CN114413107B - 一种管道机器人及激励方法 - Google Patents
一种管道机器人及激励方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114413107B CN114413107B CN202210325580.6A CN202210325580A CN114413107B CN 114413107 B CN114413107 B CN 114413107B CN 202210325580 A CN202210325580 A CN 202210325580A CN 114413107 B CN114413107 B CN 114413107B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pipeline
- pipeline robot
- moving
- robot
- elastic body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 230000005284 excitation Effects 0.000 title abstract description 12
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 42
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims description 11
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 4
- 230000005279 excitation period Effects 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001166076 Diapheromera femorata Species 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 2
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229920000426 Microplastic Polymers 0.000 description 1
- 229910020012 Nb—Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017709 Ni Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003267 Ni-Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003262 Ni‐Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 1
- BSPSZRDIBCCYNN-UHFFFAOYSA-N phosphanylidynetin Chemical compound [Sn]#P BSPSZRDIBCCYNN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 229920006389 polyphenyl polymer Polymers 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 229910001954 samarium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940075630 samarium oxide Drugs 0.000 description 1
- FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N samarium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Sm+3].[Sm+3] FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
- F16L55/26—Pigs or moles, i.e. devices movable in a pipe or conduit with or without self-contained propulsion means
- F16L55/28—Constructional aspects
- F16L55/30—Constructional aspects of the propulsion means, e.g. towed by cables
- F16L55/32—Constructional aspects of the propulsion means, e.g. towed by cables being self-contained
- F16L55/34—Constructional aspects of the propulsion means, e.g. towed by cables being self-contained the pig or mole being moved step by step
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
- H02N2/0075—Electrical details, e.g. drive or control circuits or methods
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L2101/00—Uses or applications of pigs or moles
- F16L2101/10—Treating the inside of pipes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L2101/00—Uses or applications of pigs or moles
- F16L2101/30—Inspecting, measuring or testing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本申请涉及管道机器人技术领域，公开了一种管道机器人及激励方法，包括一个弹性本体，所述弹性本体包括多个移动足、多个连接臂和多个柔性铰链，所述连接臂和所述移动足交替连接，每一个所述移动足通过两个所述柔性铰链和两个所述连接臂连接，且相邻的两个所述连接臂之间成一夹角；所述移动足用于和管道内壁抵接；每个所述连接臂的至少一侧设置有压电陶瓷片，所述压电陶瓷片用于在输入的周期性电信号的作用下产生振动使所述移动足摆动，从而驱动管道机器人移动。本发明具有自锁能力强、适应能力强和结构简单的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于管道机器人技术领域，特别涉及一种管道机器人及激励方法。
背景技术
管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。
从目前已报道的国内外管道机器人的现状可知，现有的履带式管道机器人附着力较大，越障性能好，但结构复杂，转弯性能差，自锁能力差，攀爬能力弱，不易小型化，多适用于水平直管；蠕动式管道机器人仿生腔肠类动物，通过身体的伸缩实现运动，这类管道机器人多采用多单元体串联设计，能越过障碍物或实现拐弯，但控制难度大，结构复杂，移动缓慢，牵引力小，管径适应范围小；多足爬行管道机器人使用的电机较多，控制策略复杂，攀爬能力弱、自锁能力差、驱动效率低、移动缓慢；轮式管道机器人是目前实用化程度最高的管道机器人，轮式管道机器人在直管内连续行走平稳、速度快、控制简单，但通过弯管时需要准确获取环境信息，精确地调节车轮的方向，其控制算法繁缛复杂，另外，应用于倾斜或竖直管道时必须要增加保持机构和锁止机构，使车轮与管道内壁实时保持接触且不打滑，在实际应用中的实时性和柔顺性并不理想。
综上所述，现有的管道机器人的结构复杂、电机多、机构多、质量重、体积大、速度慢、转弯能力弱、控制复杂、自锁能力差、管径适应范围小、攀爬能力弱。
因此，现有技术有待改进和发展。
发明内容
本申请的目的在于提供了一种管道机器人及激励方法，结构简单、能够实现在管道内自锁，并且能根据不同尺寸的管道进行适应，在不同尺寸的管道中进行攀爬。
一方面，本申请提供一种管道机器人，包括一个弹性本体，所述弹性本体包括多个移动足、多个连接臂和多个柔性铰链，所述连接臂和所述移动足交替连接，每一个所述移动足通过两个所述柔性铰链分别和两个所述连接臂连接，且相邻的两个所述连接臂之间成一夹角；所述移动足用于和管道内壁抵接；每个所述连接臂的至少一侧设置有压电陶瓷片，所述压电陶瓷片用于在输入的周期性电信号的作用下产生振动使所述移动足摆动，从而驱动管道机器人移动。
本申请提供的管道机器人不仅能在直管内行走还能在弯管内双向行走；管道机器人整体结构紧凑、重量轻、体积小，本体包含一个弹性本体；移动足直接与管道的内壁接触，不需要额外的变径机构和控制系统，通过柔性铰链的被动变形即可适应不同的管径；另外，能在粗糙度为微纳米的光滑壁面行走、攀爬且不打滑；另外，能实现断电自锁，启动、制动响应快，定位精度高。
进一步地，每个所述连接臂的两侧均设置有所述压电陶瓷片。
通过这种设置方式，可以实现共振，增加振动幅度，从而增加连接臂和柔性铰链的形变程度，从而提高管道机器人的移动速度。
进一步地，同一个所述连接臂上的两个所述压电陶瓷片同极相对设置。
通过这种设置方式，使两片压电陶瓷片产生垂直于压电陶瓷片和连接臂的接触面的力的方向相反，互相抵消，不会影响管道机器人的移动方向，提高机器人的移动效果。
进一步地，所述连接臂为矩形片。
通过这种设置方式，可以减少厚度，可以更好地响应压电陶瓷片的振动从而发生形变，提高了灵敏性。
进一步地，所述弹性本体由弹性合金制成。
进一步地，所述弹性本体是由三个所述移动足、四个所述连接臂和六个所述柔性铰链构成的W形构件。
进一步地，所述移动足的外表面设置有若干层防滑涂层。
进一步地，所述弹性本体由所述移动足、所述连接臂和所述柔性铰链一体成型而成。
进一步地，所述弹性本体在所述移动足与所述连接臂的连接处两侧设置有弧形凹口，两个所述弧形凹口之间形成一个所述柔性铰链。
另一方面，本发明提供一种管道机器人的激励方法，用于驱动上述任一项所述的管道机器人，需要驱动所述管道机器人沿正向移动时，从前到后依次向各所述压电陶瓷片输入相位差以π/2递增的周期性电信号，使管道机器人在管道内沿正向移动；
需要驱动所述管道机器人沿反向移动时，从前到后依次向各所述压电陶瓷片输入相位差以π/2递减的周期性电信号，使管道机器人在管道内沿反向移动。
由上可知，本发明的管道机器人及激励方法，机器人不仅能在直管内行走还能在弯管内双向行走；管道机器人整体结构紧凑、重量轻、体积小，本体包含一个弹性本体；移动足直接与管道的内壁接触，不需要额外的变径机构和控制系统，通过柔性铰链的被动变形即可适应不同的管径；另外，能在粗糙度为微纳米的光滑壁面行走、攀爬且不打滑；另外，能实现断电自锁，启动、制动响应快，定位精度高；控制简单，只需要通过调节连接臂上的压电陶瓷片的电信号的参数，就能实现机器人在管道内移动。
附图说明
图1为本申请提供的一种管道机器人的结构示意图。
图2为本申请提供的一种管道机器人在大直径管道内移动的示意图。
图3为本申请提供的一种管道机器人在小直径管道内移动的示意图。
图4为本申请提供的一种管道机器人在弯曲管道内移动的示意图。
图5为本申请提供的一种管道机器人的激励原理图。
图6为本申请提供的一种管道机器人的反向移动的运行机理图。
图7为本申请提供的一种管道机器人的正向运动的运行机理图。
标号说明：100、弹性本体；110、移动足；120、连接臂；130、柔性铰链；140、压电陶瓷片；51、第一组压电陶瓷片；52、第二组压电陶瓷片；53、第三组压电陶瓷片；54、第四组压电陶瓷片。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
为方便说明，将附图1和附图3的水平向右方向定义为“正向”，将附图的水平向左方向定义为“反向”。
如图1所示，本发明一种管道机器人，包括一个弹性本体100，弹性本体100包括多个移动足110、多个连接臂120和多个柔性铰链130，连接臂120和移动足110交替连接 ，每一个移动足110通过两个柔性铰链130分别和两个连接臂120连接，且相邻的两个连接臂120之间成一夹角；移动足110用于和管道内壁抵接；每个连接臂120的至少一侧设置有压电陶瓷片140，压电陶瓷片140用于在输入的周期性电信号的作用下产生振动使移动足110摆动，从而驱动管道机器人移动。
其中，连接臂120和移动足110交替连接是指任意两个相邻的连接臂120之间设置有一个移动足110，任意两个相邻的移动足110之间设置有一个连接臂120。以图1为例，在最左端的连接臂120和最右端的连接臂120均为悬臂梁结构，即只通过一个柔性铰链130与移动足110相连。
其中，压电陶瓷片140是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，当在两片电极上面接通交流电信号时，压电陶瓷片140会根据电信号的大小频率发生振动，从而使连接臂120发生形变。至于如何将交流电信号输入到压电陶瓷片为现有技术，在此不再赘述。
参阅图2，在实际应用中，当管道的直径大于管道机器人的高度（指图1中管道机器人上端移动足110到下端移动足110的垂直距离）时，管道机器人可直接水平放置于管道内，管道机器人对管道的正压力来自管道机器人的自重。当管道机器人被激励时，管道机器人可在水平放置的管道内正向或者反向（正为右，反为左）行走。
当管道的直径小于管道机器人的高度时，管道机器人的四个柔性铰链130受到来自管道的压力而产生形变，致使每相邻的两个连接臂120之间的夹角变化，从而使管道机器人的高度变小以适应管道的尺寸，如图3所示。管道机器人在变截面的管道内运动时，柔性铰链130可根据管道内壁的直径实时变形以适应不同尺寸的管道。管道机器人对管道内壁的正压力与柔性铰链130的形变成正相关，该管道机器人以摩擦力为驱动力和自锁力，而摩擦力的大小与压力成正相关，该管道机器人通过柔性铰链130的变形实现压力的施加，最大可施加的压力能达到管道机器人自身重量的几百倍，依据库伦定律可知，该管道机器人产生的驱动力和自锁力可达到自身重量的几十倍。当管道机器人被激励时，移动足110与管壁之间的摩擦力则变为驱动力，使管道机器人能在任意倾角（0°-360°）的管道内双向流畅的行走；当管道机器人停止激励时，移动足110与管壁之间的摩擦力变为自锁力，使管道机器人能在任意倾角（0°-360°）的管道内保持静止。
参阅图4，在另一些应用场景中，管道机器人不仅可以在直线管道内行走也可以在弯曲管道内行走。当管道机器人在弯曲角度为γ（γ <180°）的管道内行走时，机器人的柔性铰链130会根据管道的弯曲情况自动的产生形变改变每相邻的两个连接臂120之间的夹角的值，使移动足110与管壁时刻保持接触，实现管道机器人在过弯道时的稳定运行。
由上可知，该管道机器人不仅能在直管内行走还能在弯管内双向行走；管道机器人整体结构紧凑、重量轻、体积小，由一个弹性本体100构成；移动足110直接与管道的内壁接触，不需要额外的变径机构和控制系统，通过柔性铰链130的被动变形即可适应不同的管径；另外，能在粗糙度为微纳米的光滑壁面行走、攀爬且不打滑；另外，能实现断电自锁，启动、制动响应快，定位精度高；控制简单，只需要通过调节连接臂120上的压电陶瓷片140的电信号的参数，就能实现机器人在管道内移动。
在一些实施方式中，压电陶瓷片140可以设置在连接臂120的任意一侧，具体的，可以采用粘胶或者螺钉固定在连接臂120的侧面上。
在一些优选的实施方式中，每个连接臂120的相对两侧均设置有压电陶瓷片140。在实际应用中，压电陶瓷片140在接收电信号的时候会产生振动，在连接臂120的两侧均设置压电陶瓷片140可以实现共振，增加振动幅度，从而增加连接臂120和柔性铰链130的形变程度，从而提高管道机器人的移动速度。
在进一步的实施方式中，同一个连接臂120上的两个压电陶瓷片140同极相对设置。其中，压电陶瓷片140包括正极面和负极面。在实际应用中，由于压电陶瓷片140振动时会产生垂直于压电陶瓷片140和连接臂120的接触面的力，如果只在一侧设置压电陶瓷片140，此时只有一个垂直于压电陶瓷片140和连接臂120的接触面的力，这个力的方向是垂直于管道机器人的移动方向的；或者不将连接臂120两侧的压电陶瓷片140同极设置时，所产生的垂直于压电陶瓷片140和连接臂120的接触面的力的方向相同，使连接臂120始终往力的方向一侧扭曲，进而影响连接臂120的形变效果和管道机器人的移动；而将连接臂120两侧的压电陶瓷片140同极设置时，两片压电陶瓷片140产生垂直于压电陶瓷片140和连接臂120的接触面的力的方向相反，互相抵消，不会影响管道机器人的移动方向，提高机器人的移动效果。
在一些实施方式中，连接臂120可以为柱状、方块状。
在一些优选的实施方式中，连接臂120为矩形片。在实际应用中，将连接臂120设置为矩形片状，可以减少厚度，可以更好地响应压电陶瓷片140的振动从而发生形变，提高了灵敏性。
在一些优选的实施方式中，弹性本体100由弹性合金制成。具体的，弹性合金包括Fe-Ni-Cr系、Ni-Ct系、Ni-Cr-Nb系、Ni-Co-Cr系、Nb-Ti系、Fe-Ni-Co系等。此外，实际常用的还有铜基合金，如锡磷青铜、铍青铜等。弹性合金除了具备优秀的弹性能力，还具有微塑性变形抗力高、硬度高的特点。
在一些实施方式中，弹性本体100是由三个移动足110、四个连接臂120和六个柔性铰链130构成的W形构件。在实际应用中，相比于由三个移动足110、两个连接臂120和四个柔性铰链130构成的V形构件，可以使最左端和最右端的移动足110也能通过两个连接臂120和柔性铰链130形变带动，提高管道机器人在移动时的每个移动足110之间的协调性。
在另一些实施方式中，可在W形上进行扩展，四足机器人和五足机器人均是在三足W形机器人的结构基础上进行的扩展，提高管道机器人的适用性。
在进一步的实施方式中，移动足110的外表面设置有若干层防滑涂层。具体的，防滑涂层可以通过喷涂特制的耐磨材料形成，其中，耐磨材料可以是由高分子材料（聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯酯、聚酰亚胺、石墨烯等）、颗粒（铜粉、钢粉、六方氮化硼颗粒等）、氧化金属（氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化铬、氧化铈、氧化镧、氧化钐等）、纤维（碳纤维、玻璃纤维等），以上一种或多种组合而成的聚合物复合材料。通过这种设置方式，可以增加管道机器人与管壁的摩擦力，提高防滑性，进一步提高自锁能力。
在另一些优选的实施方式中，弹性本体100由移动足110、连接臂120和柔性铰链130一体成型而成。通过这种设置方式，有助于简化机器人的结构，易于小型化。
在一些实施方式中，弹性本体100在移动足110与连接臂120的连接处两侧设置有弧形凹口，两个弧形凹口之间形成一个柔性铰链130。通过这种设置方式，可以防止连接臂120发生形变对柔性铰链130进行挤压时所产生的应力都集中在柔性铰链130上，导致柔性铰链130断裂；设置弧形凹口可以分散连接臂120发生形变时对柔性铰链130进行挤压时的应力，提高安全性。
另一方面，本发明还提供一种管道机器人的激励方法，用于驱动上述所述的管道机器人，其中，需要驱动管道机器人沿正向移动时，从左到右依次向各压电陶瓷片140输入相位差以π/2递增的周期性电信号，使管道机器人在管道内沿正向移动；
需要驱动管道机器人沿反向移动时，从左到右依次向各压电陶瓷片140输入相位差以π/2递减的周期性电信号，使管道机器人在管道内沿反向移动。
其中，周期性电信号可以是正弦波、矩形波和三角波等。
具体的，参见图5，以三足W形机器人为例，选取图中所示的两项共振模态作为机器人的工作模态，分别记为模态-Ⅰ 和模态-Ⅱ。修正弹性本体100的结构尺寸（例如减小连接臂120或者移动足110的长度和宽度），以缩小模态-Ⅰ和模态-Ⅱ的共振频率的差距，方便在同一激励频率下同时激发出模态-Ⅰ 和模态-Ⅱ。当一组高频率的正弦波电信号经过放大后，有规律的施加在四组（每两片一组，每个连接臂120上均设置有两片压电陶瓷片140）压电陶瓷片140的正极面上，具体的，第一组压电陶瓷片51施加电信号Asinωt（其中A表示电压的幅值，ω表示激振频率），第二组压电陶瓷片52施加电信号Asin(ωt+π/2)，第三组压电陶瓷片53施加电信号Asin(ωt+π)，第四组压电陶瓷片54施加电信号Asin(ωt+3π/2)，四路电信号同时作用于机器人激发出机器人的共振模态-Ⅰ 和模态-Ⅱ，此时机器人沿着管道的某一方向行走。当第一组压电陶瓷片51施加电信号Asinωt，第二组压电陶瓷片52施加电信号Asin(ωt-π/2)，第三组压电陶瓷片53施加电信号Asin(ωt-π)，第四组压电陶瓷片54施加电信号Asin(ωt-3π/2)时，机器人沿着管道的反方向行走。
具体的，参阅图6和图7，T表示一个激励周期，n表示激励周期的个数（n=1,2,3……），箭头表示一个激励周期内的振动序位，椭圆表示移动足110质点的运行轨迹，黑点表示移动足110质点在一个激励周期内某时刻所在的位置。机器人的共振模态-Ⅰ提供移动足110质点的水平运动，机器人的共振模态-Ⅱ提供移动足110质点的竖直运动，由振动常识可知，在同一激励频率下，当模态-Ⅰ和模态-Ⅱ的相位差为±π/2时，移动足110质点的运动轨迹是一个李萨育椭圆。由复合模态型超声电机的运行机理可知，移动足110质点的椭圆运动能推动动子移动。所以，当机器人的四组压电陶瓷片140在有规律的电信号的激励下，移动足110能推动机器人沿着管道内壁移动。图6展示了机器人反向行走的机理，图7展示了机器人正向行走的机理。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种管道机器人，其特征在于，包括一个弹性本体（100），所述弹性本体（100）包括多个移动足（110）、多个连接臂（120）和多个柔性铰链（130），所述连接臂（120）和所述移动足（110）交替连接，每一个所述移动足（110）通过两个所述柔性铰链（130）分别和两个所述连接臂（120）连接，且相邻的两个所述连接臂（120）之间成一夹角；所述移动足（110）用于和管道内壁抵接；每个所述连接臂（120）的至少一侧设置有压电陶瓷片（140），所述压电陶瓷片（140）用于在输入的周期性电信号的作用下产生振动使所述移动足（110）摆动，从而驱动管道机器人移动。
2.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，每个所述连接臂（120）的两侧均设置有所述压电陶瓷片（140）。
3.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于，同一个所述连接臂（120）上的两个所述压电陶瓷片（140）同极相对设置。
4.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述连接臂（120）为矩形片。
5.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述弹性本体（100）由弹性合金制成。
6.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述弹性本体（100）是由三个所述移动足（110）、四个所述连接臂（120）和六个所述柔性铰链（130）构成的W形构件。
7.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述移动足（110）的外表面设置有若干层防滑涂层。
8.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述弹性本体（100）由所述移动足（110）、所述连接臂（120）和所述柔性铰链（130）一体成型而成。
9.根据权利要求8所述的管道机器人，其特征在于，所述弹性本体（100）在所述移动足（110）与所述连接臂（120）的连接处两侧设置有弧形凹口，两个所述弧形凹口之间形成一个所述柔性铰链（130）。
10.一种管道机器人的激励方法，其特征在于，用于驱动权利要求1-9任一项所述的管道机器人，需要驱动所述管道机器人沿正向移动时，从前到后依次向各所述压电陶瓷片（140）输入相位差以π/2递增的周期性电信号，使所述管道机器人在管道内沿正向移动；
需要驱动所述管道机器人沿反向移动时，从前到后依次向各所述压电陶瓷片（140）输入相位差以π/2递减的周期性电信号，使管道机器人在管道内沿反向移动。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210325580.6A CN114413107B (zh) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 一种管道机器人及激励方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210325580.6A CN114413107B (zh) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 一种管道机器人及激励方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114413107A CN114413107A (zh) | 2022-04-29 |
| CN114413107B true CN114413107B (zh) | 2022-06-17 |
Family
ID=81263815
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210325580.6A Active CN114413107B (zh) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 一种管道机器人及激励方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114413107B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115890748B (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-05 | 季华实验室 | 一种超声电机、夹持机械手及其激励方法 |
| CN116480879B (zh) * | 2023-06-21 | 2023-09-12 | 季华实验室 | 一种微小型仿生管道机器人及其驱动方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0361157A (ja) * | 1989-07-31 | 1991-03-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 管内走行装置 |
| CN1610979A (zh) * | 2001-10-30 | 2005-04-27 | 1...有限公司 | 压电器件 |
| CN107813320A (zh) * | 2017-11-24 | 2018-03-20 | 郭辽兵 | 一种螺旋运动管道机器人 |
| CN108540010A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-09-14 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于压电振子的管道机器人及其激励方法 |
-
2022
- 2022-03-30 CN CN202210325580.6A patent/CN114413107B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0361157A (ja) * | 1989-07-31 | 1991-03-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 管内走行装置 |
| CN1610979A (zh) * | 2001-10-30 | 2005-04-27 | 1...有限公司 | 压电器件 |
| CN107813320A (zh) * | 2017-11-24 | 2018-03-20 | 郭辽兵 | 一种螺旋运动管道机器人 |
| CN108540010A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-09-14 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于压电振子的管道机器人及其激励方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 罗怡等.驱动电压幅值对双压电薄膜管道微机器人运动的影响.《光学精密工程》.2002,第10卷(第1期), * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114413107A (zh) | 2022-04-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114413107B (zh) | 一种管道机器人及激励方法 | |
| Zou et al. | Mechanical modulations for enhancing energy harvesting: Principles, methods and applications | |
| Watson et al. | Piezoelectric ultrasonic micro/milli-scale actuators | |
| Iqbal et al. | Vibration‐based piezoelectric, electromagnetic, and hybrid energy harvesters for microsystems applications: A contributed review | |
| US9394875B2 (en) | System for harvesting water wave energy | |
| Cheng et al. | Simultaneously harvesting electrostatic and mechanical energies from flowing water by a hybridized triboelectric nanogenerator | |
| Wang et al. | Magnetic flap-type difunctional sensor for detecting pneumatic flow and liquid level based on triboelectric nanogenerator | |
| CN103532430B (zh) | 基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器的制备方法 | |
| US7064473B2 (en) | Actuator film material, actuator film and actuator using the same | |
| JPH07274552A (ja) | リニアモータ | |
| Fu et al. | Embedded triboelectric active sensors for real-time pneumatic monitoring | |
| Rashidi et al. | Magnetically actuated piezoelectric-based rotational energy harvester with enhanced output in wide range of rotating speeds | |
| Kwon et al. | Piezoelectric and electromagnetic hybrid energy harvester using two cantilevers for frequency up-conversion | |
| Liu et al. | A review of rotary piezoelectric energy harvesters | |
| Xia et al. | An eccentric rotational energy harvester using liquid as an energy-capturing medium | |
| Yan et al. | Piezoelectric ceramic for energy harvesting system: a review | |
| CN107124119A (zh) | 一种双蝶形定子压电直线驱动器 | |
| Xing et al. | Piezoelectric inertial robot for operating in small pipelines based on stick-slip mechanism: modeling and experiment | |
| Eigoli et al. | Locomotion modes of a novel piezo-driven microrobot: Analytical modeling and performance evaluation | |
| CN203406797U (zh) | 单激励直线超声电机 | |
| US6713943B1 (en) | Actuator and driving method thereof | |
| CN111649818B (zh) | 一种基于结构超滑的无源传感器 | |
| CN108540010B (zh) | 一种基于压电振子的管道机器人及其激励方法 | |
| CN116480879B (zh) | 一种微小型仿生管道机器人及其驱动方法 | |
| Jalili | Nanotube-based actuator and sensor paradigm: conceptual design and challenges |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |