一种微型管道机器人移动机构的设计.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 30卷 第 3期2005年 6月 昆 明 理 工 大 学 学 报 ( 理 工 版 )Journal of Kunm ing University of Science and Technology ( Science and Technology)Vol. 30 No13 Jun. 2005收 稿 日 期 : 2005 - 01 - 11.第 一 作 者 简 介 :王 小 龙 (1977 ) ,男 ,在 读 硕 士 . 主 要 研 究 方 向 :工 业 机 器 人 . E - ma il:wxl_26126. com一 种 微 型 管 道 机 器 人 移 动 机 构 的 设 计王 小 龙 , 马 骏 骑 , 杨 尚 平 , 杨 启 敏(昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 ,云 南 昆 明 650093)摘 要 : 论 述 了 微 型 管 道 机 器 人 移 动 机 构 的 发 展 背 景 ,在 介 绍 了 已 有 的 微 型 管 道 机 器 人 移 动 机 构的 基 础 上 ,指 出 了 这 种 移 动 机 构 的 缺 陷 . 然 后 设 计 了 一 种 新 型 微 型 管 道 机 器 人 的 移 动 机 构 ,并 给出 了 其 运 动 机 理 及 电 磁 铁 的 主 要 参 数 计 算 公 式 . 这 种 新 型 微 型 管 道 机 器 人 的 移 动 机 构 以 电 磁 驱动 ,可 实 现 在 微 型 管 内 的 双 向 蠕 动 运 行 ,并 能 够 较 顺 畅 的 随 弯 管 形 状 被 动 转 向 .关 键 词 : 管 道 机 器 人 ；蠕 动 ；电 磁 驱 动中 图 分 类 号 : TP242. 2 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1007 - 855X (2005) 03 - 00046 - 04New W a lk ing M echan ism of M icro In - P ipe RobotW AN G Xiao 2lo ng, M A J un2q i, YAN G Shang2p ing, YAN G Q i2m in( Faculty ofMechanical and Electrical Engineering, Kunm ing University of Science and Technology, Kunm ing 650093, China)Abstract: The background of walking mechanism of m icro in - p ipe robot is firstly demonstrated in this paper.Through the introduction of existing walking mechanism , some defects are pointed out. Then, a new walkingmechanism is designed, and the movement p rincip le and the formulae for major parameters of electromagnet areoffered. The new mechanism, which is actuated by electromagnetic power, can wriggle in a small p ipe in two di2rections, and walk in a bent p ipe smoothly and easily.Key words: p ipe robot； wriggling； electromagnetic actuation0 引 言在 核 工 业 、 石 油 化 工 业 等 领 域 ,管 道 作 为 一 种 有 效 的 输 送 装 置 而 得 到 广 泛 的 应 用 . 但 是 ,大 量 的 管 道 ,尤 其 是 小 口 径 管 道 (管 道 直 径 小 于 80 mm的 细 管 )在 使 用 一 段 时 间 后 ,难 免 会 出 现 裂 纹 、 穿 孔 等 损 伤 . 因 此 ,管 道 机 器 人 作 为 一 种 管 道 的 故 障 诊 断 、 检 测 及 维 修 的 可 行 性 工 具 应 运 而 生 ,并 越 来 越 受 到 重 视 .移 动 机 构 是 微 型 管 道 机 器 人 重 点 研 发 的 领 域 之 一 ,现 阶 段 国 内 外 微 型 管 道 机 器 人 移 动 机 构 的 驱 动 方 式可 分 为 压 电 驱 动 、 静 电 驱 动 、 电 磁 驱 动 、 气 压 驱 动 、 形 状 记 忆 合 金 ( SMA)驱 动 、 热 膨 胀 驱 动 、 光 驱 动 及 超 声 波 驱动 等 1 .而 机 器 人 的 行 走 方 式 又 可 分 为 惯 性 冲 击 行 走 、 蠕 动 爬 行 、 弹 性 针 型 振 动 行 走 及 轮 式 行 走 等 2 .各 种 行 走 方 式 有 各 自 的 优 越 性 和 局 限 性 . 其 中 蠕 动 爬 行 方 式 负 载 能 力 强 ,动 作 可 靠 且 易 于 微 型 化 ；但不 易 实 现 且 运 动 速 率 较 慢 . 现 有 的 蠕 动 式 微 型 机 器 人 ,大 多 采 用 气 压 驱 动 (如 上 海 大 学 根 据 蚯 蚓 蠕 动 原 理研 制 的 蠕 动 式 管 内 机 器 人 3 )、 形 状 记 忆 合 金 驱 动 (如 上 海 交 通 大 学 研 制 的 仿 蚯 蚓 柔 性 蠕 动 机 器 人 4 )、 储氢 合 金 驱 动 5 等 驱 动 方 式 . 其 中 气 压 驱 动 结 构 复 杂 ,不 易 微 型 化 ；形 状 记 忆 合 金 驱 动 和 储 氢 合 金 驱 动 ,由于 均 需 要 对 执 行 器 进 行 反 复 加 热 和 散 热 ,以 实 现 驱 动 单 元 的 膨 胀 与 收 缩 ,但 在 微 小 管 道 环 境 下 ,驱 动 单 元的 散 热 会 变 得 十 分 困 难 .鉴 于 电 磁 驱 动 方 式 结 构 简 单 、 工 作 可 靠 、 响 应 速 度 快 ,且 发 热 量 较 小 、 易 于 小 型 化 的 特 性 ,本 文 认 为 电磁 驱 动 方 式 与 蠕 动 行 走 方 式 相 配 合 ,是 较 为 合 理 的 设 计 方 案 .1 已 有 设 计 方 案 的 介 绍 6 现 有 的 一 种 电 磁 驱 动 蠕 动 式 管 内 机 器 人 的 移 动 机 构 如 图 1所 示 . 其 主 要 部 分 为 :衔 铁 m1 ,螺 管 式 电 磁 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 铁 本 体 m2 ,前 后 两 组 支 腿 ,以 及 位 于 m1 和 m2 之 间 的 螺 旋 弹 簧 .机 器 人 的 运 动 机 理 可 分 为 三 个 步 骤 ,如 图 2所 示 . 机 器 人 的 运 动 是 这 三 个 步 骤 不 断 循 环 动 作 的 结 果 .1) 在 初 始 状 态 时 ,电 磁 铁 失 电 ,弹 簧 处 于 自 由 状 态 ,故 m1 与 m2 分 离 ,如 图 2a；2) 当 电 磁 铁 通 电 时 , m1 与 m2 吸 合 . 由 于 安 装 在 m1 与 m2 上 的 支 腿 与 管 壁 呈 一 定 的 倾 角 ,故 支 腿 在 正向 (即 图 2中 左 向 )受 到 的 摩 擦 力 远 小 于 在 逆 向 (即 图 2中 右 向 )受 到 的 摩 擦 力 ,实 现 单 向 自 锁 ,所 以 当 m1与 m2 吸 合 时 , m1 不 动 ,而 m2 向 左 移 动 了 一 段 距 离 ,如 图 2b；3) 再 断 开 电 源 ,电 磁 力 作 用 消 失 ,由 于 支 腿 的 作 用 , m2 不 动 ,而 m1 在 弹 簧 力 的 作 用 下 向 左 移 动 了 一段 距 离 . 这 时 机 器 人 回 到 初 始 状 态 ,且 整 个 机 构 向 左 前 进 了 一 步 .2 改 进 型 电 磁 蠕 动 微 型 机 器 人 的 结 构 设 计 及 其 运 动 机 理以 上 介 绍 的 管 道 机 器 人 移 动 机 构 具 有 结 构 简 单 、 单 位 行 程 较 长 、 动 作 灵 敏 、 控 制 方 便 等 特 点 ；但 同 时 ,这 种 结 构 也 存 在 以 下 三 个 固 有 的 缺 陷 :1) 不 能 双 向 运 动 . 由 于 机 器 人 支 腿 的 单 向 自 锁 性 ,因 此 机 器 人 只 能 单 向 运 动 ；2) 转 弯 困 难 . 由 于 机 器 人 以 一 组 电 磁 铁 为 主 要 结 构 ,而 且 机 器 人 在 运 动 时 ,支 腿 始 终 与 管 壁 接 触 ,因此 ,当 遇 到 半 径 较 小 的 弯 曲 管 道 时 ,机 器 人 的 运 动 将 会 比 较 困 难 ,甚 至 有 卡 死 的 可 能 ；3) 出 现 紧 急 情 况 时 撤 出 困 难 . 当 机 器 人 出 现 故 障 或 管 道 阻 塞 时 ,由 于 支 腿 的 单 向 自 锁 性 ,故 要 想 将 其退 出 工 作 管 道 将 十 分 困 难 .鉴 于 上 述 管 道 机 器 人 移 动 机 构 的 缺 点 ,本 文 所 提 出 的 机 器 人 的 改 进 方 案 如 图 3a所 示 ,其 移 动 机 构 由三 组 电 磁 铁 及 其 之 间 的 柔 性 关 节 组 成 ,可 以 看 作 是 由 两 个 柔 性 关 节 连 接 的 三 个 环 节 所 组 成 ,每 个 环 节 的 结构 与 图 1相 似 ,但 支 腿 改 为 弹 性 支 撑 . 其 中 柔 性 关 节 为 万 向 轴 结 构 ,可 实 现 管 道 内 的 自 由 偏 转 . 弹 性 支 撑 为有 一 定 韧 性 的 橡 胶 棒 ,其 两 端 分 别 与 衔 铁 和 电 磁 铁 本 体 铰 接 ,每 个 环 节 上 有 六 个 均 匀 分 布 的 弹 性 支 撑 . 为描 述 方 便 起 见 ,机 器 人 的 结 构 可 简 化 表 示 为 图 3b所 示 . 其 中 标 有 阿 拉 伯 数 字 1、 2、 3的 椭 圆 型 图 案 分 别 代表 机 器 人 的 第 一 、 二 、 三 环 节 ,其 中 椭 圆 长 轴 水 平 状 态 代 表 该 环 节 上 的 电 磁 铁 处 于 失 电 状 态 (如 图 3b中 第一 环 节 ) ,而 椭 圆 长 轴 垂 直 状 态 则 代 表 该 环 节 上 的 电 磁 铁 处 于 通 电 状 态 (如 图 3b中 第 二 、 三 环 节 ).机 器 人 的 运 动 由 电 磁 力 驱 动 ,其 直 管 中 的 运 动 机 理 如 图 2所 示 . 可 分 为 四 个 步 骤 ,机 器 人 的 直 线 运 动是 这 四 个 步 骤 不 断 循 环 动 作 的 结 果 :1) 在 初 始 状 态 下 ,第 一 环 节 上 的 线 圈 失 电 ,而 第 二 、 三 环 节 上 的 线 圈 通 电 . 此 时 ,第 一 环 节 上 的 弹 性 支撑 趋 向 伸 直 而 与 管 道 分 离 ；而 第 二 、 三 环 节 上 的 弹 性 支 撑 则 趋 向 弯 曲 而 与 管 道 压 紧 ,如 图 4a；2) 将 第 一 环 节 上 的 线 圈 通 电 ,同 时 第 二 环 节 上 的 线 圈 失 电 ,而 第 三 环 节 上 的 线 圈 保 持 通 电 ,则 第 一 环节 向 左 移 动 了 一 段 距 离 ,如 图 4b；3) 第 二 环 节 上 的 线 圈 通