CN103879468A - 微型爬行机器人及使用该机器人的微型检查设备 - Google Patents

微型爬行机器人及使用该机器人的微型检查设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于在物体表面上爬行的微型爬行机器人，包括：具有彼此串联的至少两个驱动单元的链，其中至少一部分驱动单元中包含压电元件；和分别与所述链的两端相连的两个固定元件，每个所述固定元件被构造成能够可释放地固定到所述表面上。本发明还通了一种包括前述爬行机器人和连接到爬行机器人上的检测器的检查设备。

Description

微型爬行机器人及使用该机器人的微型检查设备
技术领域
本发明涉及一种微型机器人设备，更具体而言，涉及一种微型爬行机器人及使用该机器人的检查设备。
背景技术
现有的微型爬行机器人的尺寸相对较大，并且不能在例如小于10mm的气隙内爬行。很多现有的微型爬行机器人使用轮子或者滚轮作为驱动机构。此外，现有的微型爬行机器人的构造都是刚性的，这也限制了机器人设备能够爬行的气隙的尺寸。特别是在例如在管道内爬行的一些特殊应用的场合，这种限制尤其明显。
许多现有的微型爬行机器人都相对较大并且是刚性的，仅能在例如大于10mm的气隙内爬行。此外，当使用机器人设备来检查发电机场和定子铁芯时，即便气隙本身的宽度足以容纳爬行器，也会因为转子的直径太小而导致无法将刚性的长度较长的爬行器放入气隙内。
特别是在一些应用场合，例如发电机场、定子的视觉检查等，需要定期地进行，并且类似的检查需要还在增加。此外，还有一些其他的应用场合也需要微型的爬行机器人。但是，目前的方案尚不能令人满意，很明显需要找到一种微型爬行机器人以及使用这种机器人的检查设备。
发明内容
本发明的实施方式提供了一种用于在物体表面上爬行的微型爬行机器人，包括：具有彼此串联的至少两个驱动单元的链，其中至少一部分驱动单元中包含压电元件；和分别与所述链的两端相连的两个固定元件，每个所述固定元件被构造成能够可释放地固定到所述表面上。
根据本发明的一种实施方式，所述至少两个驱动单元中的至少一部分驱动单元包括机械放大器和与之相连的压电元件。
根据本发明的一种实施方式，所述机械放大器是柔性的并且是六边形形状，所述压电元件与所述六边形的两个相对的边相连。
根据本发明的一种实施方式，所述机械放大器是由塑料通过快速原型技术制成的。
根据本发明的一种实施方式，所述驱动单元彼此柔性连接。
根据本发明的一种实施方式，当所述表面和/或所述物体具有铁磁性时，所述固定元件是电磁元件。
根据本发明的一种实施方式，所述固定元件选自吸盘、受控摩擦元件或电粘附元件。
根据本发明的一种实施方式，所述爬行机器人还包括与所述链交叉的第二链和分别与所述第二链的两端相连的两个第二固定元件，每个所述第二固定元件都被构造成能够可释放地固定到所述表面上，所述第二链具有彼此串联的至少两个驱动单元并且所述两个驱动单元中的至少一部分中包含压电元件。
根据本发明的一种实施方式，所述链和所述第二链彼此垂直。
根据本发明的一种实施方式，所述爬行机器人用于穿过发电机的定子和转子之间的间隙。
根据本发明的一种实施方式，所述机械放大器是由钢、铝或复合材料制成的。
本发明还提供了一种微型检查设备，包括如前所述的爬行机器人和连接到所述爬行机器人上的检测器。
根据本发明的一种实施方式，所述检测器是高清摄像头、超声换能器、磁场传感器或机械致动器。
附图说明
以下将参考附图所示的优选的示例性实施方式来详细描述本发明的主题，其中：
图1示出了使用微型爬行机器人的一种情况，其仅作为本发明的一种示例性的应用；
图2示出了根据本发明一种实施方式的爬行机器人的示意性结构；
图3示意性地示出了根据本发明一种实施方式的爬行机器人的移动机理；
图4示出了根据本发明另一种实施方式的爬行机器人的示意性结构；
图5示出了图4所示爬行机器人的立体图；
图6示意性地示出了根据本发明一种实施方式的机械放大器的放大机理；
图7示出了根据本发明一种实施方式的机械放大器的示意性三维视图；以及
图8示出了根据本发明又一种实施方式的爬行机器人的示意性结构。
在附图中，相同或类似的附图标记指示相同或类似的部件。原则上，相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
应当理解，尽管本说明书包含了很多具体的实施细节，但是它们不应当被理解为对本发明或者保护范围的限制，而应当是对特定发明的特定实施方式的具体特征的描述。在各实施方式的上下文中描述的一些特征可以与单个实施方式结合实现。反过来，在单个实施方式的上下文中描述的一些特征也可以单独或以任何合适的子组合的形式用于多个实施方式中。此外，尽管一些特征是以一定组合的方式来进行描述，并且甚至一开始就被描述为一定的组合，但是这些组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中分离出来，并且所要求保护的组合可以指向子组合或者其变型。
以下将参考示例性的实施方式来描述本发明的机理和精神。应当理解，这些实施方式仅用于帮助本领域技术人员的理解和对本发明的实施，而不是用于限制本发明的保护范围。
图1示出使用微型爬行机器人的一种情形，其仅作为本发明的一种示例性的应用。如图1所示，发电机的转子3和定子2之间有一个间隙4，需要对该间隙4进行定期的检查。但是，由于其尺寸较小，除非将发电机拆开，否则传统的装置无法对其进行检查。特别是当间隙非常小例如小于10mm的情况下，非常需要一种微型爬行机器人1，来穿过转子3和定子2之间的径向气隙4。
图2示出根据本发明一种实施方式的微型爬行机器人的示意性结构。如图2所示，该微型爬行机器人包括具有多个串联的压电元件15（作为下文中定义的驱动单元）的链和分别连接到链的两端14上的两个固定元件13。可选地，压电元件15彼此柔性连接，使得爬行机器人可以适应其将要沿着移动的曲面。例如，压电元件15可以彼此铰链连接，使得压电元件15可以绕着与压电元件15的横向平行的轴线旋转。这种柔性的爬行机器人将会很好地满足小弯曲半径间隙的需求。
此外，作为一个示例，每个固定元件13都是诸如电磁铁或电磁线圈之类的电磁元件，其可以在通电时固定到机器人爬行的表面上，而在断电时从表面释放开。当然，只能在机器人爬行的表面或者该表面下方的物体（以下将上述两种情况统称为“表面”，并且应当理解两种情况都在本发明的保护范围内）是铁磁性的情况下，使用电磁元件才能起到相应的作用。当然，也可以使用其他的方式，例如吸盘、受控摩擦或电粘附。以下，将会以类似的方式使用固定元件，并且将不会针对每个实施方式重复描述。
图3示意性地示出根据本发明一种实施方式的爬行机器人的移动机理。为了简化描述，这里仅示出了一个压电元件15，并且包含多于一个压电元件的爬行机器人的移动机理是相同的，因此将不再重复。如图3所示，箭头16指示爬行机器人移动的方向。在步骤S1，将爬行机器人置于待沿其移动的表面上。在步骤S2，向左侧的固定元件13通电使其固定到该表面上。在步骤S3，通过向压电元件15供电，压电元件15因受到外部电场的作用而沿其纵向延长。因为位于左侧的固定元件13固定在表面上，所以位于右侧的固定元件13将向右移动。在步骤S4，通过去除左侧固定元件13上施加的电场来释放左侧固定元件13，并且向右侧固定元件13通电使其固定到表面上。在步骤S5，去除施加到压电元件15上的电场，由此压电元件15在其纵向方向上缩短。因为右侧的固定元件13固定在表面上，左侧的固定元件13将向右移动。将步骤S5处爬行机器人的位置与在步骤S1处的位置相比，爬行机器人已经向右移动。通过重复前述过程，爬行机器人将进一步向右移动。通过反转向左侧和右侧固定元件13通电的顺序，爬行机器人可以向左移动。一般来说，可以以高频电信号来驱动压电元件15，例如以1000Hz的高频信号，由此即便在压电元件15的单次变形不能被肉眼观察到的情况下，爬行机器人的实际移动距离也将会很明显。
应当理解，尽管这里所示的爬行机器人包括多个压电元件15，并非需要同时向所有的压电元件15供电，只向部分压电元件供电的情形亦在本发明的保护范围内，当然为了简化描述，以下将不再指出。此外，在上述示例中，压电元件15在电场作用下沿其纵向延长。但是应当理解，本发明也适用于压电元件15在电场作用下沿其纵向缩短的情形，只是爬行机器人的移动方向或者向固定元件通电的顺序将会改变。
因为压电元件的变形幅度通常较小，所以在需要移动的距离较长的情况下前述的爬行机器人可能效率不会太高。为了加速爬行机器人的移动，爬行机器人中的全部或者大部分压电元件可以设置机械放大器，以增加每次通电时单个压电元件的移动距离。
图4和图5示出根据本发明另一种实施方式的爬行机器人的示意性结构。如图4所示，微型爬行机器人包括具有多个串联在一起的驱动单元12的链和分别与连接在一起的驱动单元12的两个端部14相连的两个固定元件13。每个驱动单元12包括机械放大器21和与之相连的压电元件15。可选地，驱动单元12彼此柔性连接，使得爬行机器人可以适应其将要沿着移动的曲面。例如，驱动单元12可以彼此铰链连接，使得驱动单元12可以绕着与爬行机器人的纵向垂直的轴线旋转。这种柔性的爬行机器人将会很好地满足小弯曲半径间隙的需求。与如图2类似，仅作为示例，每个固定元件13都是电磁元件，其可以在通电时固定到机器人爬行的表面上，而在断电时从表面释放开。
图6示意性地示出根据本发明一种实施方式的机械放大器的放大机理。在该示例中，该放大器是柔性的并且是六边形形状，并且与之相连的压电元件15位于六边形的两个相对的边之间，由此在压电元件15的横向两侧分别有两个相连的边。如图6的左侧所示，压电元件15位于两个相对的边211和212之间，两个相连的边213和214位于压电元件15的左侧，而两个相连的边215和216位于压电元件15的右侧。如图6的右侧所示，通过向压电元件15施加电场，压电元件15将沿其纵向延长，由此两个边211和212将远离彼此移动，并且相连的边213和214以及相连的边215和216将分别向内变形，从而减小六边形的横向尺寸S1。六边形的减小的尺寸例如可以是3mm，例如是压电元件15的变形幅度的大约三倍。基于六边形的设计或者其他的形状或设计，放大的幅度可以不同，这里将不再详细描述。因为压电元件的单次移动较小，可能即便在高频信号下也不能很好地满足一些快速移动的需求，本实施方式提供了有一种更加有利的方案。
应当注意，通过沿用图3所示的步骤，图5所示的爬行机器人将向左移动，但是应当理解，可以通过各种其他方式来使爬行机器人向右移动，例如通过反转向左侧和右侧固定元件通电的顺序。
图7示出根据本发明一种实施方式的机械放大器的三维示意图。如图7所示，机械放大器21是长度为L、宽度为W、高度为H的三维六边形。机械放大器21可以由各种材料制成，例如塑料、钢、铝或复合材料，并且可以使用快速原型技术来生产，快速原型技术可以迅速且便宜地调整机械放大器21的形状。例如，对于尺寸为5mm×3mm×3mm的压电元件来说，机械放大器的高度H可以仅为大约3mm，而长度L和宽度W分别可以仅为大约5.5mm和3.5mm，这意味着微型爬行机器人的高度可以仅为3mm，从而能够满足待穿过气隙非常小的应用需求。根据压电元件的尺寸不同，机械放大器21甚至可以更小。
以上描述了以六边形结构作为机械放大器的示例，但是也可以以其他方式例如使用杠杆原理或者连杆结构来实现机械放大器。
还应当理解，尽管图2所示的爬行机器人包括多个压电元件15，而图4所示的爬行机器人包括多个带有机械放大器21的驱动单元12，但是在一个链中混合压电元件和带有机械放大器的驱动单元的方案也在本发明的保护范围内，此外，将压电元件和/或带有机械放大器的驱动单元与其他元件混合在一个链中的方案也在本发明的保护范围内，尽管不会每次都这样明确指出。图2中的压电元件15、图4中的包括压电元件和机械放大器的驱动单元12以及连接的链中的其他元件都被统称为驱动单元。
图8示出根据本发明又一实施方式的爬行机器人的示意性结构。在前述实施方式中，爬行机械人仅能沿着一个方向移动，即图中所示的左右方向。在图8中，上述的两个一维爬行机器人彼此交叉，并且可选地可以在交叉点处拥有一个共同的驱动单元，负载17可以置于交叉点处。通过在两个方向上分别设置一维的爬行机器人，负载17可以在左右方向或上下方向上移动。例如，负载17可以在左右两个固定元件13的帮助下沿左右方向移动，也可以在上下两个固定元件13的帮助下沿上下方向移动。当然，两个方向不一定要彼此垂直。
在一些应用领域，例如对发电机的定子铁芯或者场表面的检查中，上述的爬行机器人可以携带高清摄像头、超声换能器、磁场传感器和/或其他传感器来提供定子铁芯层叠、定子槽楔、场槽楔以及定位环内端的清晰图像。此外，上述的爬行机器人还可以携带机械致动器来进行维修工作等。
尽管以上提及了包含仅具有检测功能的传感器的微型检查设备，上述的爬行机器人当然也可以应用于需要诸如修理或维修之类的其他功能的场合。为了简化描述的目的，本申请中使用“检查设备”或“检测器”来涵盖所有这些情况，而不应当被理解为仅具有检查功能的设备。
尽管已经基于一些优选实施方式描述了本发明，本领域技术人员应当理解，这些实施方式不应当以任何方式限制本发明的保护范围。在不背离本发明的精神和范围的情况下，对实施方式的各种变型和修改均属于本领域普通知识的范畴并且属于本领域普通技术人员能够理解的范畴，因此完全落入由权利要求限定的保护范围内。

Claims (16)

1.一种用于在物体表面上爬行的微型爬行机器人，包括：
具有串联的至少两个驱动单元的链，其中至少一部分驱动单元中包含压电元件；和
分别与所述链的两端相连的两个固定元件，每个所述固定元件被构造成能够可释放地固定到所述表面上。
2.根据权利要求1所述的爬行机器人，其中，所述至少两个驱动单元中的至少一部分驱动单元包括机械放大器和与之相连的压电元件。
3.根据权利要求2所述的爬行机器人，其中，所述机械放大器是柔性的并且是六边形形状，所述压电元件与所述六边形的两个相对的边相连。
4.根据权利要求3所述的爬行机器人，其中，所述机械放大器是由塑料通过快速原型技术制成的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的爬行机器人，其中，所述驱动单元彼此柔性连接。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的爬行机器人，其中，当所述表面和/或所述物体具有铁磁性时，所述固定元件是电磁元件。
7.根据权利要求5所述的爬行机器人，其中，当所述表面和/或所述物体具有铁磁性时，所述固定元件是电磁元件。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的爬行机器人，其中，所述固定元件选自吸盘、受控摩擦元件或电粘附元件。
9.根据权利要求5所述的爬行机器人，其中，所述固定元件选自吸盘、受控摩擦元件或电粘附元件。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的爬行机器人，还包括与所述链交叉的第二链和分别与所述第二链的两端相连的两个第二固定元件，每个所述第二固定元件都被构造成能够可释放地固定到所述表面上，所述第二链具有串联的至少两个驱动单元并且所述两个驱动单元中的至少一部分中包含压电元件。
11.根据权利要求5所述的爬行机器人，还包括与所述链交叉的第二链和分别与所述第二链的两端相连的两个第二固定元件，每个所述第二固定元件都被构造成能够可释放地固定到所述表面上，所述第二链具有串联的至少两个驱动单元并且所述两个驱动单元中的至少一部分中包含压电元件。
12.根据权利要求10所述的爬行机器人，其中，所述链和所述第二链彼此垂直。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的爬行机器人，其中，所述爬行机器人用于穿过发电机的定子和转子之间的间隙。
14.根据权利要求3所述的爬行机器人，其中，所述机械放大器是由钢、铝或复合材料制成的。
15.一种微型检查设备，包括如权利要求1至14中任一项所述的爬行机器人和连接到所述爬行机器人上的检测器。
16.根据权利要求15所述的检查设备，其中，所述检测器是高清摄像头、超声换能器、磁场传感器或机械致动器。
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