專利名稱：電磁楔型微小管道機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小管道機器人領(lǐng)域，尤其涉及電磁楔型微小管道機器人。
背景技術(shù)：
在微管道內(nèi)作業(yè)存在著很大的困難和危險，微小管道機器人為之提供了一種有效的技術(shù) 途徑。目前，微小管道機器人主要應(yīng)用于核電站、熱電站、化工、制冷等行業(yè)存在的眾多細 小管道以及各種復(fù)雜動力系統(tǒng)管道的檢測。眾多國家對微小管道機器人的發(fā)展都非常重視， 紛紛投入資金和時間對該類機器人技術(shù)展開了研究，并且已取得了一定研究成果。日本 DENSOCORP公司的研究實驗室開發(fā)了一種疊層壓電執(zhí)行器微型機器人，該機器人由四部分 組成60um厚的薄板金屬紡錘形基體、兩個渦流傳感器檢測管壁缺陷、運動機構(gòu)(運動機構(gòu) 包括三個U形彈簧夾緊單元彈性貼緊管壁、 一個疊層壓電執(zhí)行器和一個質(zhì)量塊)和散熱片， 機器人直徑僅為5.5mm，適用于8mm管徑的直管或彎管，移動速度10mm/s。上海大學(xué)精密 機械研究所對兩種壓電執(zhí)行器機器人進行了研究，其中疊層壓電執(zhí)行器機器人可適于10mm 管徑水平或豎直管道管內(nèi)作業(yè)，前進速度2.19mm/s，后退速度2.48mm/s，尺寸為09.8x22mm， 具有0 90度的爬坡能力；雙壓電晶片執(zhí)行器機器人，適于20mm管徑水平、豎直或彎曲管 道內(nèi)檢測，豎直管內(nèi)上下速度分別為4 6mm/s， 17 22mm/s。
目前微小管道機器人的行進方式主要有輪式直進、輪式螺旋推進和蠕動式，無論采用其 中任何一種方式，微小管道機器人行走機構(gòu)與管道壁之間的摩擦力均為某一固定值，而微小 管道機器人的牽引力小于該摩擦力，于是欲提高牽引力必須相應(yīng)地增大摩擦力，但是在實際 應(yīng)用中卻希望能獲得較大的牽引力的同時擁有較小的摩擦阻力。另外，目前具有雙向運動功 能的微小管道機器人在牽引力性能方面都不是很理想，例如2005年浙江大學(xué)研制的基于鈸形 壓電復(fù)合驅(qū)動的微小管內(nèi)機器人前進與后退運動均運行平穩(wěn)，但最大牽引力僅有15mN。最 后，目前在微小管道機器人領(lǐng)域，機器人模塊之間主要是通過萬向節(jié)或球鉸連接的，這種傳 統(tǒng)的連接方式在很多程度上限制了機器人在小管徑管道或大曲率彎管內(nèi)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、負載能力高、可 作雙向運動、管徑變化適應(yīng)能力強的電磁楔型微小管道機器人。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種電磁楔型微小管道機器人，包括伸縮機構(gòu)和兩件支承機構(gòu)，所述伸縮機構(gòu)的兩端分 別與一支承機構(gòu)相連，所述支承機構(gòu)包括紡錘形基體、永磁鐵楔型滑塊和線圈載體，所述紡錘形基體由中間線圈載體和位于中間線圈載體兩端的錐形部分構(gòu)成，線圈載體與錐形部分連 接，線圈載體和中間線圈載體上均繞設(shè)有電磁鐵線圈，錐形部分沿圓周方向均勻開設(shè)有至少 兩條導(dǎo)向滑槽，所述導(dǎo)向滑槽的底部相對于錐形部分的中軸線傾斜布置，各導(dǎo)向滑槽內(nèi)均裝 設(shè)一件永磁鐵楔型滑塊。
所述紡錘形基體上兩段錐形部分的錐形角為a，錐形部分與永磁鐵楔型滑塊之間的摩擦 角為Vi，永磁鐵楔型滑塊與微小管道內(nèi)壁之間的摩擦角為V2， a〈V2—V)/"
所述伸縮機構(gòu)與各支承機構(gòu)的線圈載體通過彈簧連接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的電磁楔型微小管道機器人，用電磁鐵線
圈控制永磁鐵楔型滑塊的軸向位置，在永磁鐵楔型滑塊產(chǎn)生軸向位移的同時通過紡錘形基體 中錐形部分改變永磁鐵楔型滑塊的徑向位置，使永磁鐵楔型滑塊相對于管道內(nèi)壁張開或收緊， 當永磁鐵楔型滑塊處于張開狀態(tài)時，可以與管道內(nèi)壁形成自鎖，為管道機器人獲得足夠大的 牽引力提供支持，當永磁鐵楔型滑塊處于收緊狀態(tài)時，不與管道內(nèi)壁接觸，為管道機器人在 管道內(nèi)的移動提供有利條件，由于永磁鐵楔型滑塊可與管道內(nèi)壁形成自鎖，于是管道機器人 與管道內(nèi)壁的靜摩擦力將隨著負載的增大而增大，使得管道機器人的負載能力不再受限于某
一固定大小的摩擦力，可在大負載的情況下仍然保持高速運動；通過永磁鐵楔型滑塊、電磁 鐵線圈和伸縮機構(gòu)之間的配合可以實現(xiàn)機器人在管道中的雙向行走和行走換向，并可以在緊 急情況下從任一方向快速安全退出；永磁鐵可在燕尾槽內(nèi)滑動，根據(jù)管徑或拐彎半徑的變化 滑移至燕尾槽內(nèi)的不同位置，使得管道機器人對管徑和方向變化具有較強的適應(yīng)性；伸縮機 構(gòu)與支承機構(gòu)通過彈簧連接，能夠傳遞伸縮機構(gòu)的運動，并降低了對伸縮機構(gòu)啟動力矩的要 求，起到緩沖沖擊的作用，同時還增強了管道機器人的柔順性，使得管道機器人可以通過大 曲率和變管徑管道。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的支承機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的紡錘形基體的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的永磁鐵楔型滑塊的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明的永磁鐵楔型滑塊處于自鎖狀態(tài)時的受力分析圖6是本發(fā)明的永磁鐵楔型滑塊處于松馳狀態(tài)時的受力分析圖7是本發(fā)明的機器人向右運動時的步驟分解示意圖8是本發(fā)明的機器人處于雙向拖出狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各標號表示1、伸縮機構(gòu)
2、支承機構(gòu)
3、彈簧
21、紡錘形基體
22、永磁鐵楔型滑塊
23、線圈載體
211、導(dǎo)向滑槽
中間線圈載體
213、錐形部分
導(dǎo)線通孔
215、主線圏
副線圈
具體實施例方式
如圖1至圖4所示，本發(fā)明的電磁楔型微小管道機器人，包括伸縮機構(gòu)1、兩件支承機 構(gòu)2和兩件彈簧3，兩件支承機構(gòu)2對稱布置于伸縮機構(gòu)1兩端，各支承機構(gòu)2包括紡錘形 基體21、永磁鐵楔型滑塊22和線圈載體23，紡錘形基體21由中間線圈載體212和位于中間 線圈載體212兩端的錐形部分213構(gòu)成，線圈載體23與錐形部分213連接，線圈載體23和 中間線圈載體212上均繞設(shè)有電磁鐵線圈，錐形部分213沿圓周方向均勻開設(shè)有至少兩條導(dǎo) 向滑槽211，導(dǎo)向滑槽211的底部相對于錐形部分213的中軸線傾斜布置，各導(dǎo)向滑槽211 內(nèi)均裝設(shè)一件永磁鐵楔型滑塊22，伸縮機構(gòu)1與各支承機構(gòu)2的線圈載體23通過一件彈簧3 連接。伸縮機構(gòu)1用于驅(qū)動機器人伸長和縮短，支承機構(gòu)2可將機器人支承于管道的內(nèi)壁上， 通過彈簧3連接伸縮機構(gòu)1與支承機構(gòu)2，能夠傳遞伸縮機構(gòu)1的運動，并降低了對伸縮機 構(gòu)1啟動力矩的要求，起到緩沖沖擊的作用，同時還增強了管道機器人的柔順性，使得管道 機器人可以通過大曲率和變管徑管道。
本實施例中，各支承機構(gòu)2的線圈載體23和中間線圈載體212均為圓柱體，錐形部分 213為圓錐臺，中間線圈載體212與線圈載體23之間通過錐形部分213連接，錐形部分213 靠近中間線圈載體212的一端為大徑端，靠近線圈載體23的一端為小徑端。中間線圈載體 212上纏繞的為一組主線圏215，兩線圈載體23上分別纏繞一組副線圈216，各組電磁鐵線 圈均采用單獨的線路控制通斷，紡錘形基體21沿軸向設(shè)有導(dǎo)線通孔214，用于布置連接電磁 鐵線圈的導(dǎo)線。導(dǎo)向滑槽211沿錐形部分213的圓周方向均勻設(shè)置有三條，并沿錐形部分213 表面傾斜設(shè)置，各導(dǎo)向滑槽211內(nèi)裝設(shè)一件可沿導(dǎo)向滑槽211滑動的永磁鐵楔型滑塊22。導(dǎo) 向滑槽211為燕尾式槽體，永磁鐵楔型滑塊22與導(dǎo)向滑槽211配合的連接部呈燕尾榫狀，永 磁鐵楔型滑塊22靠近中間線圈載體212的一端為N極，靠近線圈載體23的一端為S極。當 永磁鐵楔型滑塊22滑動至錐形部分213小徑端時，永磁鐵楔型滑塊22可以完全收攏于紡錘 形基體21內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)使管道機器人可以最大限度的縮減徑向占用空間，適于在微小型管道 中工作，通過曲率半徑較小的彎形管道。紡錘形基體21上兩段錐形部分213的錐形角為a， 錐形部分213與永磁鐵楔型滑塊22之間的摩擦角為i(n，永磁鐵楔型滑塊22與微小管道內(nèi)壁之間的摩擦角為V2， a〈v)/2—vi/i，本實施例中a=6°; ^ = 8.53°; \|/2=2.72°。當永磁鐵楔型 滑塊22處于自鎖狀態(tài)時，其受力狀況如圖5所示，圖5中G為防止永磁鐵楔型滑塊22下 滑的阻抗力，F(xiàn)為伸縮機構(gòu)l提供的主動牽引力，R為管壁作用于永磁鐵楔型滑塊22上的作用 力，F(xiàn)2為紡錘形基體21作用于永磁鐵楔型滑塊22上的作用力，由于G+FiSim)/2二F2sin(v^+a)， 且FiCOSv)/2二F2Cos (\(/2 + a)，則可得G = F (l—tam|/2/tan (vi + a))，令G《0,可得 ta拜2^tan (Vl+a)。所以當a<i|/2 —Vi時，阻抗力G《0,表明永磁鐵楔型滑塊22與管 壁之間實現(xiàn)了自鎖，因此，無論牽引力F如何增大，永磁鐵楔型滑塊22均不會滑動。當永 磁鐵楔型滑塊22處于松馳狀態(tài)時，其受力狀況如圖6所示，圖6中F為伸縮機構(gòu)1提供的主 動牽引力，F(xiàn)3為管壁對永磁鐵楔型滑塊22的作用力，紡錘形基體21在受F的作用后，對永 磁鐵楔型滑塊22失去支撐作用，永磁鐵楔型滑塊22在與管壁之間摩擦力的作用下與管壁脫 離接觸，使得支承機構(gòu)2可以開始沿管道軸向運動。
本發(fā)明的工作原理本發(fā)明的電磁楔型微小管道機器人，通過永磁鐵楔型滑塊22、電磁 鐵線圈和伸縮機構(gòu)1之間的配合實現(xiàn)機器人在管道中行走。用電磁鐵線圈控制永磁鐵楔型滑 塊22的軸向位置，在永磁鐵楔型滑塊22產(chǎn)生軸向位移的同時通過紡錘形基體21中錐形部分 213改變永磁鐵楔型滑塊22的徑向位置，使永磁鐵楔型滑塊22相對于管道內(nèi)壁張開或收緊， 當永磁鐵楔型滑塊22處于張開狀態(tài)時，與管道內(nèi)壁形成自鎖，為管道機器人獲得足夠大的牽 引力提供支持，當永磁鐵楔型滑塊22處于收緊狀態(tài)時，不與管道內(nèi)壁接觸，為管道機器人在 管道內(nèi)的移動提供有利條件。
本發(fā)明的電磁楔型微小管道機器人在基本的運動過程中， 一個運動周期包括四個步驟， 下面以在微小管道中向右移動為例，對電磁楔型微小管道機器人的運動原理作詳細說明。
如圖7a所示，電磁楔型微小管道機器人置于微小管道內(nèi)，初始狀態(tài)時，伸縮機構(gòu)l完全 伸展，兩支承機構(gòu)2中的各永磁鐵楔型滑塊22均位于遠離中間線圈載體212的一端，永磁鐵 楔型滑塊22靠近副線圈216的一側(cè)為S極，靠近主線圈215的一側(cè)為N極。
步驟一，如圖7b所示，伸縮機構(gòu)1保持靜止；左端的支承機構(gòu)2中各永磁鐵楔型滑塊 22保持初始狀態(tài)；右端的支承機構(gòu)2中主線圈215和兩件副線圈216通電，主線圈215的右 側(cè)為N極，左側(cè)為S極，兩件副線圈216的右側(cè)均為S極，左側(cè)均為N極，因此，該支承機 構(gòu)2中左端的永磁鐵楔型滑塊22沿導(dǎo)向滑槽211向靠近中間線圈載體212的一端移動，直至 永磁鐵楔型滑塊22與管道內(nèi)壁接觸，右端的永磁鐵楔型滑塊22保持靜止。
步驟二，如圖7c所示，兩件支承機構(gòu)2中的永磁鐵楔型滑塊22繼續(xù)保持歩驟一中所述 的狀態(tài)；伸縮機構(gòu)l開始收縮，帶動左端的支承機構(gòu)2向右移動一段距離。此時，右端的支 承機構(gòu)2通過其中左端的永磁鐵楔型滑塊22與管道內(nèi)壁形成自鎖，為左端支承機構(gòu)2的移動提供牽引力。
步驟三，如圖7d所示，伸縮機構(gòu)l保持靜止；左端的支承機構(gòu)2中主線圈215和兩件副 線圈216通電，主線圈215的右側(cè)為N極，左側(cè)為S極，兩件副線圈216的右側(cè)均為S極， 左側(cè)均為N極，因此，該支承機構(gòu)2中左端的永磁鐵楔型滑塊22沿導(dǎo)向滑槽211向靠近中 間線圈載體212的一端移動，直至永磁鐵楔型滑塊22與管道內(nèi)壁接觸，右端的永磁鐵楔型滑 塊22保持靜止；右端的支承機構(gòu)2中主線圈215斷電，兩件副線圈216通電，其中左端副線 圈216的右側(cè)均為N極，左側(cè)均為S極，右端副線圈216的左側(cè)均為N極，右側(cè)均為S極， 因此，該支承機構(gòu)2中兩件永磁鐵楔型滑塊22均沿導(dǎo)向滑槽211向遠離中間線圈載體212的 一端移動。
步驟四，如圖7e所示，兩件支承機構(gòu)2中的永磁鐵楔型滑塊22繼續(xù)保持步驟三中所述 的狀態(tài)；伸縮機構(gòu)l開始伸出，推動右端的支承機構(gòu)2向右移動一段距離。此時，左端的支 承機構(gòu)2通過其中左端的永磁鐵楔型滑塊22與管道內(nèi)壁形成自鎖，為右端支承機構(gòu)2的移動
提供牽引力。
至此，已完成向右運動的一個運動周期，機器人整體向上移動了一個步距h，按照與此 相反的動作順序就可實現(xiàn)向左運動。
在步驟三中，右端的支承機構(gòu)2還可以采用與左端的支承機構(gòu)2相同的方式控制，使右 端的支承機構(gòu)2中，左端的永磁鐵楔型滑塊22沿導(dǎo)向滑槽211向靠近中間線圈載體212的一 端移動，直至左端的永磁鐵楔型滑塊22與管道內(nèi)壁接觸，右端的永磁鐵楔型滑塊22保持靜 止。在此種狀態(tài)下進行步驟四時，左端的支承機構(gòu)2的功能與上述步驟四中的功能相同，右 端的支承機構(gòu)2中，雖左端永磁鐵楔型滑塊22與管道內(nèi)壁接觸，但不會與管道內(nèi)壁形成自鎖， 所以不影響伸縮機構(gòu)1推動右端的支承機構(gòu)2向右運動，同時，該種狀態(tài)下左端永磁鐵楔型 滑塊22還能起到一定的導(dǎo)向作用。
當有緊急情況發(fā)生需要將管道機器人在外力作用下拖出管道時，可采用如下措施如果 此時管道機器人正處于運動狀態(tài)，則可直接沿其運動方向拖出；也可以將管道機器人調(diào)整為 如圖8所示的雙向拖出狀態(tài)，此時管道機器人與管道完全脫離，沿管道兩端均可安全退出。
權(quán)利要求
1、一種電磁楔型微小管道機器人，包括伸縮機構(gòu)(1)和兩件支承機構(gòu)(2)，所述伸縮機構(gòu)(1)的兩端分別與一支承機構(gòu)(2)相連，其特征在于所述支承機構(gòu)(2)包括紡錘形基體(21)、永磁鐵楔型滑塊(22)和線圈載體(23)，所述紡錘形基體(21)由中間線圈載體(212)和位于中間線圈載體(212)兩端的錐形部分(213)構(gòu)成，線圈載體(23)與錐形部分(213)連接，線圈載體(23)和中間線圈載體(212)上均繞設(shè)有電磁鐵線圈，錐形部分(213)沿圓周方向均勻開設(shè)有至少兩條導(dǎo)向滑槽(211)，所述導(dǎo)向滑槽(211)的底部相對于錐形部分(213)的中軸線傾斜布置，各導(dǎo)向滑槽(211)內(nèi)均裝設(shè)一件永磁鐵楔型滑塊(22)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁楔型微小管道機器人，其特征在于所述紡綞形基體(21)上兩段錐形部分(213)的錐形角為a，錐形部分(213)與永磁鐵楔型滑塊(22)之間的摩 擦角為Vi，永磁鐵楔型滑塊(22)與微小管道內(nèi)壁之間的摩擦角為1|/2， a<vt/2_v|/i。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁楔型微小管道機器人，其特征在于所述伸縮機構(gòu)(1 ) 與各支承機構(gòu)(2)的線圈載體(23)通過彈簧(3)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電磁楔型微小管道機器人，包括伸縮機構(gòu)和兩件支承機構(gòu)，所述伸縮機構(gòu)的兩端分別與一支承機構(gòu)相連，所述支承機構(gòu)包括紡錘形基體、永磁鐵楔型滑塊和線圈載體，所述紡錘形基體由中間線圈載體和位于中間線圈載體兩端的錐形部分構(gòu)成，線圈載體與錐形部分連接，線圈載體和中間線圈載體上均繞設(shè)有電磁鐵線圈，錐形部分沿圓周方向均勻開設(shè)有至少兩條導(dǎo)向滑槽，所述導(dǎo)向滑槽的底部相對于錐形部分的中軸線傾斜布置，各導(dǎo)向滑槽內(nèi)均裝設(shè)一件永磁鐵楔型滑塊。該電磁楔型微小管道機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、負載能力高、可作雙向運動、管徑變化適應(yīng)能力強的優(yōu)點。
文檔編號B25J7/00GK101543994SQ20091004310
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月13日
發(fā)明者喬晉崴, 尚建忠, 張詳坡, 楊軍宏, 羅自榮, 謝惠詳 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)