CN105905618A - 一种磁致伸缩蛇形移动运输器及其运输方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁致伸缩蛇形移动运输器及其运输方法，属于运输器械技术领域，其特征是：运输器包括基体与涂覆层，涂覆层沿基体长度方向划分为A′部分与B′部分，A′部分与B′部分对应于基体上划分为A部分与B部分，A′部分与B′部分厚度不同，A部分与A′部分组成驱动Ⅰ部，B部分与B′部分组成驱动Ⅱ部；驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部发生非对称模态振型，使运输器与接触面之间发生非对称碰撞和摩擦而运动。运输器运输过程包括下述步骤：1）、垂直于基体表面设置亥姆霍兹线圈；2）、运输器上驱动Ⅰ部、驱动Ⅱ部推动运输器作定向运动；3）、调节亥姆霍兹线圈电流频率，使运输器反向运动。本发明采用非机械的方式利用材料的物理特性进行运输传送，简化了运输器的结构。
Description
技术领域
本发明属于运输器械技术领域，特别涉及一种磁致伸缩蛇形移动运输器及其运输方法。
背景技术
随着人类社会的发展，如今机器人扩展到许多应用领域，用以取代或协助人类工作，完成许多人类无法完成的任务或者高危任务。目前机器人研究主要向着机器人智能化、简易化、一体化以及微型化方向发展。在当代工业中，微型机器人主要应用于两个领域，即检查工业管道和人体内视医学。在每一种情况下，机器人的任务是不同的：工业管道机器人用于检查管道、管道系统或核发电机的漏水、裂缝；通过医学微型机器人在人体器官管道以及血管内运动，对病变位置进行检测，对癌肿瘤靶向送药，靶向治疗，执行生物导弹的功能。
现代技术很多都是基于智能材料设计驱动器，这些智能材料新技术有压电材料、磁致伸缩材料。磁致伸缩是铁磁物质的一种属性，在外交变磁场作用下，引起磁致伸缩材料的线度和体积的变化。利用这种属性可把磁能转换成机械能，用来做超声发生器，传动器和传感器等，所以采用磁致伸缩原理设计的运输车屡见不鲜。专利CN
101148194 A提供的“双尾超磁仿生机器鱼”以及专利CN 202691444 U提供的“半闭合振动式微型管道机器人”，它们都引用了磁致伸缩原理，但是结构比较复杂。
发明内容
为了简化运输器的结构，利用磁致伸缩材料和非磁致伸缩材料的物理特性和结构特性，采用无线、无源、非传统机械传动的方式在微管内进行运输传送，本发明提供一种磁致伸缩蛇形移动运输器及运输方法。
本发明通过一下技术方案予以实现。
一种磁致伸缩蛇形移动运输器，包括基体和涂覆层，其特征是：基体为薄带状磁致伸缩材料层，基体单面覆盖有非磁致伸缩材料制成的涂覆层，涂覆层沿基体长度方向划分为A′部分与B′部分，A′部分与B′部分截面抗弯模量不同，A′部分与B′部分对应于基体上划分为A部分与B部分， A部分与A′部分组成驱动Ⅰ部， B部分与B′部分组成驱动Ⅱ部；
A′部分涂覆于A部分上，在交变磁场作用下，A′部分限制了A部分的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅰ部发生伸缩和翘曲复合运动；
B′部分涂覆于B部分上，在交变磁场作用下，B′部分限制了B部分的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅱ部发生伸缩和翘曲复合运动；
驱动Ⅰ部分与驱动Ⅱ部分的截面抗弯模量不同，从而伸缩和翘曲复合运动不同，使驱动Ⅰ部分与驱动Ⅱ部分与接触面之间发生的碰撞和摩擦也不同,运动效果的叠加使运输器在接触面产生位移。
所述的基体和本体采用的材料为磁致伸缩材料，其磁致伸缩系数大于20ppm(10-6)，所述的涂覆层采用的材料可以为铜、铝等非磁致伸缩材料。
所述的磁致伸缩蛇形移动运输器为微型磁致伸缩蛇形移动运输器，其基体长度0.1~5mm，厚度为10~500µm，涂覆层厚度为5~100µm。
所述的磁致伸缩蛇形移动运输器为宏观工业用磁致伸缩蛇形移动运输器，其基体长度5~500mm，厚度为0.5~20mm，涂覆层厚度为0.1~20mm。
所述磁致伸缩蛇形移动运输器用于管道内物品输送。
一种磁致伸缩蛇形移动运输器的运输方法，其特征是运输过程包括下述步骤：
1）、垂直于基体表面设置一组亥姆霍兹线圈，基体长度方向与亥姆霍兹线圈产生的轴向磁场平行；
2）、对于微型磁致伸缩蛇形移动运输器，提供水平方向不大于200奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈的外圈连接交流电源，提供水平方向不大于5奥斯特磁场强度的交变磁场；对于工业磁致伸缩蛇形移动运输器，提供水平方向不小于300奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈的外圈连接交流电源，提供水平方向不小于10奥斯特磁场强度的交变磁场；
调节直流电流大小和交流电流频率，随着亥姆霍兹线圈振幅和频率变化，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部在磁场的作用下发生非对称伸缩和翘曲复合运动，运输器上驱动Ⅰ部、驱动Ⅱ部与接触面之间发生碰撞和摩擦, 产生推动力而发生定向运动，将携带物品运送到预定位置；
3）、调节亥姆霍兹线圈电流频率，运输器反向运动，运输器退回初始位置。
所述的亥姆霍兹线圈提供的外加磁场使运输器开始向前或向后运动的频率称为前启动频率f1、和后启动频率 f2，基体的谐振频率为f0，其中f1＜f0＜f2；当外加磁场频率 f1＜f＜f0时，运输器向前运动；当外加磁场频率f0＜f＜f2时，运输器反向运动。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1、本发明仅仅采用一组亥姆霍兹线圈，通过调节可调恒（交）流源，就可提供交变电流和直流偏置，通过调节恒流大小及交流频率，调节磁致伸缩体的频率及振幅，本发明提供的运输器不仅没有线路连接，也没有复杂的机械结构。
2、通过材料本身的物理特性和结构特性进行驱动，实现运输。
3、本发明可通过调节加载磁场的频率，实现运输器的逆向运输，运输器无需在狭窄的范围内掉头，增加了运输器的有效使用效率。
4、本发明结构简单，无线无源，造价低廉，几乎无须维护。
附图说明
图1为省略接触面的运输器整体结构示意图。
图2为基体下表面A′部分与B′部分厚度不同时，初始状态整体结构剖视图。
图3为当f1≤f<f0时，0≤t<T/4或3T/4≤t≤T（T为一个伸缩和翘曲复合运动周期）内，运输器向驱动Ⅱ部运动时整体结构剖视图。
图4为当f1≤f<f0时，T/4≤t<3T/4（T为一个伸缩和翘曲复合运动周期）内，运输器处于静止状态时整体结构剖视图。
图5为t=0或t=T时刻运输器整体一阶振型图。
图6为t=T/4或t=3T/4时刻运输器整体一阶振型图。
图7为t=T/2时刻运输器整体一阶振型图。
图8为本发明原理图，图中f1、f2为运输器前启动频率和后启动频率，f0为运输器谐振频率。
图中，1、基体，101、A部分，102、B部分，2、涂覆层，201、A′部分，202、B′部分，3、接触面，4、亥姆霍兹线圈，41、内圈，42、外圈，。
具体实施方式
一种磁致伸缩蛇形移动运输器，包括基体和涂覆层，其特征是：所述运输器包括基体1和涂覆层2，基体1为薄带状磁致伸缩材料层，本实施例中基体1厚度为30µm，基体1采用磁致伸缩材料，其磁致伸缩系数大于20ppm(10-6)；基体1单面覆盖有非磁致伸缩材料制成的涂覆层2，涂覆层2沿基体1长度方向划分为A′部分201与B′部分202，A′部分201与B′部分202对应于基体1上划分为A部分101与B部分102，A部分101与A′部分201组成驱动Ⅰ部，B部分102与B′部分202组成驱动Ⅱ部分；A′部分201与B′部分202涂覆厚度不同，A′部分201厚度为15µm，B′部分202厚度为45µm。A′部分201外表面设置凸起3，凸起3顶部与B′部分202表面处于同一水平面上。本实施例中涂覆层2采用的材料为铜。
本发明提供的运输器不仅没有线路连接，也没有复杂的机械结构，通过材料本身的物理特性进行驱动，具体运动过程如下。
设运输器在磁场作用时的频率为f，本实施例中f1≤f＜f0，其中f1为运输器克服摩擦力在磁场作用下的启动频率，f0为运输器的谐振频率。本实施例中，f0=50.8kHz，f1=50.5kHz。
1）、运输器水平放置于运输管道内，垂直于基体1表面在管道外设置一组亥姆霍兹线圈4，基体1长度方向与亥姆霍兹线圈4产生的轴向磁场平行。
2）、亥姆霍兹线圈4的内圈41连接直流电源，提供水平方向73奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈4的外圈42连接交流电源，提供水平方向1.6奥斯特磁场强度的交变磁场；调节直流电流大小和交流电流频率，随着亥姆霍兹线圈4振幅和频率变化，运输器产生位移变化，将携带物品运送到预定位置，其具体过程如下：
A部分101与B部分102为磁致伸缩材料，A′部分201与B′部分202为非磁致伸缩材料，同时受磁场作用时，会发生伸缩和翘曲复合运动；
设T为一个伸缩和翘曲复合运动周期：
（一）、当0≤t＜T/4时
当亥姆霍兹线圈4发生的磁场频率达到运输器能够启动的频率f1时，A部分101与B部分102同时伸长，但是：A部分101受到A′部分201的限制，A部分101与A′部分102组成的驱动Ⅰ部向下翘曲；同时B部分201受到B′部分202的限制，B部分201与B′部分202组成的驱动Ⅱ部向下翘曲；由于涂覆于基体1上的涂覆层A′部分201与B′部分202厚度不同，故A′部分201与B′部分202对其对应于基体1上的A部分101与B部分102限制作用不同，发生的非对称模态振型，使运输器与接触面之间发生非对称碰撞和摩擦，从而产生推动力而运动，运输器向驱动Ⅱ部一侧水平方向定向移动。
（二）、当T/4t＜3T/4时
A部分101与B部分102同时收缩，A部分101与B部分102在A′部分201与B′部分202的限制下，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部不同程度向上翘曲，B′部分202末端与凸起3离开接触面，运输器两端与接触面之间不发生非对称碰撞和摩擦，运输器处于振动状态，但无水平方向定向移动。
（三）、当3T/4≤t＜T时
驱动I部翘曲程度较大，驱动II部翘曲程度较小，驱动I部与接触面产生的推动力大于驱动II部与接触面产生的推动力，运输器向驱动II部一侧水平方向定向运动。
所以综上所述，当外磁场频率大于运输器启动频率f1 , 并小于固有频率f0时, 运输器将持续向驱动II部一侧水平方向运动，能够起到运输物品至目的地的作用。
3）、调节亥姆霍兹线圈4交流频率，使f0＜f＜f2时，其中f2=51.1kHz时，运动原理与上述相同，运输器反向运动，运输器退回初始位置。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (9)
1.一种磁致伸缩蛇形移动运输器，包括基体和涂覆层，其特征是：基体（1）为薄带状磁致伸缩材料层；基体（1）单面覆盖有非磁致伸缩材料制成的涂覆层（2），涂覆层（2）沿基体（1）长度方向划分为A′部分（201）与B′部分（202），A′部分（201）与B′部分（202）对应于基体（1）上划分为A部分（101）与B部分（102）；A部分（101）与A′部分（201）组成驱动Ⅰ部，B部分（102）与B′部分（202）组成驱动Ⅱ部；
A′部分（201）涂覆于A部分（101）上，在交变磁场作用下，A′部分（201）限制了A部分（101）的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅰ部发生伸缩和翘曲复合运动；
B′部分（202）涂覆于B部分（102）上，在交变磁场作用下，B′部分（202）限制了B部分（102）的伸长或者收缩运动，引起驱动Ⅱ部发生伸缩和翘曲复合运动；
驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部分的截面抗弯模量不同，从而伸缩和翘曲复合运动不同，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ运动效果的叠加使运输器在接触面（3）上产生位移。
2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩蛇形移动运输器，其特征是：所述的基体（1）采用磁致伸缩材料，其磁致伸缩系数大于20ppm(10-6)。
3.根据权利要求1或2所述的一种磁致伸缩蛇形移动运输器，其特征是：所述的涂覆层（2）采用的材料为铜或铝。
4.根据权利要求1或2所述的一种磁致伸缩蛇形移动运输器，其特征是：所述的磁致伸缩蛇形移动运输器为微型磁致伸缩蛇形移动运输器，其基体（1）长度为0.1~5mm，基体（1）厚度为10~500µm，涂覆层（2）厚度为5~100µm。
5.根据权利要求1或2所述的一种磁致伸缩蛇形移动运输器，其特征是：所述的磁致伸缩蛇形移动运输器为宏观工业用磁致伸缩蛇形移动运输器，其基体（1）长度为5~500mm，基体（1）厚度为0.5~20mm，涂覆层（2）厚度为0.1~20mm。
6.根据权利要求1或2任意一项所述的一种磁致伸缩蛇形移动运输器，其特征是：所述磁致伸缩蛇形移动运输器用于管道内物品输送。
7.一种磁致伸缩蛇形移动运输器的运输方法，其特征是运输过程包括下述步骤：
1）、垂直于微型磁致伸缩蛇形移动运输器基体（1）表面设置一组亥姆霍兹线圈（4），基体（1）长度方向与亥姆霍兹线圈（4）产生的轴向磁场平行；
2）、亥姆霍兹线圈（4）的内圈（41）连接直流电源，提供水平方向不大于200奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈（42）的外圈（42）连接交流电源，提供水平方向不大于5奥斯特磁场强度的交变磁场；
调节直流电流大小和交流电流频率，随着亥姆霍兹线圈（4）振幅和频率变化，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部在磁场的作用下发生非对称伸缩和翘曲复合运动，运输器上驱动Ⅰ部、驱动Ⅱ部与接触面之间发生碰撞和摩擦，产生推动力而发生定向运动，将携带物品运送到预定位置；
3）、调节亥姆霍兹线圈（4）交流频率，运输器反向运动，运输器退回初始位置。
8.一种磁致伸缩蛇形移动运输器的运输方法，其特征是运输过程包括下述步骤：
1）、垂直于工业磁致伸缩蛇形移动运输器基体（1）表面设置一组亥姆霍兹线圈（4），基体（1）长度方向与亥姆霍兹线圈（4）产生的轴向磁场平行；
2）、对于亥姆霍兹线圈（4）的内圈（41）连接直流电源，提供水平方向不大于300奥斯特磁场强度的稳恒磁场；亥姆霍兹线圈（42）的外圈（42）连接交流电源，提供水平方向不大于10奥斯特磁场强度的交变磁场；
调节直流电流大小和交流电流频率，随着亥姆霍兹线圈（4）振幅和频率变化，驱动Ⅰ部与驱动Ⅱ部在磁场的作用下发生非对称伸缩和翘曲复合运动，运输器上驱动Ⅰ部、驱动Ⅱ部与接触面之间发生碰撞和摩擦，产生推动力而发生定向运动，将携带物品运送到预定位置；
3）、调节亥姆霍兹线圈（4）交流频率，运输器反向运动，运输器退回初始位置。
9.根据权利要求7或8所述的一种磁致伸缩蛇形移动运输器的运输方法，其特征是：亥姆霍兹线圈（4）提供的外加磁场使运输器开始沿轴线方向向前运动的频率f1称为前启动频率、使运输器开始沿轴线方向向后运动的频率f2称为后启动频率，基体（1）的谐振频率为f0，其中f1＜f0＜f2；当外加磁场频率 f1＜f＜f0时，运输器向前运动；当外加磁场频率f0＜f＜f2时，运输器向后运动。
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