谐振式微型管道机器人设计与实验

第3 5卷第 8期2 0 1 4年 8月

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V0 1 . 3 5№ . 8 Au g. 2 01 4

J o u r n a l o f Ha r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y

谐振式微型管道机器人设计与实验刘磊，李娟，李伟达，秦佳(苏州大学机电工程学院，江苏苏州 2 1 5 0 2 1 )摘要：针对直径在 1 8—3 0 m m范围内的细小管道难以检测的问题，提出一种微型机器人。该机器人采用谐振原理驱

动，简化了传动机构。由微型电机带动偏心轮旋转作为激励源，建立了机器人在管道壁约束下的数学模型，求解机器人柔性足与管壁碰撞产生的角加速度和接触点位置，分析了机器人的运动机理。研制机器人样机，并搭建管道试验环境，

进行速度和牵引力测试实验。最小样机尺寸 1 5 mm￣ 1 5 m mx 2 2 m m,由实验结果得出：样机在 8 V电压下，速度最高可达到6 8 . 2 9 m m/ s,功耗约为 0 . 1 5 W,最大爬坡角度 3 O。。 关键词：非线性振动；管道机器人；谐振驱动；结构设计d o i: 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 6— 7 0 4 3 . 2 0 1 3 0 5 0 6 6 网络出版地址： h t t p:// w w w . c n k i . n e t/ k c m s/ d o i/ 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 6 . 7 0 4 3 . 2 0 1 3 0 5 0 6 6 . h t m l

中图分类号： T P 2 4 2文献标志码： A文章编号： 1 0 0 6— 7 0 4 3 ( 2 0 1 4 ) 0 8 . 1 0 0 2 . 0 6

De s i g n a n d e x p e r i me n t o f a mi c r o i n- p i p e r o b o t b a s e d o n t he r e s o n a n c e

L I U L e i, L I J u a n,L I We i d a,Q I N J i a( S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t i r c E n g i n e e r i n g,S o o c h o w U n i v e r s i t y, S u z h o u 2 1 5 0 2 1, C h i n a )Ab s t r a c t: A mi c r o r o b o t i S d e s

c ib r e d i n t h i s p a p e r t h a t w i l l c o n d u c t i t s wo r k i n a t h i n p i p e wi t h a s ma ll d i a me t e r i nt h e r a n g e o f 1 8 mm t o 3 0 mm w h i c h i s h rd a t o d e t e c t . T h e r o b o t i s b a s e d o n t h e r e s o n a n t d i r v i n g p i r n c i p l e,w h i c hs i mpl i ie f s t h e t r a n s mi s s i o n me c ha n i s http://doc.guandang.net i n g a n e x c i t a t i o n s o u r c e—t h e e c c e n t ic r wh e e l i s d iv r e n b y a mi c r o e n g i n e . A ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e r o b o t i n t h e pi p e wa l l c o n s t r a i n t s wa s e s t a b l i s h e d t o s o l v e t h e a n g u l a r a c c e l e r a t i o n

c a u s e d b y t h e c o l l i s i o n b e t we e n t h e r o b o t S f e e t wh i c h a r e f l e x i b l e e n o u g h w i t h t h e p i p e l i n e w ll a,a n d t h e p o s i t i o n o ft h e c o n t a c t p o i n t s .Th e mo v e me n t me c h a n i s m o f t he r o b o t wa s a l s o a n a l y z e d .Th e r o b o t p r o t o t y p e wa s d e s i g ne d a n d a p i pe l i n e t e s t e n v i r o n me n t wa s b u i l t t o c a r r y o u t t h e s p e e d a nd t r a c t i o n t e s t i ng .T h e mi n i mu m s i z e o f t he pr o t

o t y p e i s 1 5 mmX 1 5 mmx2 2 mm.T h e r e s u hs s h o w t h a t:u n d e r 8 V v o l t a g e,t h e ma x i mu m s p e e d o f t h e p r o t o t y pe i s u p t o 6 8. 2 9 mm/s,t he p o we r c o n s u mp t i o n i s bo a u t 0. 1 5 W,a n d t h e ma x i mu m r a mp a n g l e i s 3 0。 . Ke y wo r d s: n o n l i n e a r v i b r a t i o n;p i pe l i n e r o b o t;r e s o n a n t d iv r e;s t r uc t u r e d e s i g n

随着现代高科技机械行业的快速发展，管道的建设和利用也得到了快速发展，尤其是在发电、制

道检测方法一般采用直接目视或用一些简单的工具

进行检查，存在着不安全、破损不易发现、判断不准确等诸多弊病。用机器人技术对细小管道进行检

冷、航空、化工等行业，细小工业管道得到了普遍使用。但发展的同时，其弊端也不断呈现，长年的介质

查、诊断、维护等作业成为近来人们关注的热点。哈尔滨工业大学研制了具有差动运动功能的管道机器人，该机器人在通过弯管时可根据管道环境利用三轴差动机构自动调节各驱动轮的转速，从而提高机器人通过弯管时的运动柔顺性，上海交通大学开发了基于微型电机的肠道机器人，实现的机构本体蜷缩时尺寸为 41 3 m m×5 0 mm,能够实现 1 0 mm的轴向步距与 8 m m的径向变形。吉林

腐蚀，机械振动以及制造缺陷的作用和影响，会导致管道产生裂纹，管壁减薄或破裂。定期检查，及时发现缺陷及其扩展情况，并采取相应的修补或堵塞措施，是管道系统安全运行的重要保证 _ l J。传统的管收稿日期： 2 0 1 3— 0 5— 2 3 . 网络出版时间： 2 0 1 4— 0 6— 1 7 1 5: 3 9 . 基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目( 6 1 1 0 5 1 0 6 );江苏省自然科学基金基础研究计划资助项目( B K 2 0 1 1 3 7 9

) . 作者简介：刘磊 ( 1 9 8 8一 ),男，硕士研究生； 李娟 ( 1 9 7 8一 ),女，副教授，博士. 通信作者：李娟，E ma i l: l i j u a n@s u d a . e d u . c n .

大学陈西平等研制了一种谐振型压电式管内移动机

第 8期

刘磊，等：谐振式微型管道机器人设计与实验

构，在压电材料驱动下，机构发生谐振并在足端产生椭圆运动驱动机器人运动 J。

程度的柔性调节。

传统机器人结构复杂，小型化困难，受尺度效应影响小型化后运动效率急剧下降。难以适应微型管道的作业环境。采用谐振驱动可以避免复杂的传动机构，易于小型化，同时驱动控制也较易实现。本文提出一种基于谐振驱动原理的管道机器人，设计谐振式移动机构，介绍机器人的组成结构和运动原理。搭建相应的实验平台，对研制的样机进行实验研究。

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1 建模与仿真分析1 . 1运动原理介绍

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微型管道机器人结构如图 i所示，主要包括有一

微型电机、偏心轮、弹性支架组成的激励源，节、前端盖、后端盖等结构件和覆盖外表面的柔性纤毛 (柔性足)等。微型电机带动偏心轮旋转，偏心轮的离心力激励弹性支架产生振动；振动经壳体传递给柔性足；柔性足与管壁呈一定角度，在振动时其末端与管道壁发生碰撞和非对称摩擦，当激励频率与系统动力学特性匹配时，机器人在柔性足的推动下产生运动，如图 2所示。

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图 2机器人运动原理Fi g . 2 Th e …… 此处隐藏：12213字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……