CN109268620A - 一种基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人 - Google Patents

一种基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人 Download PDF

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敖东
张志新
陈建国
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Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，属于管道处理设备技术领域。包括固定于底盘上的驱动机构，所述驱动机构连接齿轮传动机构，所述齿轮传动机构连接驱动轮，所述底盘上还设有从动轮机构。本发明的有益效果是：利用直齿轮传动机构将SMA弹簧的输出位移放大；通过电能产生的焦耳热进行驱动，对活塞的密封性，保温隔热性要求较低，能量的转化效率更高。将电能转化为机械能，来驱动机器人前进；本发明的机器人对环境的适应力强，成本低、无污染，工作效率高。

Description

一种基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人
技术领域
本发明涉及一种基于形状记忆合金驱动的管道机器人，属于管道处理设备技术领域。
背景技术
目前，国内外的管道运输业不仅规模庞大而且发展迅速，我国西气东输项目管道建设总长已达12259公里，全世界的油气运输管道200多万公里，城市供水供热以及排水管道更是无法统计。所以，对于管道运输的安全管理是研究的重点，管道堵塞是影响运输安全的一个重要问题。检测管道堵塞的方式比较多样化，但大体可分为管道内部检测堵塞和经管道外部传感器检测两大类。相比于管道外部传感器检测堵塞，利用机器人进行内部直接清理，更加的准确高效，名称为《形状记忆合金驱动的微型管道机器人》，授权公告号为CN207213497 U的实用新型专利，通过形状记忆合金热机驱动的微型管道机器人，该车是靠泵机将冷热水有周期的给SMA弹簧降温和升温，使SMA弹簧发生收缩伸长的变形，从而提供驱动力，其通过热能直接给SMA供能，转化效率低，对热机的密封性，保温隔热性高，驱动效果不理想，不易实现量产。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种轻便灵活、能量转换率高的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人。
本发明的技术方案是：一种基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，包括通过固定座固定在底盘上的驱动机构，所述驱动机构为两个，对称分布于所述齿轮传动机构两侧，所述驱动机构连接齿轮传动机构，所述齿轮传动机构连接驱动轮，所述底盘上还设有从动轮机构。
所述驱动机构包括，位于活塞缸体内的SMA弹簧，所述SMA弹簧两端分别连接正极铜片和负极铜片，所述正极铜片固定于活塞缸体端部，负极铜片连接活塞，所述活塞与活塞缸体内壁滑动连接，连杆一端转动所述活塞、另一端铰接曲柄，所述正极铜片和负极铜片均连接加热电源。
所述SMA弹簧两端设有SMA弹簧座a和SMA弹簧座b，有SMA弹簧座a和SMA弹簧座b分别连接负极铜片和正极铜片。
所述齿轮传动机构为直齿轮传动机构，包括，与曲柄连接的转动轴b，所述转动轴b两端设有主动直齿轮，所述主动直齿轮啮合转动轴c两端的传动直齿轮，所述传动直齿轮啮合转动轴a上的从动直齿轮，所述转动轴a、转动轴b以及转动轴c均贯穿固定座并通过法兰轴承转动连接所述固定座，所述主动直齿轮的齿数多于传动直齿轮，所述传动直齿轮的齿数多于从动直齿轮。
驱动轮通过车轮法兰设置于所述转动轴a两端。
所述从动轮机构包括，通过垫板设置于底盘上的从动轮固定座，从动轮轴通过两端的从动轮法兰轴承转动连接在所述从动轮固定座底部，从动轮位于所述从动轮轴中部。
所述活塞、负极铜片以及SMA弹簧座a之间通过胶体粘接，所述正极铜片与SMA弹簧座b之间通过胶体粘接。
STM32单片机连接控制所述加热电源。
本发明的有益效果是：利用直齿轮传动机构将SMA弹簧的输出位移放大；通过电能产生的焦耳热进行驱动，对活塞的密封性，保温隔热性要求较低，能量的转化效率更高。将电能转化为机械能，来驱动机器人前进；本发明的机器人对环境的适应力强，成本低、无污染，工作效率高。
附图说明
图1为本发明的仰视图；
图2为本发明侧视图；
图3为本发明轴测图；
图4为驱动结构的剖视图；
图5为齿轮传动机构结构图；
图6为齿轮传动机构轴测图；
图7为从动轮机构结构图。
图中附图标记如下：1、底盘，2、齿轮传动机构，2.1、转动轴a，2.2、从动直齿轮，2.3、传动直齿轮，2.4、主动直齿轮，2.5、法兰轴承，2.6、固定座，2.7、转动轴b，2.8、转动轴c，3、驱动机构，3.1、曲柄，3.2、连杆，3.3、正极铜片，3.4、活塞，3.5、负极铜片，3.6、SMA弹簧座a，3.7、活塞缸体，3.8、SMA弹簧座b，4、从动轮机构，4.1、从动轮，4.2、从动轮法兰轴承，4.3、从动轮轴，4.4、从动轮固定座，4.5、垫板，5、驱动轮，6、车轮法兰，7、固定座。
具体实施方式
下面结合附图1-7对本发明做进一步说明：
一种基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，包括通过固定座4固定于底盘1上的驱动机构3，所述驱动机构3连接齿轮传动机构2，驱动机构3为两个，对称分布于所述齿轮传动机构2两侧，所述齿轮传动机构2连接驱动轮5，所述底盘1上还设有两套从动轮机构4，所述从动轮机构4包括，通过垫板4.5设置于底盘1上的从动轮固定座4.4，从动轮轴4.3通过两端的从动轮法兰轴承4.2转动连接在所述从动轮固定座4.4底部，从动轮4.1位于所述从动轮轴4.3中部。所述驱动机构3包括，位于活塞缸体3.7内的SMA弹簧，所述SMA弹簧两端分别连接正极铜片3.3和负极铜片3.5，所述正极铜片3.3固定于活塞缸体3.7端部，负极铜片3.5连接活塞3.4，所述活塞3.4与活塞缸体3.7内壁滑动连接，连杆3.2一端转动所述活塞3.4、另一端铰接曲柄3.1，所述正极铜片3.3和负极铜片3.5均连接加热电源，STM32单片机连接控制所述加热电源。所述SMA弹簧两端设有SMA弹簧座a3.6和SMA弹簧座b3.8，有SMA弹簧座a3.6和SMA弹簧座b3.8分别连接负极铜片3.5和正极铜片3.3，所述活塞3.4、负极铜片3.5以及SMA弹簧座a3.6之间通过胶体粘接，所述正极铜片3.3与SMA弹簧座b3.8之间通过胶体粘接。所述齿轮传动机构2为直齿轮传动机构，包括，与曲柄3.1连接的转动轴b2.7，所述转动轴b2.7两端设有主动直齿轮2.4，所述主动直齿轮2.4啮合转动轴c2.8两端的传动直齿轮2.3，所述传动直齿轮2.3啮合转动轴a2.1上的从动直齿轮2.2，驱动轮5通过车轮法兰6设置于所述转动轴a2.1两端，所述转动轴a2.1、转动轴b2.7以及转动轴c2.8均贯穿固定座2.6并通过法兰轴承2.5转动连接所述固定座2.6，所述固定座2.6通过螺栓固定在底盘1上。所述主动直齿轮2.4的齿数多于传动直齿轮2.3，所述传动直齿轮2.3的齿数多于从动直齿轮2.2，从而放大输出位移。
通过单片机的控制，给正极铜片3.3和负极铜片3.5之间的SMA弹簧通电，使其产生焦耳热，从而发生相变导致形变，最后推动整个活塞3.4在活塞缸体3.7内移动。具体来说，给Ni-Ti形状记忆合金弹簧间隔加载0.9A左右的电流，控制通电时间，使其产生焦耳热，当Ni-Ti形状记忆合金弹簧温度达到相变温度，发生相变导致形变，将活塞3.4推动到最大行程后，断电，空冷降温，使其又回到母相，恢复到原来的形状，接着再给Ni-Ti形状记忆合金弹簧通电。按照一定的周期重复操作上述动作。Ni-Ti形状记忆合金弹簧来回收缩驱动活塞3.4来回移动，然后通过曲柄3.1和连杆3.2驱动直齿轮传动机构转动，直齿轮传动机构的转动轴a2.1转动，带动两端的驱动轮5转动，带动从动轮机构4转动，实现机器人的移动，从动轮机构4包括固定在底盘1下的垫板4.5，动轮固定座4.4通过螺栓固定在垫板4.5上，限位前轮轴的从动轮法兰轴承4.2通过过盈配合固定在从动轮固定座4.4上，从动轮4.1套在从动轮轴4.3上与从动轮法兰轴承4.2同轴。相对于传动的驱动方式(如马达驱动、伺服电机驱动等)，SMA驱动机构简单，其既可以作为连接机构也可以作为驱动机构；所需电压低、电流小，SMA驱动器可以采用2A或1.5V以下的电源加热驱动，这比电机驱动所需的电源低得多，此外控制电路和驱动电路可以采用同一个电源，可以省去复杂的线路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，包括通过固定座(7)固定在底盘(1)上的驱动机构(3)，所述驱动机构(3)为两个，对称分布于所述齿轮传动机构(2)两侧，所述驱动机构(3)连接齿轮传动机构(2)，所述齿轮传动机构(2)连接驱动轮(5)，所述底盘(1)上还设有从动轮机构(4)。
2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，所述驱动机构(3)包括，位于活塞缸体(3.7)内的SMA弹簧，所述SMA弹簧两端分别连接正极铜片(3.3)和负极铜片(3.5)，所述正极铜片(3.3)固定于活塞缸体(3.7)端部，负极铜片(3.5)连接活塞(3.4)，所述活塞(3.4)与活塞缸体(3.7)内壁滑动连接，连杆(3.2)一端转动所述活塞(3.4)、另一端铰接曲柄(3.1)，所述正极铜片(3.3)和负极铜片(3.5)均连接加热电源。
3.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，所述SMA弹簧两端设有SMA弹簧座a(3.6)和SMA弹簧座b(3.8)，有SMA弹簧座a(3.6)和SMA弹簧座b(3.8)分别连接负极铜片(3.5)和正极铜片(3.3)。
4.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，所述齿轮传动机构(2)为直齿轮传动机构，包括，与曲柄(3.1)连接的转动轴b(2.7)，所述转动轴b(2.7)两端设有主动直齿轮(2.4)，所述主动直齿轮(2.4)啮合转动轴c(2.8)两端的传动直齿轮(2.3)，所述传动直齿轮(2.3)啮合转动轴a(2.1)上的从动直齿轮(2.2)，所述转动轴a(2.1)、转动轴b(2.7)以及转动轴c(2.8)均贯穿固定座(2.6)并通过法兰轴承(2.5)转动连接所述固定座(2.6)，所述主动直齿轮(2.4)的齿数多于传动直齿轮(2.3)，所述传动直齿轮(2.3)的齿数多于从动直齿轮(2.2)。
5.根据权利要求4所述的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，驱动轮(5)通过车轮法兰(6)设置于所述转动轴a(2.1)两端。
6.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，所述从动轮机构(4)包括，通过垫板(4.5)设置于底盘(1)上的从动轮固定座(4.4)，从动轮轴(4.3)通过两端的从动轮(4.2)转动连接在所述从动轮固定座(4.4)底部，从动轮(4.1)位于所述从动轮轴(4.3)中部。
7.根据权利要求3所述的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，所述活塞(3.4)、负极铜片(3.5)以及SMA弹簧座a(3.6)之间通过胶体粘接，所述正极铜片(3.3)与SMA弹簧座b(3.8)之间通过胶体粘接。
8.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金焦耳热驱动的管道机器人，其特征在于，STM32单片机连接控制所述加热电源。
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