CN110323967B - 微细管道检测精密尺蠖电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种微细管道检测精密尺蠖电机，其特征在于，包括驱动机构及位于驱动机构前、后两侧的钳位机构一和钳位机构二，由驱动机构在驱动电流一作用下推动钳位机构一前进，并且由驱动机构带动钳位机构二前进。本发明借助智能材料驱动技术和柔顺机构技术，基于尺蠖运动原理设计了一种微细管道检测用的精密尺蠖直线电机。为便于钳位机构实现对管道内壁的钳紧，设计了一种对称四柔顺卡爪以过盈配合实现钳位功能；驱动机构利用智能材料作动器和带环形槽的柔顺弹簧设计，实现了进动结束后的复位功能。本发明能够实现对微纳尺度精度需求下的瑕疵检测、载荷搬运等操作，同时也能够为生物医学领域的体内检测提供参考方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种微细管道检测用的精密尺蠖直线电机。
背景技术
面向空间环境下航天器微细管道内瑕疵检测、载荷搬运等高精密应用场合，传统伺服电机驱动的机械装置结构庞大、传动复杂，且作动精度难以达到微纳米尺度。
发明内容
本发明的目的是：提供一种具备微细管道内瑕疵检测、载荷搬运等功能的微纳尺度精度的尺蠖直线电机。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种微细管道检测精密尺蠖电机，其特征在于，包括驱动机构及位于驱动机构前、后两侧的钳位机构一和钳位机构二，由驱动机构在驱动电流一作用下推动钳位机构一前进，并且由驱动机构带动钳位机构二前进，将钳位机构一和钳位机构二的移动方向定义为前、后方向；钳位机构一和钳位机构二在断电状态下采用过盈配合方式与微细管道内壁接触，并在驱动电流二的作用下与微细管道内壁脱离，钳位机构一和钳位机构二在移动时先后通以驱动电流二，使得钳位机构一先与微细管道内壁脱离后由驱动机构推动前进，钳位机构二再与微细管道内壁脱离后由驱动机构带动前进。
优选地，所述驱动机构、所述钳位机构一及所述钳位机构二的外形包络尺寸一体。
优选地，所述驱动机构包括智能材料作动器一和可在外力作用下发生形变且在外力除去后恢复原状的弹性机构，智能材料作动器一在所述驱动电流一作用下推动与微细管道内壁脱离的钳位机构一前进并配合与微细管道内壁接触的所述钳位机构二使得弹性机构发生形变，弹性机构恢复原状的同时带动所述驱动机构及与微细管道内壁脱离的所述钳位机构二前进。
优选地，所述弹性机构包括N片沿所述智能材料作动器一周向布置的带环形槽的柔顺弹簧，与微细管道内壁脱离的钳位机构一被所述智能材料作动器一推动前进时配合与微细管道内壁接触的所述钳位机构二带动柔顺弹簧伸长，柔顺弹簧回弹时带动所述驱动机构及与微细管道内壁脱离的所述钳位机构二前进。
优选地，所述智能材料作动器一的输出杆通过螺栓螺母与所述钳位机构一连接固定；所述驱动机构的后侧通过螺栓螺母与所述钳位机构二连接固定。
优选地，所述钳位机构一和所述钳位机构二的结构相同，包括智能材料作动器二及柔顺机构，在断电状态下，柔顺机构同步向外伸出沿周向分布的M个接触点，每个接触点均采用所述过盈配合方式与所述微细管道内壁接触，智能材料作动器二在所述驱动电流二的作用下带动柔顺机构的M个接触点同步向内收缩，使得所述钳位机构一或所述钳位机构二与所述微细管道内壁脱离。
优选地，所述M＝4，则所述柔顺机构包括四个对称布置的柔顺卡爪，每个柔顺卡爪与一个柔顺杠杆放大机构的输入端相连，四个柔顺杠杆放大机构分为两组，每组柔顺杠杆放大机构的输入端与桥式放大机构的一个输出端相连，桥式放大机构的输入端与所述智能材料作动器二的输出端相连。
优选地，在每个所述柔顺卡爪上设有一个突出于所述柔顺卡爪的橡胶摩擦头。
本发明借助智能材料驱动技术和柔顺机构技术，基于尺蠖运动原理设计了一种微细管道检测用的精密尺蠖直线电机。为便于钳位机构实现对管道内壁的钳紧，设计了一种对称四柔顺卡爪以过盈配合实现钳位功能；驱动机构利用智能材料作动器和带环形槽的柔顺弹簧设计，实现了进动结束后的复位功能。本发明可以根据实际需求，实现不同尺寸管道的匹配设计。因此，本发明能够实现对微纳尺度精度需求下的瑕疵检测、载荷搬运等操作，同时也能够为生物医学领域的体内检测提供参考方案。
具体而言，本发明具有如下优点：
1)本发明借助智能材料驱动技术和柔顺机构技术，通过集成化设计、加工成型，整体结构简单、紧凑，使其更适合于微细管道内瑕疵检测或者目标载荷的精准搬运。柔顺机构的采用避免了各实体运动副的引入，有助于减小传递误差并有利于后期在轨维护及更换。
2)本发明外形包络尺寸一体，类似于胶囊形状，有利于在微细管道内的运动；同时该方案也可为生物医学领域肠道检测提供参考方案。
3)本发明的钳位机构采用过盈配合与管道内壁接触，在智能材料作动器通电时周向四接触点向圆心收缩，与管道内壁脱离，以便于前进。过盈配合方式有利于断电自锁，提高系统安全性。
4)钳位机构主要由一个智能材料作动器和一个柔顺卡爪组成。柔顺卡爪采用对称式设计，集成了柔顺杠杆放大机构和桥式放大机构，能够实现对智能材料作动器输出位移的放大与换向。柔顺卡爪呈周向对称四点分布，各卡爪头部可通过设计不同尺寸的橡胶摩擦头来实现与管道的配合松紧程度，以提高或减小摩擦力。
5)本发明钳位机构与驱动机构的智能材料作动器不仅可以采用压电陶瓷作动器，还可以自行设计磁致伸缩作动器，从而提高了不同外部条件下的适用性。
6)本发明驱动机构主要由一个智能材料作动器和四片带环形槽的柔顺弹簧组成。智能材料作动器在作动时能够带动柔顺弹簧一起伸长，在断电后，弹簧回弹实现后端钳位机构的进动。柔顺弹簧采用线切割实现环形布局，有利于装置的小型化、紧凑化。
7)本发明驱动机构的智能材料作动器通过螺栓螺母与钳位机构的固定安装底座紧固，以实现驱动机构作动时对整个钳位机构的驱动。同时，螺栓螺母的配合能同时为智能材料作动器提供可调的预应力工况，便于智能材料作动器优异性能的发挥。
8)本发明综合利用了柔顺机构技术与智能材料驱动技术的优点，可根据实际需要，进行针对性设计，通过匹配不同放大比的柔顺机构，从而实现对智能材料作动器输出行程的放大，以改变尺蠖电机的卡紧程度、步距、或作动速度。
9)带环形槽的柔顺弹簧可根据实际需要进行匹配设计，以提高或进一步降低弹簧刚度，改变其固有频率，从而满足在所需驱动频率下的快速进给，避免共振。
10)本发明利用了智能材料驱动技术，因此能够在精度上达到微纳米尺度。在管道进动时，可根据具体指标设计相应的控制策略，以实现高精度、高效率的作动。同时，该尺蠖电机可以通过改变驱动信号序列，实现电机的前进或后退，因此适用性更强。
附图说明
图1为本发明提供的微细管道检测精密尺蠖电机示意图；
图2为本发明提供的钳位机构示意图；
图3为本发明提供的驱动机构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1-3所示，为本发明提供的微细管道检测精密尺蠖电机示意图，其包括钳位机构一1、钳位机构二3和一个驱动机构2。将钳位机构一1及钳位机构二3的行进方向定义为前、后方向，则钳位机构一1及钳位机构二3分别位于驱动机构2的前后两侧。
如图2所示，钳位机构一1及钳位机构二3的结构相同，主要包括一个导引端盖201、四个柔顺卡爪202、四个橡胶摩擦头203、一个智能材料作动器二204和一个固定安装底座205。导引端盖201通过其上所开的四个第一通孔209，用螺栓与固定安装底座205上的四个固定第一螺纹孔206分别配合固定，将柔顺卡爪202、橡胶摩擦头203和智能材料作动器二204安装在固定在导引端盖201与固定安装底座205之间。固定安装底座205上所开的四个第二螺纹孔207主要用于与驱动机构2中的带环形槽的四个柔顺弹簧301固定连接。钳位机构一1的固定安装底座205中部的中心通孔208用于与驱动机构2中的智能材料作动器一302的输出杆303连接。智能材料作动器二204的输出端与桥式放大机构的输入端相连，桥式放大机构的每个输出端分别连接两个柔顺杠杆放大机构，每个柔顺杠杆放大机构则与一个柔顺卡爪202。四个柔顺卡爪202对称布置。四个橡胶摩擦头203通过螺栓与四个柔顺卡爪202上所开的第三螺纹孔210紧固安装。
如图3所示，所述的驱动机构2主要由四片带环形槽的柔顺弹簧301和一个智能材料作动器一302组成。智能材料作动器一302的输出杆303开有外螺纹，通过螺母304与钳位机构一1的固定安装底座205的中心通孔208配合锁紧。柔顺弹簧301利用螺栓通过其两端的第二通孔305与钳位机构一1及钳位机构二3的固定安装底座205上的第二螺纹孔207配合，实现柔顺弹簧301的前后两端分别与钳位机构一1及钳位机构二3连接固定。因此，所述的微细管道检测精密尺蠖电机结构简单、紧凑，能够实现微纳米级别的运动精度
整个机构装配过程如下：首先将驱动机构2通过螺母与钳位机构一1及钳位机构二3的固定安装底座205分别安装紧固。然后分别组装钳位机构一1及钳位机构二3。最后通过八个M6固定螺栓分别安装四个带环形槽的柔顺弹簧301，从而实现整体机构的装配。
电机运动时，作动流程如下：钳位机构一1及钳位机构二3在断电的情况下通过柔顺卡爪202及橡胶摩擦头203实现与管道内壁的过盈配合。同时，钳位机构一1及钳位机构二3的智能材料作动器二204在驱动电流作用下将会使得四个柔顺卡爪202同时向圆心收缩，从而实现钳位机构一1及钳位机构二3与管道内壁的脱离。
一个作动周期内，驱动电流顺序如下：
步骤1、给钳位机构一1的智能材料作动器二204输入驱动电流二，则智能材料作动器二204通过桥式放大机构及柔顺杠杆放大机构带动四个柔顺卡爪202同步向内收缩，使得钳位机构一1与管道内壁相脱离；
步骤2、给驱动机构2的智能材料作动器一302输入驱动电流一，则智能材料作动器一302产生作动位移，从而推动钳位机构一1前进一个步距；在钳位机构一1前进的同时，由于钳位机构二3仍然保持与管道内壁的过盈配合，因此钳位机构一1将柔顺弹簧301拉伸，使得柔顺弹簧301产生回复力；
步骤3、给钳位机构一1的智能材料作动器二204断电，则四个柔顺卡爪202向外伸出重新与管道内壁过盈配合，钳位机构一1与管道内壁卡紧；
步骤4、给钳位机构二3的智能材料作动器二204输入驱动电流二，则智能材料作动器二204通过桥式放大机构及柔顺杠杆放大机构带动四个柔顺卡爪202同步向内收缩，使得钳位机构二3与管道内壁相脱离；
步骤5、给驱动机构2的智能材料作动器一302断电，则驱动机构2和钳位机构二3在柔顺弹簧301的回复力作用下向前进动一个步距，从而完成了一个周期的电机运动。
Claims (2)
1.一种微细管道检测精密尺蠖电机，其特征在于，包括驱动机构(2)及位于驱动机构(2)前、后两侧的钳位机构一(1)和钳位机构二(3)，由驱动机构(2)在驱动电流一作用下推动钳位机构一(1)前进，并且由驱动机构(2)带动钳位机构二(3)前进，将钳位机构一(1)和钳位机构二(3)的移动方向定义为前、后方向；钳位机构一(1)和钳位机构二(3)在断电状态下采用过盈配合方式与微细管道内壁接触，并在驱动电流二的作用下与微细管道内壁脱离，钳位机构一(1)和钳位机构二(3)在移动时先后通以驱动电流二，使得钳位机构一(1)先与微细管道内壁脱离后由驱动机构(2)推动前进，钳位机构二(3)再与微细管道内壁脱离后由驱动机构(2)带动前进；
钳位机构一(1)及钳位机构二(3)的结构相同，包括一个导引端盖(201)、四个柔顺卡爪(202)、四个橡胶摩擦头(203)、一个智能材料作动器二(204)和一个固定安装底座(205)；导引端盖(201)通过其上所开的四个第一通孔(209)，用螺栓与固定安装底座(205)上的四个固定第一螺纹孔(206)分别配合固定，将柔顺卡爪(202)、橡胶摩擦头(203)和智能材料作动器二(204)安装在固定在导引端盖(201)与固定安装底座(205)之间；固定安装底座(205)上所开的四个第二螺纹孔(207)用于与驱动机构(2)中的带环形槽的四个柔顺弹簧(301)固定连接；钳位机构一(1)的固定安装底座(205)中部的中心通孔(208)用于与驱动机构(2)中的智能材料作动器一(302)的输出杆(303)连接；智能材料作动器二(204)的输出端与桥式放大机构的输入端相连，桥式放大机构的每个输出端分别连接两个柔顺杠杆放大机构，每个柔顺杠杆放大机构则与一个柔顺卡爪(202)连接，四个柔顺卡爪(202)对称布置；四个橡胶摩擦头(203)通过螺栓与四个柔顺卡爪(202)上所开的第三螺纹孔(210)紧固安装；
驱动机构(2)包括四片带环形槽的柔顺弹簧(301)和一个智能材料作动器一(302)；智能材料作动器一(302)的输出杆(303)开有外螺纹，通过螺母(304)与钳位机构一(1)的固定安装底座(205)的中心通孔(208)配合锁紧；柔顺弹簧(301)利用螺栓通过其两端的第二通孔(305)与钳位机构一(1)及钳位机构二(3)的固定安装底座(205)上的第二螺纹孔(207)配合，实现柔顺弹簧(301)的前后两端分别与钳位机构一(1)及钳位机构二(3)连接固定；与微细管道内壁脱离的钳位机构一(1)被所述智能材料作动器一(302)推动前进时配合与微细管道内壁接触的所述钳位机构二(3)带动柔顺弹簧(301)伸长，柔顺弹簧(301)回弹时带动所述驱动机构(2)及与微细管道内壁脱离的所述钳位机构二(3)前进。
2.如权利要求1所述的一种微细管道检测精密尺蠖电机，其特征在于，所述驱动机构(2)、所述钳位机构一(1)及所述钳位机构二(3)的外形包络尺寸一体。
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