护作业的微管道机器人。该机器人具有高度自治智能控制系统，可以进入人类无法进入的狭窄空间或危险区域，如航天飞机、导弹、核动力工厂等的微细管道内从事电缆布线，管道的检查，维护等。 1、本文分析了微( 管道) 机器人的研究现状及其发展趋势，系统地研究了微机器人的驱动原理、移动原理，并提出了选择微管道机器人的移动机构的理论根据。在分析报道的几种微管道机器人的特点的基础上，提出微管道机器人设计的一般性问题。 2 本文系统的分析了当前几种微型管道机器人的优缺点，并提出了自己的设计方案。 3运用传统机械设计的模式设计了能沿内径在 20右的微型管道机器人机构，并巧妙的设计了连接板，机架，电机外壳等的结构！ 4. 在设计完该机器人时，对微型管道机器人的稳定性作了进一步的分析，并在此基础上，分析了自己设计的机器人的稳定性。 5. 在完成机器人结构设计的同时，简单 的设计了机器人的控制系统。实现了电机正反转和调速的功能。 6微型管道机器人结构设计 第二章 微管道机器人的结构设计与总体方案 对于那些人类无法进入的危险区域或狭窄空间，如核动力工厂和石油化工厂的大量管道的探伤和维修，航空航天装置等的维护与维修都十分需要管道机器人。虽然在大管道中行走的机器人在国内外均有研究和开发，也有成功使用的例子。但在管径小于 20微小管道中移动的微型机器人的研究则刚起步，并受到关注。微管道机器人通常由驱动机构、保持机构、减速机等几个部分组成。 21 微管道机器人的驱动方式 微管道机器人的研究核心之一是微驱动器的研究，它的体积、重量、价格和性能，在很大程度上决定了微管道机器人的体积、重量、价格和性能指标。 目前，用作微机器人的驱动源的大致有以下几种方式12：压电驱动、形状记忆合金(s 驱动、电磁转换驱动、气动驱动、磁致伸缩驱动、橡胶驱动、高分子凝胶驱动、超导驱动、超声波驱动等等。下面就常用的几种驱动方式作些分析。 211 压电驱动 压电材料是一种受力即产生应变，在其表面出现与外力成比例电荷的材料，又称压电陶瓷。反过来，把一电场加到压电元件上，则压电元件产生应变，输出力或变位。通常压电元件的能量变换率高( 约 50%)，驱动力大(3500N/响应速度快(几十毫秒) ，稳定性好，驱动精度高。故通常压电元件用作微机器人的动力源有两种驱动方式: 一种是利用其动态响应快的特点，作高频振动，利用振动作为动力源；另一种是利用其驱动力大、精度高的特点，驱动位移或力作为驱动源。 如图 2微管道机器人13，由双压电型驱动元件和 4 块弹性翼片组成，当频率为双压电驱动元件的共振频率电源加到驱动元件时，双压电驱动元件发生共振，由于弹性翼片与管道内壁的动摩擦作用，则会发生驱动元件的滑动，左边的动摩擦小于右边的动摩擦力时，双压电元件( 机器人主体) 向左运动。反之亦然。 7微型管道机器人结构设计 图 2于压电元件振动的微管道机器人模型 如图 2示，利用压电元件的驱动位移或力作为动力源12，对应图中的初始状态，当压电元件通以一定的电荷，则压电元件急剧膨胀，获得小的位移; 电磁夹夹紧，增加驱动器与导轨之间的摩擦 ;在夹紧状态下压电元件急剧收缩，压电元件恢复为初始长度，由于惯性向左移动，从而获得驱动位移。 图 2种压电驱动器的动作过程 8微型管道机器人结构设计 212 动 状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任意形状，当加热到某一适当的温度时，则恢复为变形前的形状。 常用作驱动器的 M 相变态的形状记忆合金和金属片的温度弯曲（变化）曲线，如图 2示。 从图中可以看出，在室温和 100C 的温度区间内，双金属片的弯曲变化量仅为3相同形状记忆合金的一大特点；第二个特点是变化方向的自由度大，由两种金属片贴合而成的双金属片的变化方向只能是垂直贴合面的方向，形状记忆合金是单一材料，没有方向的依成性，可向任意方向变位，如做成线圈状扩大动作行程；第三个特点是变位在特定温度下急剧发生，加热时和冷却时的动作温度稍有不同，温度迟滞曲线类似于磁性材料的磁化曲线。如果利用可得到图2由图 2以看出，形状记忆合金驱动器具有温度迟滞性，它适合于通一关动作，在迟滞环以上的通动作和在迟滞环以下的关动作，即使温度略有变化，驱动力和变位量也不发生变化。因此，若用作通一关元件，则只需控制温度的上升和下降。可使用直接通电加热、热流体加热、激光加热等加热方式。 图 2属片与 图 2用 R 相变态的 温度弯曲特性 元件的温度弯曲特性 9微型管道机器人结构设计 图 2于动器的微管道机器人 213 超声波驱动14所谓超声波驱动器，就是利用超声波振动作为驱动力的一种驱动器，即由振动部分和移动部分组成，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的一种驱动器。 70 年代美国首先研制出超声波驱动器。近十年来，由于压电陶瓷材料研究的突破，在全世界掀起了超声波驱动器研究的高潮，相继开发出各种各样的超声波驱动器。由于超声波驱动器没有铁心和线圈、结构简单、体积小、重量轻、响应快、力矩大，不需配合减速装置就可以低速运行，因此很适合用于 公室自动化)机器、照相机和摄像机等的驱动，也可用于机器人、汽车电器等的驱动。目前，超声波驱动器己得到较广泛的应用。 超声波驱动器有三种动作方式:振动方向变换型、行进波型和复合振动体型 214 电磁驱动15根据电磁相互转换的原理利用电磁力驱动作为动力源的电磁驱动是微机器人的重要驱动方式之一。由于电磁驱动器结构简单、成本低、易于加工，且驱动力强、行程大，动作频率较高为主要特点。 22 微管道机器人的移动方式 微管道机器人的移动方式通常有轮式、足式、蠕动式、螺旋式等。 221 轮式 在常规尺寸，轮式机器人因其运动的连续性、平稳性以及车辆技术的成熟性而广为应用。然而在微小型尺寸范围，轮式却受到了很大的限制，主要原因首先是电10微型管道机器人结构设计 机的制约，目前商品化的微电机尺寸较大;其次是机械传动结构的制约，涡轮、单向离合器等精密微小型零件的制造，也存在技术上的困难。这就使得轮式机器人目前的尺寸不能太小。 解决办法是一方面有待于微制造技术的发展，使三维微小零件产品化，另一方面需要可用于微小型机器人的直接驱动电机，以简化传动链，缩小尺寸。 美国轮式结构，它的传动链由微电机、行星齿轮和蜗轮组成，微电机联接一个 16:1 的行星齿轮，又通过 22:1 的蜗轮藕合到后轴上，带动一个后轮。另一个后轮在一单向离合器的作用下转动，前面为一从动轮支撑。一个由 线驱动芯片构成的“H，桥电路驱动微电机，通过脉冲调制束控制速度。大脑为 6811 微处理器。动力源为 2 节铿电池，配有光感和声觉传感器。器人，包括计算机、传感器、控制电路在内，全部尺寸为1立方英寸。 日本第二届机器人登山比赛上，有一台机器人采用世界上最小的超声波电机，驱动链短，整机尺寸为我国在这方面也有一些研究，如哈尔滨工业大学研制了直进轮式全驱动管内行走机构。其结构如图21在机构的前后3等分均布，分别在弹簧2的拉力作用下使压在管内壁上，电机3通过蜗杆4与蜗轮5等轮系驱动前后6个轮向同一方向转动，弹簧封闭力的大小可以通过齿轮6至7及对称3等分均布的3个齿轮8来调螺纹的伸出及缩小来调整，这样便产生驱动力驱动管内行走机构沿轴向前进或后退16。 图 2构的原理图 还有清华大学精密仪器及机械学系研制了一种小型管道检测机器人17，该管道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道,包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、11微型管道机器人结构设计 垂直管以及变径管接口等,了具有通 用性,适应不同半径的管道检测,系统在设 计中,采用全驱动直进式结构,由三个直流电机通过蜗轮蜗杆副,带动三个径向均 布的驱动轮,通过一个剪形弹簧压紧机构使驱动轮撑紧管壁,依靠摩擦力运动(图 2剪形压紧机构具有可调接合点,调节接合点的位置,可使机器人的驱动轮径向缩进或扩张,从而调节弹簧的压紧力,使机器人能够运行于垂直管道;三个电机以不同速度旋转,机器人可以通过弯管;三个电机所提供的牵引力较大,因此,机器人可以长距离运行。 图 2道机器人机械本体 本文中研究的微型管道机器人与该机器人有较大的相似性。详细结构留在后文详述。 222 足式 足式与轮式相比，采用特殊材料，直接驱动，使驱动源与移动载体合二为一，结构简单，控制也容易得多，因此足式与轮式相比，在微型化方面更具有潜力。 日本用压电元件制成的足式步行机器人，两足采用双压晶片型的压电元件，利用它的振动直接蹬着地面前进。为了控制方向，又在左右各装了一个压电元件，压12微型管道机器人结构设计 电元件的尺寸为 102加电压 70V，4怡的交流电，产生的振幅为10m。 此外，足式机器人还有采用形状记忆合金作为驱动元件的。 223 螺旋式 东京工大开发出了基于螺旋运动原理的轮式微型机器人。图2微型机器人的本体由几个单元体通过弹簧连接而成,每个单元体上均布有三只支撑臂,用螺旋弹簧将支撑臂上的小轮紧压在管道内壁上。每个 、 小轮的轴线相对单元体的轴线倾斜了一个角度，通过软轴将扭矩作用于单元体上使微型机器人运动。该机器人带上微型摄像机可用于细小工业管道的检测工作。率半径不小于 200的管道内移动,速度约34/。图2图 2旋轮式移动原理 （1 细小管道；2 轮子的螺旋线轨迹；3小轮；4 本体；5 驱动力） 13微型管道机器人结构设计 图 2单元体的结构 224 蠕动式 蠕动式结构依靠柔性形体的变形产生位移( 移动) ，具有较大的吸引力，但对不同的蠕动机理，蠕动规律及控制等尚需深入研究。人研制了一种基于蚯蚓的运动模型的管道内微机器人，该机器人有三个运动部分组成，每个部分对应蚯蚓的段，每一段有一个柔性微驱动器和四个铰链组成。当 气压驱动时，机器人的多腿移动铰链。其最大运动速度为 s， 在直径为 20管道内灵活地运动。其动作原理如图 2示。 225 几种典型移动方式的比较研究 评价一种移动方式的优劣可以有许多方法，如考虑运动的机动性，对地形的适应性等，针对微小型移动机构，本文从环境推力与几何尺寸等要素的关系进行评估。 为便于评估，引入符号F它表示对图2移动体最大周长CL，移动体表面积及与地面接触面积S移动体的体积V若移动体密度厂，则质量m=V因此移动体自身的各种物理要素均可由几何尺寸要素加以表征。 14微型管道机器人结构设计 图 2动体示意图 1轮式：环境推力摩擦系数为，则 F= 当几何尺寸减少1/2时，推力则降低1/8。 2足式：环境推力此 F= 3蠕动式：环境推力 F 为推进体与管壁间的摩擦力，这个摩擦力由推进体内气压而产生，设： F=当几何尺寸减少1/2时，推力则降低1/4。 某些环境里，上述运动是在壁面吸附的条件下进行的。移动体依靠吸附力平衡自重，克服倾覆力矩，完成运动作业，其吸附力为： F=此处示单位面积上的吸附力。 可以看出足式和轮式在环境推力和几何尺寸的关系上是相同的，蠕动式的环境推力和吸附式的吸附力对应于几何尺寸的表达式也彼此相近。对于足式与步进式，当尺寸减少时，推进力下降幅度较大，当减少到一定尺寸后，会造成推力不足。因15微型管道机器人结构设计 此在某些场合，常常选用大比重材料做车身，以增加自重，或选用新型材料以增加摩擦系数。相比之下，采用蠕动式和吸附式，其环境推力(或吸附力)对移动体尺寸变化的敏感度较低，这有利于尺寸的微小化。 上述的评估过程，仅仅限于环境推力，且考虑的情况比较理想，实际上要考虑的要素很多，如惯性阻力、表面张力、分子吸附力、静电引力、磁力等等，情况也复杂得多。 23 几种典型微管道机器人的结构特点与性能分析 上述驱动原理及移动方式决定了微机器人的结构形式，微机器人主要有车式(电机驱动，轮式移动)，仿生昆虫式(压电、电磁驱动，蠕动式、足式)。 根据查阅有关资料，目前国外所研究的微管道机器人主要有以下几种： 1. 带步进压电移动机构的管内微探伤机器人18图2图 2伤机器人的外观 其驱动方式为压电驱动器，利用压电元件应变的驱动力和位移驱动，属蠕动移动方式。该机器人的直径为 20 19g，可以在管径为 8管道中行走。它由四部分组成:一个支撑体 ，两个涡电流传感器，一个移动机构和一个散热器。移动原理如图2动机构可以视为一个壳体(机器人的支撑体)，一个压电晶体和一个惯性质量块 (内装传感器，散热器等)。当压电元件的电压缓慢增加时，压电元件伸胀推动质量块前移，然后电压迅速下降，压电元件很快收缩。此时移动机构的内力超过了最大静摩擦力，支撑向前移动。由此周16微型管道机器人结构设计 期性地重复上述过程微机器人即可以向前行进。同理可以获得从原来位置向相反的方向的行进，只须按相反顺序控制电压变化。在8s。 ) 向右移动 ) 向左移动 c ） 压电驱动原理图 图 2电冲击式管道微型机器人运动示意图 9它的结构及移动机构的行进原理与第一种管内微机器人相似，仅驱动是由压缩空气驱动而不是压电驱动式的，这里不再详述。其移动原理图可以参见图2的外形是圆柱形的，直径为 15缩时长为 42胀时长为 80上载有图 2内窥镜微机器人的移动原理 17微型管道机器人结构设计 3 基于螺旋原理的管内微型机器人20这种微型机器人在驱动力矩的作用下在管道内运动是靠主体两侧的滚轮在管壁上滚动从而使主体沿管道方向移动。如图 2示基于螺旋原理的管内微型机器人的运动机构。在主支撑板的两侧个装有三个轮子，且错位放置，其轮子依靠螺圈弹簧转动（如图2主体板间又由矩形截面的螺圈弹簧连接，此螺圈弹簧为一个 2矩形截面的 18 圈的弹簧。连接成的微型机器人如图 2示，它前进及导向单元控制牵引，此机器人可在管内壁直径为 率半径为300高行走速率为34mm/s。 图 2行机构 图 2于螺旋原理的微型管道机器人 4应用形状记忆合金的管型微机械手21它是一种以形状记忆合金（简称为 制动器的管形微机械手。它的电18微型管道机器人结构设计 器部件用多功能集成薄膜。薄膜上包括加热器、传感器、导线和电极。机械手的动作由传感器的位置信号反馈回路来控制。目前已开发出两自由度和五自由度两种。图2械手直径为10为80以在内径为25图 2国科技大学研制出了基于状记忆合金)导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微型机器人。携带内窥镜检测的微型机器人在可控的阻存在一一对应的关系,所以例中,过对其通电控制,微型机器人 头部的内窥镜整体能在空间三维方向弯曲成所需要的形状,乃至复杂的 S 形,因此微型机器人容易穿越大肠不规则的各种管道,大大降低患者的痛苦。 图2示为该微型机器人主动引导机构。 图 2窥检查微机器人主动引导机构 19微型管道机器人结构设计 5仿蚯蚓运动的管道内微型机器人21如图2一种基于蚯蚓运动模型的微管道机器人，该机器人有三个运动部分组成，每个部分对应蚯蚓的段，每一段有一个柔性微驱动器和四个铰链组成。当器人的多腿移动铰链。其最大运动速度为2.2 mm/s，最大牵引力 在直径为 20管道内灵活地运动。其动作原理如图2图 2 2仿蜘蛛垂直爬管微机器人21如图 2示。这类机器人有 4、6、8 只脚三种类型，可在各种类型的管里移动，其基本原理是利用腿推压管壁来支撑个体，多腿可以很方便的在各种管道形状的管内移动。然而，多腿结构在移动时会损耗过多的能量及其控制特别复杂。其控制结构如图27新型微管道机器人 20微型管道机器人结构设计 如图 2示，是日本 司研究开发出一种新型微管道机器人。一同步马达驱动一个行星轮机构，行星轮机构中的多个轮由行星减速齿轮和蜗轮驱动，使它们紧贴住管壁，确保能在垂直弯管内上升和下降。连接前后轮的可伸缩的橡皮管提高了机动性，使其能够拐弯。机器人的运动和操作都是遥控的。 图 2蜘蛛垂直爬管微机器人 图 2控制结构 像机和 的动作由摆动