專利名稱：管內(nèi)機(jī)器人正立方體型蠕動行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管內(nèi)機(jī)器人蠕動行走機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種管內(nèi)機(jī)器人正方體型蠕動行走機(jī)構(gòu)，可用做管內(nèi)檢測、探傷和維修作業(yè)管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動載體，屬于機(jī)械工程類機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
提高管內(nèi)機(jī)器人的通過性是一個急待解決的課題。現(xiàn)有管內(nèi)機(jī)器人通過“L”型、“T”型、
型管接頭及一定曲率的彎管都是在專用拐彎裝置的輔助下實(shí)現(xiàn)的。
《機(jī)器人技術(shù)手冊》中(宗光華，劉海波，程君實(shí)等譯。日本機(jī)器人學(xué)會編，科學(xué)出版社，1996p350-351.)介紹了日本人發(fā)明的一種2英寸輪式管內(nèi)機(jī)器人，四個驅(qū)動車輪均勻分布在機(jī)器人的外圓周上，并緊緊壓靠在管道內(nèi)壁上，一個直流電機(jī)經(jīng)過減速齒輪驅(qū)動四個驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，通過車輪轉(zhuǎn)動時(shí)管道內(nèi)壁對車輪產(chǎn)生的驅(qū)動反作用力實(shí)現(xiàn)管內(nèi)運(yùn)動。在機(jī)器人的頭部前端有滾子導(dǎo)軌，另一個直流電機(jī)可帶動橡膠帶在滾子導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)動，利用橡膠帶與管子內(nèi)壁摩擦所獲得的驅(qū)動力和驅(qū)動車輪的驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)在“L”型管接頭處的拐彎。但是在“T”型、
型管接頭的拐彎處，橡膠帶與管子內(nèi)壁無法接觸，因此，該管內(nèi)機(jī)器人無法通過“T”型、
型管接頭。
Kochi Suzumori and Akira Abe，Applying Flexible Microactuators to PipelineInspection Robots，Robots，Mechatronics and Manufacturing Systems，T.Takamoriand K.Tsuchiya(Editors)，Elsevier Science Publishers B.V.(North-Holland)，1993IMACSp515-520.文獻(xiàn)中介紹了日本人發(fā)明的一種2英寸輪式管內(nèi)機(jī)器人，它在管內(nèi)的運(yùn)動也是通過直流電機(jī)經(jīng)過減速齒輪驅(qū)動均勻分布在機(jī)器人外圓周上的驅(qū)動車輪實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人中間的橡膠制柔性微驅(qū)動器(FlexibleMicroactuators)由氣動驅(qū)動可產(chǎn)生一定的彎曲變形，機(jī)器人通過柔性微驅(qū)動器的彎曲，可通過一定曲率的彎管及“L”型、“T”型、
型管接頭，但這種機(jī)器人采用的專用拐彎裝置增大了管內(nèi)機(jī)器人的體積和重量。
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)的管內(nèi)機(jī)器人蠕動行走機(jī)構(gòu)，使之無需專用拐彎裝置，即能通過一定曲率的彎管以及“L”型、“T”型、
型管接頭，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人微小型化，更具有實(shí)用性。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明人利用本人設(shè)計(jì)的一種并聯(lián)偏動式形狀記憶合金蠕動機(jī)構(gòu)(專利申請?zhí)?9226926.1)作蠕動元件，進(jìn)一步開發(fā)了一種呈正立方體型的管內(nèi)機(jī)器人蠕動行走機(jī)構(gòu)，由十二個能夠沿軸向收縮和舒張的并聯(lián)偏動式形狀記憶合金蠕動元件和八個支撐腳組裝而成，外觀呈正立方體型，十二個形狀記憶合金蠕動元件置于正立方體的十二個棱邊處，由位于正立方體八個頂點(diǎn)處的八個支撐腳組裝成一體。
為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能通過一定曲率彎管和“L”型、“T”型、
型管接頭的目的，該行走機(jī)構(gòu)在十二個形狀記憶合金蠕動元件完全收縮和完全舒張時(shí)都應(yīng)保持正立方體型，為此，所采用的十二個形狀記憶合金蠕動元件的尺寸和性能必須相等，八個支撐腳的結(jié)構(gòu)和尺寸也完全一樣。支撐腳與三個形狀記憶合金蠕動元件的三個裝配面應(yīng)互相垂直，以保證安裝在同一個支撐腳上的三個形狀記憶合金蠕動元件互相垂直。支撐腳除了與三個形狀記憶合金蠕動元件接觸處，其它地方都呈球形，即與管壁接觸處呈球形。上述結(jié)構(gòu)保證了管內(nèi)機(jī)器人的四只支撐腳支撐管內(nèi)壁時(shí)，施加到管內(nèi)壁上的力都是關(guān)于管軸線對稱的，避免了機(jī)器人運(yùn)動中失穩(wěn)。
本發(fā)明采用的獨(dú)特的正立方體型的行走機(jī)構(gòu)，保證了機(jī)器人無論沿行走機(jī)構(gòu)六個面中任一個面的外法線方向運(yùn)動時(shí)，位姿都是一樣的，這是該行走機(jī)構(gòu)能通過“L”型、“T”型、
型管接頭的關(guān)鍵所在。
本發(fā)明的蠕動元件采用了并聯(lián)偏動式形狀記憶合金蠕動機(jī)構(gòu)，這種蠕動元件允許沿徑向產(chǎn)生彎曲變形，蠕動元件與支撐腳處固定連接即可保證機(jī)器人一個端面上四只蠕動元件舒張時(shí)，與它們平行的另一端面上的四只蠕動元件可以收縮，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿管子徑向的蠕動。
本發(fā)明中十二個蠕動元件也可采用其它不允許沿蠕動元件徑向產(chǎn)生彎曲變形的蠕動機(jī)構(gòu)，比如氣缸等，這時(shí)蠕動元件與支撐腳處須用球鉸連接，以保證機(jī)器人一個端面上四只蠕動元件舒張時(shí)，與它們平行的另一端面上的四只蠕動元件可以收縮，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿管子徑向的蠕動。
正立方體型管內(nèi)機(jī)器人蠕動行走機(jī)構(gòu)在管內(nèi)的行走和通過管接頭時(shí)的運(yùn)動策略如下按照仿生學(xué)原理，模仿腔腸動物的運(yùn)動方式，在該蠕動行走機(jī)構(gòu)行走過程中，十二個蠕動元件中中間與行走方向平行的四個并聯(lián)組成一縱走肌組，沿行走方向收縮、舒張，實(shí)現(xiàn)腔腸動物縱走肌的功能；前后兩端與行走方向垂直的八個，組成前后兩環(huán)狀肌組，每組四個串聯(lián)成環(huán)狀，垂直于行走方向收縮、舒張，實(shí)現(xiàn)腔腸動物環(huán)狀肌的功能。采用并聯(lián)偏動式形狀記憶合金蠕動機(jī)構(gòu)做蠕動元件時(shí)，可通過控制流經(jīng)各組形狀記憶合金蠕動元件的電流的時(shí)序，控制三組蠕動元件交替收縮和舒張，實(shí)現(xiàn)該蠕動行走機(jī)構(gòu)在管內(nèi)的前后蠕動行走。形狀記憶合金蠕動元件允許產(chǎn)生一定彎曲變形，保證了前后兩環(huán)狀肌組獨(dú)立地收縮和舒張，并使該管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)適用于一定曲率的彎管。
采用氣缸做蠕動元件時(shí)，可通過控制各組氣缸的方向控制閥的切換時(shí)序，控制三組蠕動元件交替收縮和舒張，實(shí)現(xiàn)該蠕動行走機(jī)構(gòu)在管內(nèi)的前后蠕動行走。氣缸與支撐腳處由球鉸連接，保證了前后兩環(huán)狀肌組獨(dú)立地收縮和舒張，并使該管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)適用于一定曲率的彎管。
遇到“L”型、“T”型、
型管接頭，需要改變運(yùn)動方向時(shí)，拆散原來縱走肌組與環(huán)狀肌組的組成，將與新的運(yùn)動方向平行的四個并聯(lián)組成一新縱走肌組，行使縱走肌的功能；將與新的運(yùn)動方向垂直的八個，組成前后兩新環(huán)狀肌組，行使腔腸動物環(huán)狀肌的功能。這樣該蠕動行走機(jī)構(gòu)無需調(diào)整姿態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)在管內(nèi)向前后、上下、左右各個方向任意蠕動行走，順利通過“L”型、“T”型、
型管接頭。
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)解決方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明所采用的蠕動元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中所示的蠕動元件即為并聯(lián)偏動式形狀記憶合金蠕動機(jī)構(gòu)，蠕動機(jī)構(gòu)的兩端各有一個彈性夾4，兩個一端凸出呈臺階狀的圓柱套筒2內(nèi)穿有一根形狀記憶合金SMA螺旋彈簧3，SMA螺旋彈簧3的兩端用彈性夾4夾住，在圓柱套筒2的外面套有一根普通螺旋彈簧1，其兩端分別頂在圓柱套筒2的臺階處。
圓柱套筒2可防止SMA螺旋彈簧3與普通螺旋彈簧1電接觸，防止普通螺旋彈簧1被壓縮后失穩(wěn)以及保證蠕動元件可承受一定的徑向力，允許產(chǎn)生一定彎曲變形。
圖2為本發(fā)明正立方體型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中可見，管內(nèi)機(jī)器人正方體型蠕動行走機(jī)構(gòu)由十二個能夠沿軸線收縮和舒張的并聯(lián)偏動式形狀記憶合金蠕動元件(編號從1#到12#)和八個支撐腳5組裝而成，外觀呈正立方體型，十二個形狀記憶合金蠕動元件位于正立方體的十二個棱邊處，由位于正立方體八個頂點(diǎn)處的八個支撐腳5組裝成一體。
當(dāng)機(jī)器人的行走方向與蠕動行走機(jī)構(gòu)中1#、2#、3#、4#四個蠕動元件所在平面的法線方向一致時(shí)，5#、6#、7#、8#四個蠕動元件組成縱走肌組，1#、2#、3#、4#四個蠕動元件組成一環(huán)狀肌組，9#、10#、11#、12#四個蠕動元件組成另一環(huán)狀肌組。當(dāng)機(jī)器人需要向1#、5#、9#、8#四個蠕動元件所在平面的法線方向運(yùn)動時(shí)，拆散上述縱走肌組和環(huán)狀肌組中蠕動元件的組成，由2#、4#、12#、10#四個蠕動元件組成一新的縱走肌組，1#、5#、9#、8#四個蠕動元件組成一新的環(huán)狀肌組，6#、3#、7#、11#四個蠕動元件組成另一新的環(huán)狀肌組。
控制該蠕動行走機(jī)構(gòu)在管內(nèi)蠕動行走的過程，實(shí)際上就是控制十二個蠕動元件按照一定的時(shí)序收縮和舒張的過程。
形狀記憶合金蠕動元件的收縮和舒張是通過使形狀記憶合金螺旋彈簧發(fā)生冷熱循環(huán)實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用通電加熱形狀記憶合金螺旋彈簧的方式使形狀記憶合金蠕動元件收縮，用單片機(jī)控制通電的時(shí)序和電流的強(qiáng)度。采用自然冷卻形狀記憶合金螺旋彈簧的方式使形狀記憶合金蠕動元件舒張。
圖3為本發(fā)明中蠕動行走機(jī)構(gòu)在管內(nèi)全方位蠕動行走的控制電路圖。
圖中，從單片機(jī)PIC16C711輸出后進(jìn)入十二個三極管的是由軟件實(shí)現(xiàn)的十二路PWM信號，三極管起開關(guān)和放大作用，通過控制PWM信號的占空比來控制通過形狀記憶合金螺旋彈簧SMA的平均電流的強(qiáng)度，平均電流的強(qiáng)度分三個等級，它們產(chǎn)生的熱量分別使形狀記憶合金螺旋彈簧升溫發(fā)生馬氏體逆相變、維持高溫奧氏體狀態(tài)溫度不變、降溫發(fā)生馬氏體相變，分別使形狀記憶合金蠕動元件處于收縮狀態(tài)，維持收縮狀態(tài)和舒張狀態(tài)。通過控制十二個PWM信號的時(shí)序來控制十二個形狀記憶合金蠕動元件收縮和舒張的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)該蠕動行走機(jī)構(gòu)在管內(nèi)全方位蠕動行走。
采用并聯(lián)偏動式形狀記憶合金蠕動機(jī)構(gòu)做蠕動元件時(shí)，運(yùn)動中對屬于同一組內(nèi)的蠕動元件同時(shí)加熱和停止加熱，使他們在運(yùn)動中步調(diào)一致。采用氣缸做蠕動元件時(shí)，運(yùn)動中對屬于同一組內(nèi)的氣缸的方向控制閥同時(shí)切換，使他們在運(yùn)動中步調(diào)一致。
權(quán)利要求
1.一種管內(nèi)機(jī)器人正立方體型蠕動行走機(jī)構(gòu)，其特征在于由十二個能夠沿軸向收縮和舒張的蠕動元件和八個支撐腳(5)組裝而成，呈正立方體型，十二個蠕動元件位于正立方體的十二個棱邊處，由位于正立方體八個頂點(diǎn)處的八個支撐腳(5)組裝成一體，支撐腳(5)與管壁接觸處呈球形。
2.一種如權(quán)利要求1所說的管內(nèi)機(jī)器人正方體型蠕動行走機(jī)構(gòu)，其特征在于采用十二個允許沿徑向產(chǎn)生彎曲變形的蠕動元件，蠕動元件與支撐腳處固定連接。
3.一種如權(quán)利要求1所說的管內(nèi)機(jī)器人正方體型蠕動行走機(jī)構(gòu)，其特征在于采用十二個不允許沿徑向產(chǎn)生彎曲變形的蠕動元件，蠕動元件與支撐腳處用球鉸連接。
全文摘要
一種管內(nèi)機(jī)器人正立方體型蠕動行走機(jī)構(gòu),由十二個能夠沿軸向收縮和舒張的蠕動元件和八個支撐腳組裝而成,呈正立方體型,十二個蠕動元件位于正立方體的十二個棱邊處,由位于正立方體八個頂點(diǎn)處的八個支撐腳組裝在一起,支撐腳與管壁接觸處呈球形。本發(fā)明無需專用拐彎裝置,即能通過一定曲率的率管以及“L”型、“T”型、“十”型管接頭,可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人微小型化,用做管內(nèi)檢測、探傷和維修作業(yè)管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動載體,更具實(shí)用性。
文檔編號B25J11/00GK1249985SQ9911396
公開日2000年4月12日 申請日期1999年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月6日
發(fā)明者李明東, 奚漢達(dá), 馬培蓀, 儲金娣 申請人:上海交通大學(xué)