CN111306400B - 一种压电式管道爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

一种压电式管道爬行机器人，包括压电圆盘、圆柱杆、第一圆盘和第二圆盘；圆柱杆垂直设置在压电圆盘上；第一圆盘和第二圆盘沿着圆柱杆的中轴线方向设置在圆柱杆上，第一圆盘和第二圆盘的外周面上均设有用于与管道内壁接触的凸起，第一圆盘和第二圆盘的端面上分别设有多个导流槽；压电圆盘连接外部驱动以接收外部驱动发出的频率激励以在圆柱杆上形成驻波；驻波沿着圆柱杆的中轴线方向传播以驱动第一圆盘和第二圆盘沿着圆柱杆的中轴线方向移动，凸起阻止第一圆盘和第二圆盘移动直至第一圆盘和第二圆盘的凸起均与管道内壁脱落，机器人沿着管道的中轴线方向移动。本发明提供的压电式管道爬行机器人能在管壁中短暂的飞行，达到更高的移动速度。

Description

一种压电式管道爬行机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种压电式管道爬行机器人。
背景技术
在医疗内窥镜或者航天航空应用中，通常需要一种可以将探头快速伸出的装置；
压电装置由于无磁和可以小型化的特点被广泛的采用，由于压电材料的最大变形量是其自身的千分之一点五，经过机械结构放大后也只能到达百分之一左右，具体的数量级在几微米到数百微米，不能满足探头伸出长度在数十毫米的需求，因此现有的解决方案大多是利用压电材料在与管壁接触的物体上产生的驻波或椭圆运动，依靠物体和管壁的摩擦推动，然而，驻波或椭圆运动产生的位移较小使得这类压电装置的速度在一般在二十几毫米每秒，不能满足一些快速伸出的场合；为此，本申请中提出一种压电式管道爬行机器人。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种压电式管道爬行机器人，本发明提供的压电式管道爬行机器人能在管壁中短暂的飞行，达到更高的移动速度。
(二)技术方案
本发明提供了一种压电式管道爬行机器人，包括压电圆盘、圆柱杆、第一圆盘和第二圆盘；
圆柱杆垂直设置在压电圆盘上，圆柱杆的中轴线与压电圆盘的中轴线重合；
第一圆盘和第二圆盘沿着圆柱杆的中轴线方向设置在圆柱杆上，第一圆盘和第二圆盘的中轴线均与圆柱杆的中轴线重合，第一圆盘和第二圆盘的外周面上均设有用于与管道内壁接触的凸起，第一圆盘和第二圆盘的端面上分别设有多个用于使空气在第一圆盘和第二圆盘之间保持通畅的导流槽；
压电圆盘连接外部驱动以接收外部驱动发出的频率激励，压电圆盘接收频率激励以在圆柱杆上形成驻波；驻波沿着圆柱杆的中轴线方向传播以驱动第一圆盘和第二圆盘沿着圆柱杆的中轴线方向移动，第一圆盘和第二圆盘上分别设有的凸起阻止第一圆盘和第二圆盘移动直至第一圆盘和第二圆盘变形，第一圆盘和第二圆盘的凸起均与管道内壁脱落，机器人沿着管道的中轴线方向朝向第一圆盘和第二圆盘变形的反方向移动。
优选的，压电圆盘的外形为圆柱形，压电圆盘的直径值大于圆柱杆的直径值。
优选的，压电圆盘包括压电片材和支撑片材；压电片材设置在支撑片材上。
优选的，压电片材选用压电陶瓷片；支撑片材选用金属圆片或玻纤圆片或碳纤圆片中的任意一种。
优选的，支撑片材的直径值大于压电片材的直径值。
优选的，凸起为圆形或三角形，凸起为第一圆盘或第二圆盘的圆周上覆有第一圆盘或第二圆盘的直径方向和厚度方向构成的平面的截面形成。
优选的，第一圆盘或第二圆盘结构相同；
第一圆盘由两个以上的主体平板构成，相邻的两个主体平板之间通过Z字形褶皱连接用于让第一圆盘在垂直于第一圆盘端面的方向上具有向下弯曲变形的应力小于向上弯曲变形的应力。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明中，通过外部外部驱动向压电圆盘施加一定频率的激励，压电圆盘接收频率激励以在圆柱杆上形成驻波，当驻波在圆柱杆上的传播引起了驱动第一圆盘和第二圆盘向下运动，则在驱动第一圆盘和第二圆盘刚开始移动时，第一圆盘和第二圆盘上的凸起与管道内壁之间的作用形成管道内壁对第一圆盘和第二圆盘的向上的力，当第一圆盘和第二圆盘变形至移动程度后，凸起和管道内壁分离，则机器人在惯性力的作用下沿着管道的中轴线的方向向第一圆盘和第二圆盘变形的反方向移动；压电圆盘回至初始位置，则计算器停止前进；
本发明通过压电圆盘产生的驻波，使分布在圆柱杆上的第一圆盘和第二圆盘产生周期性的运动，不仅能够与管壁产生摩擦力推动机器人整体沿着管壁向前运动，而且能够产生向后的气流，推动机器人在管壁中短暂的飞行，达到更高的移动速度。这一方式模拟了水母在水中运动的情形。
附图说明
图1为本发明提出的一种压电式管道爬行机器人中机器人位于管道中剖视图。
图2为本发明提出的一种压电式管道爬行机器人中压电圆盘和圆柱体的侧视图。
图3为本发明提出的一种压电式管道爬行机器人中圆盘的等轴侧视图。
附图标记：10、压电圆盘；101、压电陶瓷片；102、金属圆片；20、圆柱杆；301、第一圆盘；302、第二圆盘；3013、导流槽；3014、边缘；40、管道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-3所示，本发明提出的一种压电式管道爬行机器人，包括压电圆盘10、圆柱杆20、第一圆盘301和第二圆盘302；
圆柱杆20垂直设置在压电圆盘10上，圆柱杆20的中轴线与压电圆盘10的中轴线重合；
第一圆盘301和第二圆盘302沿着圆柱杆20的中轴线方向设置在圆柱杆20上，第一圆盘301和第二圆盘302的中轴线均与圆柱杆20的中轴线重合，第一圆盘301和第二圆盘302的外周面上均设有用于与管道40内壁接触的凸起，第一圆盘301和第二圆盘302的端面上分别设有多个用于使空气在第一圆盘301和第二圆盘302之间保持通畅的导流槽3013，导流槽3013用于将第一圆盘301和第二圆盘302运动产生的气压导出，并在自身运动时能够向后产生推力；
进一步的，圆盘不仅仅设有第一圆盘301和第二圆盘302，圆盘的数量至少为两个；
压电圆盘10连接外部驱动以接收外部驱动发出的频率激励，压电圆盘10接收频率激励以在圆柱杆20上形成驻波；驻波沿着圆柱杆20的中轴线方向传播以驱动第一圆盘301和第二圆盘302沿着圆柱杆20的中轴线方向移动，第一圆盘301和第二圆盘302上分别设有的凸起阻止第一圆盘301和第二圆盘302移动直至第一圆盘301和第二圆盘302变形，第一圆盘301和第二圆盘302的凸起均与管道40内壁脱落，机器人沿着管道40的中轴线方向朝向第一圆盘301和第二圆盘302变形的反方向移动。
本发明中，通过外部外部驱动向压电圆盘10施加一定频率的激励，压电圆盘10接收频率激励以在圆柱杆20上形成驻波，当驻波在圆柱杆20上的传播引起了驱动第一圆盘301和第二圆盘302向下运动，则在驱动第一圆盘301和第二圆盘302刚开始移动时，第一圆盘301和第二圆盘302上的凸起与管道40内壁之间的作用形成管道40内壁对第一圆盘301和第二圆盘302的向上的力，当第一圆盘301和第二圆盘302变形至移动程度后，凸起和管道40内壁分离，则机器人在惯性力的作用下沿着管道40的中轴线的方向向第一圆盘301和第二圆盘302变形的反方向移动；压电圆盘10回至初始位置，则计算器停止前进。
在一个可选的实施例中，压电圆盘10的外形为圆柱形，压电圆盘10的直径值大于圆柱杆20的直径值。
在一个可选的实施例中，压电圆盘10包括压电片材和支撑片材；压电片材设置在支撑片材上。
在一个可选的实施例中，压电片材选用压电陶瓷片101；支撑片材选用金属圆片102或玻纤圆片或碳纤圆片中的任意一种；
进一步的，压电圆盘10为压电片材贴合在圆柱杆20顶部或者底部被切削形成的平台上。
在一个可选的实施例中，支撑片材的直径值大于压电片材的直径值。
在一个可选的实施例中，凸起为圆形或三角形，凸起为第一圆盘301或第二圆盘302的圆周上覆有第一圆盘301或第二圆盘302的直径方向和厚度方向构成的平面的截面形成。
在一个可选的实施例中，第一圆盘301或第二圆盘302结构相同；
第一圆盘301由两个以上的主体平板构成，相邻的两个主体平板之间通过Z字形褶皱连接用于让第一圆盘301在垂直于第一圆盘301端面的方向上具有向下弯曲变形的应力小于向上弯曲变形的应力。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种压电式管道爬行机器人，其特征在于，包括压电圆盘(10)、圆柱杆(20)、第一圆盘(301)和第二圆盘(302)；
圆柱杆(20)垂直设置在压电圆盘(10)上，圆柱杆(20)的中轴线与压电圆盘(10)的中轴线重合；
第一圆盘(301)和第二圆盘(302)沿着圆柱杆(20)的中轴线方向设置在圆柱杆(20)上，第一圆盘(301)和第二圆盘(302)的中轴线均与圆柱杆(20)的中轴线重合，第一圆盘(301)和第二圆盘(302)的外周面上均设有用于与管道(40)内壁接触的凸起；凸起为圆形或三角形，凸起为第一圆盘(301)或第二圆盘(302)的圆周上覆有第一圆盘(301)或第二圆盘(302)的直径方向和厚度方向构成的平面的截面形成；第一圆盘(301)和第二圆盘(302)的端面上分别设有多个用于使空气在第一圆盘(301)和第二圆盘(302)之间保持通畅的导流槽(3013)；
压电圆盘(10)连接外部驱动以接收外部驱动发出的频率激励，压电圆盘(10)接收频率激励以在圆柱杆(20)上形成驻波，压电圆盘(10)的外形为圆柱形，压电圆盘(10)的直径值大于圆柱杆(20)的直径值，压电圆盘(10)包括压电片材和支撑片材；压电片材设置在支撑片材上；支撑片材的直径值大于压电片材的直径值；驻波沿着圆柱杆(20)的中轴线方向传播以驱动第一圆盘(301)和第二圆盘(302)沿着圆柱杆(20)的中轴线方向移动，第一圆盘(301)和第二圆盘(302)上分别设有的凸起阻止第一圆盘(301)和第二圆盘(302)移动直至第一圆盘(301)和第二圆盘(302)变形，第一圆盘(301)和第二圆盘(302)的凸起均与管道(40)内壁脱落，机器人沿着管道(40)的中轴线方向朝向第一圆盘(301)和第二圆盘(302)变形的反方向移动；第一圆盘(301)或第二圆盘(302)结构相同；
第一圆盘(301)由两个以上的主体平板构成，相邻的两个主体平板之间通过Z字形褶皱连接用于让第一圆盘(301)在垂直于第一圆盘(301)端面的方向上具有向下弯曲变形的应力小于向上弯曲变形的应力。
2.根据权利要求1所述的一种压电式管道爬行机器人，其特征在于，压电片材选用压电陶瓷片(101)；支撑片材选用金属圆片(102)或玻纤圆片或碳纤圆片中的任意一种。
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