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 20mm 管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I微型管道机器人结构设计AbstractThe in-pipe micro robot is an important research direction in the field of microrobot. The miniature piping robot can enter and work in the narrow and small spacewhere the person cant do, it is to be widely used in many places. The in-pipe microrobot based on screw motion wheels is suitable for moving and inspection inside smalldie meter pipes ，and can exercises in the small caliber certain scope libbers andflections degree tube. The micro in-pipe screw motion wheels robot include three parts:driving mechanism, motor/reducer and holding mechanism, it structure is simple, controlconvenience. This text carry on the theories for the in-pipe micro robot move whichorganization based on screw motion wheels, put forward the total design project, designto each part, have design the parts shape, the size and the materials, and the link projectof three parts .On this foundation, to carry on the possibility technique analysis for theproduct, design the micro in-pipe screw motion wheels robot for the bore 20mm pipes.Key words: The in-pipe micro robot, screw motion wheel, organizationII微型管道机器人结构设计目 录第一章 绪 论 . 错 误 ！ 未 定 义 书 签 。11 微 型 机 器 人 技 术 的 发 展 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。12 微 管 道 机 器 人 的 研 究 现 状 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。13 微 (管 道 )机 器 人 研 究 展 望 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。131 “微 ”的 深 入 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。132 应 用 领 域 进 一 步 扩 大 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。14 本 论 文 的 工 作 要 点 .错 误 ！ 未 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 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。211 压 电 驱 动 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。212 SMA 驱 动 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。213 超 声 波 驱 动 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。214 电 磁 驱 动 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。22 微 管 道 机 器 人 的 移 动 方 式 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。221 轮 式 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。222 足 式 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。223 螺 旋 式 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。224 蠕 动 式 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。225 几 种 典 型 移 动 方 式 的 比 较 研 究 .错 误 ！ 未 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 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。24 微 管 道 机 器 人 设 计 应 注 意 的 几 个 问 题 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。25 总 体 设 计 方 案 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。251 管 内 螺 旋 轮 式 机 器 人 机 构 设 计 的 思 想 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。252 整 体 机 构 总 体 设 计 .错 误 ！ 未 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 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。311 承 载 能 力 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。312 移 动 速 度 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。32 各 主 要 零 件 的 设 计 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。321 轮 子 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。322 轮 轴 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。323 扭 臂 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。III微型管道机器人结构设计324 前 元 实 体 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。325 前 单 元 实 体 扭 簧 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。326 软轴接 头 1.错 误 ！ 未 定 义 书 签 。327 电 动 机 和 减 速 器 的 选 择 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。328 软轴接 头 2.错 误 ！ 未 定 义 书 签 。329 软轴接 头 3.错 误 ！ 未 定 义 书 签 。3210 后 单 元 实 体 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。3211 后 单 元 实 体 扭 簧 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。3212 其 它 零 件 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。33 本章小结 .错 误 ！ 未 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 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。42 存在的问题和日后需要进一步研究的方向 .错 误 ！ 未 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 。5IV微型管道机器人结构设计第 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 MEMS 科 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 LSl(大规模集成电路)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 DNA 有机高分子和1微型管道机器人结构设计超大分子之迷。瑞典 Uppsala 大学也研制了利用它 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 20mm 的 微 管 道 机 器 人 的 研 究 则 刚 起 步 并 被 人 们 关 注 和 研 制 。管道 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 AKAHARU 等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 5.smm，长 20mm，重 1g，可 以 在 管 径 为 smm 的管道中行 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 8mm 的管道内 实验得到的最大运动速度为 10mm/s 11。M.C.Carozza 等 人 研 制 了 一 种 气 动 力 驱 动 的 用 于 肠 内 窥 镜 的 微 机 器 人 29，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 42mm，伸 胀时长为 80mm。其上载有 CCD 微摄像机。Iwao Hayashi 等人研制了一种基于螺旋原理的管内微型机器人，这种微型机器人 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 2mm 一7m 脚的矩形截面的 18 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 25.4m 从，曲率半径为 3O0mm 的弯管中行进，牵引力可达 6.5N，最高行走速率为 34mm/s 10。Sllinji Aramaki 等 人 研 制 了 一 种 应 用 形 状 记 忆 合 金 的 管 型 微 机 械 手 ，它 是 一 种 以形状记忆合金(SMA)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 10mm，长为 80mm，可以在内径为 25mm 的管道中进行探伤 10。Masaki TAKAHASHI 等 人 研 制 了 一 种 基 于 蛆 叫 的 运 动 模 型 的 管 道 内 微 机 器 人32，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 FMA 被 气 压 驱 动 时 ，机 器 人 的 多 腿 移 动 铰 链 。其 最 大运动速度为 2.2mm/s，最 大 牵 引 力 0.22N，可 在 直 径 为 20mm 的管道内灵活地运动 10。西门子公司 Werne:Neubaue:等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 TOSHIBA 公 司 研 究 开 发 出 一 种 新 型 微 管 道 机 器 人 。该 机 器 人 长110mm，外 径 23mm，重 16g，运 动速度达 6mm/s。它通过一台小巧的 1/4 英寸，410000 像 素 的 CCD 摄 像 机 进 行 观 察 ，摄 像 机 装 在 其 两 指 手 和 橡 胶 柔 性 微 驱 动 器(FMA)的上方。手臂长巧 15mm，可以拾起 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 .血 球 或 正 常 组 织 的 细 胞 ，识 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 20mm 的 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 20mm 左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 20mm 的 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 MA)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/cm2)，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 2-1 的微管道机器人 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 2-1 基于压电元件振动的微管道机器人模型如 图 2-2 所 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 2-2 一种压电驱动器的动作过程8微型管道机器人结构设计212 SMA 驱 动SMA 形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 2-3 所示。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3mm，而 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 R 相 变 态 形 状 记 忆 合 金 ，则 可得 到 图 2-4 所 示 的 有 价 值 的 温 度 变 化 特 性 。由图 2-3，2-4 可以看出，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 2-3 金 属 片 与 SMA 的 图 2-4 利 用 R 相 变 态 的 SMA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 2-5 基 于 SMA 驱 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 OA(办 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 MIT 的 Al 小 组 研 制 了 一 台 名 为 squirt 的 智 能 微 型 机 器 人 ，用 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 CMOS 总 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。 squirt 的大脑为 Motorola 的 6811 微处理器。动力源为 2 节铿电池，配有光感和声 觉传感器。Squirt 机器人，包括 计算 机 、传 感 器 、控 制 电 路 在 内 ，全 部 尺 寸 为 1 立