CN116480879B - 一种微小型仿生管道机器人及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于管道机器人技术领域，公开了一种微小型仿生管道机器人及其驱动方法，所述机器人包括：弹性体，包括基体和驱动足，基体的左右两侧各设置有至少一个驱动足，驱动足的末端用于与被测管道的内壁相抵；两块压电陶瓷片，同极相对地设置在基体的上下表面，并用于输入周期波电信号以激发微小型仿生管道机器人的第一共振模态或第二共振模态；在第一共振模态下，各驱动足的末端均沿直线往复移动，且末端朝外移动的方向与正前方向的夹角均为钝角；在第二共振模态下，各驱动足的末端均沿直线往复移动，且末端朝外移动的方向与正前方向的夹角均为锐角；从而结构简单、响应灵敏、定位精度高、无电磁干扰、推重比大、控制简单且能够断电自锁。

Description

一种微小型仿生管道机器人及其驱动方法

技术领域

本申请涉及管道机器人技术领域，具体而言，涉及一种微小型仿生管道机器人及其驱动方法。

背景技术

作为介质输送的通道，内径小于20mm的微小型管道广泛应用于船舶、核电、制冷、医疗器械、石油化工、航空航天、武器装备等领域。微小型管道长期使用后，容易因介质腐蚀、材料老化、疲劳等问题造成介质泄露，因此微小型管道的检测和维护就成为保障设备正常运行的必不可少的手段之一。传统的检测方法是通过人工手段将传感器插入微小型管道内部进行检测，面对细长且有多处弯道的管道，使用插入传感器的方式检测管道作业时间长且对工人操作要求高，稍有不慎便阻塞甚至损坏管道。因此，开展可以沿着细小的管道内壁自动行走的微小型管道机器人的研制，对实现微小型管道的无损检测，减轻检测人员的工作强度，提高检测效率，减少经济损失，具有重要意义。

目前，用于在内径小于20mm的微小型管道中进行检测的微小型管道机器人，按移动形式分，主要包括轮式、蠕动式、多足式以及惯性冲击式管道机器人；其中，轮式管道机器人适应性差、结构复杂、不利于微小型化；蠕动式管道机器人移动速度缓慢；多足式管道机器人结构复杂、控制难度大；惯性冲击式管道机器人驱动力小。按驱动方式分，主要包括电磁电机式、气缸式、超强磁致合金式、压电叠堆式、形状记忆合金式管道机器人，电磁电机式管道机器人由于动力传动装置（轴承、丝杠等）的回差大，导致重复精度低；气缸式管道机器人只能单向运动不能双向运行；超强磁致合金式管道机器人能量及运动控制均依靠外加的磁场，容易发生电磁干扰且导致能耗大；压电叠堆式管道机器人输出位移小，存在迟滞和蠕变；形状记忆合金式管道机器人响应速度慢，对环境温度要求高。

因此，现有技术有待改进和提高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种微小型仿生管道机器人及其驱动方法，其结构简单、响应灵敏、定位精度高、无电磁干扰、推重比大、控制简单且能够断电自锁。

第一方面，本申请提供了一种微小型仿生管道机器人，包括：

弹性体，所述弹性体包括基体和驱动足，所述基体的左右两侧各设置有至少一个所述驱动足，所述驱动足的末端用于与被测管道的内壁相抵；

两块压电陶瓷片，两块所述压电陶瓷片同极相对地设置在所述基体的上下表面，并用于输入周期波电信号以激发所述微小型仿生管道机器人的第一共振模态或第二共振模态；

在所述第一共振模态下，各所述驱动足的末端均沿与前后方向成夹角的直线往复移动，且各所述驱动足的末端朝外移动的方向与正前方向的夹角均为钝角；

在所述第二共振模态下，各所述驱动足的末端均沿与前后方向成夹角的直线往复移动，且各所述驱动足的末端朝外移动的方向与正前方向的夹角均为锐角。

在第一共振模态下，各驱动足的末端朝外移动时会挤推被测管道的内壁，被测管道内壁对驱动足的末端的摩擦力朝前，从而推动机器人前移；在第二共振模态下，各驱动足的末端朝外移动时会挤推被测管道的内壁，被测管道内壁对驱动足的末端的摩擦力朝后，从而推动机器人后移；该机器人只有弹性体和两块压电陶瓷片，没有额外的电机和传动机构，结构简单，重量小，易于小型化，且在断电时，各驱动足的末端与被测管道内壁之间的摩擦足够实现机器人的自锁；通过激发共振模态来实现前后移动，无需外加磁场，无电磁干扰，且响应灵敏、定位精度高、推重比大、控制简单。

优选地，各所述驱动足均为包括第一足部和第二足部的V形足，所述第一足部的一端与所述基体固定连接，另一端与所述第二足部的一端固定连接，所述第二足部的另一端为所述驱动足的所述末端。

采用这种形状的驱动足更容易激发满足相应要求的第一共振模态和第二共振模态。

优选地，所述弹性体包括四个所述驱动足，四个所述驱动足包括分别设置在所述基体左前侧、右前侧、左后侧、右后侧的左前足、右前足、左后足、右后足。

优选地，所述左前足的所述第一足部朝右前侧延伸，且所述左前足的所述第二足部朝左前侧延伸；

所述右前足的所述第一足部朝左前侧延伸，且所述右前足的所述第二足部朝右前侧延伸；

所述左后足的所述第一足部朝右后侧延伸，且所述左后足的所述第二足部朝左前侧延伸；

所述右后足的所述第一足部朝左后侧延伸，且所述右后足的所述第二足部朝右前侧延伸。

优选地，所述第一足部与所述基体的连接处设置有第一槽口，所述第一足部和所述第二足部的连接处设置有第二槽口。

通过设置第一槽口和第二槽口可提高驱动足的弹性，从而更有利于驱动足变形以提高机器人的移动速度。

优选地，所述第一槽口设置在所述第一足部与所述基体的连接处朝内的一侧，所述第二槽口设置在所述第一足部和所述第二足部的连接处朝外的一侧。

优选地，所述第一槽口和第二槽口均为弧形槽口。

优选地，所述第二足部的上下方向的尺寸，从靠近对应的所述第一足部的一端到远离对应的所述第一足部的一端逐渐缩小。

优选地，所述基体为矩形，所述压电陶瓷片为矩形。

第二方面，本申请提供了一种微小型仿生管道机器人驱动方法，用于驱动前文所述的微小型仿生管道机器人，包括步骤：

需要驱动所述微小型仿生管道机器人往前移动时，往两块所述压电陶瓷片输入预设的第一周期波电信号，以激发所述微小型仿生管道机器人的第一共振模态；

需要驱动所述微小型仿生管道机器人往后移动时，往两块所述压电陶瓷片输入预设的第二周期波电信号，以激发所述微小型仿生管道机器人的第二共振模态。

有益效果：本申请提供的微小型仿生管道机器人及其驱动方法，该机器人只有弹性体和两块压电陶瓷片，没有额外的电机和传动机构，结构简单，重量小，易于小型化，且在断电时，各驱动足的末端与被测管道内壁之间的摩擦足够实现机器人的自锁；通过激发共振模态来实现前后移动，无需外加磁场，无电磁干扰，且响应灵敏、定位精度高、推重比大、控制简单。

附图说明

图1为本申请实施例提供的微小型仿生管道机器人的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的微小型仿生管道机器人的使用状态图。

图3为弹性体的俯视图。

图4为第一共振模态的示意图。

图5为第二共振模态的示意图。

图6为本申请实施例提供的微小型仿生管道机器人驱动方法的流程图。

标号说明：1、弹性体；2、基体；3、驱动足；3a、左前足；3b、右前足；3c、左后足；3d、右后足；301、末端；302、第一足部；303、第二足部；304、第一槽口；305、第二槽口；4、压电陶瓷片；90、被测管道。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了方便描述，本申请中关于前、后、左、右、上、下方向的描述是基于图3的放置方向作出的描述，并非对实际使用时的方向的限定，其中，左右方向与图3中的左右方向一致，前方是图3中的上方（即Oy方向），后方是图3中的下方（即yO方向），上是图3中垂直于纸面指向读者的方向，下是图3中垂直于纸面背向读者的方向。

请参照图1-图3，本申请一些实施例中的一种微小型仿生管道机器人，包括：

弹性体1，该弹性体1包括基体2和驱动足3，基体2的左右两侧各设置有至少一个驱动足3，驱动足3的末端301用于与被测管道90的内壁相抵；

两块压电陶瓷片4，两块压电陶瓷片4同极相对（正极相对或负极相对）地设置在基体2的上下表面，并用于输入周期波电信号以激发微小型仿生管道机器人的第一共振模态或第二共振模态；

在第一共振模态下，各驱动足3的末端301均沿与前后方向成夹角的直线（参考图4的驱动足3的末端301处的双箭头直线）往复移动，且各驱动足3的末端301朝外移动的方向（即远离中心线移动的方向，也是向被测管道90内壁靠近移动的方向）与正前方向（图中的Oy方向）的夹角均为钝角（从而在振动时，驱动足3的末端301沿斜后方向压向被测管道90的内壁，该内壁对末端301产生的反作用摩擦力向前，参考图4，此时的四个夹角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄为钝角，运动方向V朝前）；

在第二共振模态下，各驱动足3的末端301均沿与前后方向成夹角的直线（参考图5的驱动足3的末端301处的双箭头直线）往复移动，且各驱动足3的末端301朝外移动的方向与正前方向的夹角均为锐角（从而在振动时，驱动足3的末端301沿斜前方向压向被测管道90的内壁，该内壁对末端301产生的反作用摩擦力向后，参考图5，此时的四个夹角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄为锐角，运动方向V朝后）。

在第一共振模态下，各驱动足3的末端301朝外移动时会挤推被测管道90的内壁，被测管道90内壁对驱动足3的末端301的摩擦力朝前，从而推动机器人前移；在第二共振模态下，各驱动足3的末端301朝外移动时会挤推被测管道90的内壁，被测管道90内壁对驱动足3的末端301的摩擦力朝后，从而推动机器人后移；该机器人只有弹性体1和两块压电陶瓷片4，没有额外的电机和传动机构，结构简单，重量小，易于小型化，且在断电时，各驱动足3的末端301与被测管道90内壁之间的摩擦足够实现机器人的自锁；通过激发共振模态来实现前后移动，无需外加磁场，无电磁干扰，且响应灵敏（共振模态下的共振频率可达几千至几十万赫兹，从而当有电信号作用时，机器人可在十几毫秒内完成启动，当电信号中止时，机器人亦可在十几毫秒内完成制动）、定位精度高（在共振模态下，驱动足3的末端301的振幅是微纳米级的，从而机器人的定位精度也达到微纳米级）、推重比大（机器人通过管道压缩驱动足3实现压力的施加，最大可施加的压力能达到机器人自身重量的几百倍，依据库伦定律可知，该机器人产生的驱动力可达到自身重量的几十倍）、控制简单。

其中，基体2、驱动足3、压电陶瓷片4的具体形状可根据实际需要设置，只需保证能够产生上述的第一共振模态和第二共振模态即可。

其中，驱动足3与基体2可一体成型或通过粘接、焊接、螺接等连接方式固定连接；优选为一体成型。

其中，基体2与压电陶瓷片4之间可通过粘接、焊接、螺接等连接方式固定连接；优选为粘接。

在一些实施方式中，见图3，各驱动足3均为包括第一足部302和第二足部303的V形足，第一足部302的一端与基体2固定连接，另一端与第二足部303的一端固定连接，第二足部303的另一端为驱动足3的末端301。采用这种形状的驱动足3更容易激发满足相应要求的第一共振模态和第二共振模态。

其中，驱动足3的具体数量可根据实际需要设置，例如图1-图3中，弹性体1包括四个驱动足3，四个驱动足3包括分别设置在基体2左前侧、右前侧、左后侧、右后侧的左前足3a、右前足3b、左后足3c、右后足3d；左右两侧各通过两个驱动足3进行驱动，机器人与被测管道90之间通过四点支撑，有利于避免驱动足3以外的部分与被测管道90接触而磨损，但具体数量不限于此。

进一步地，见图3，左前足3a的第一足部302朝右前侧延伸，且左前足3a的第二足部303朝左前侧延伸；

右前足3b的第一足部302朝左前侧延伸，且右前足3b的第二足部303朝右前侧延伸；

左后足3c的第一足部302朝右后侧延伸，且左后足3c的第二足部303朝左前侧延伸；

右后足3d的第一足部302朝左后侧延伸，且右后足3d的第二足部303朝右前侧延伸。

设置该结构的驱动足3，工作过程的四个驱动足3的动作与人蛙泳时的四肢动作相仿，可进一步保证满足相应要求的第一共振模态和第二共振模态的可靠激发，从而可有效驱动微小型仿生管道机器人移动。此外，通过朝内挤压各驱动足3的末端301，即可把机器人放入不同管径的管道内，从而可适应不同管径的被测管道90的检测要求，适用性强。

在一些优选实施方式中，见图3，第一足部302与基体2的连接处设置有第一槽口304，第一足部302和第二足部303的连接处设置有第二槽口305。通过设置第一槽口304和第二槽口305可提高驱动足3的弹性，从而更有利于驱动足3变形（末端301的振动幅度更大）以提高机器人的移动速度。

优选地，第一槽口304设置在第一足部302与基体2的连接处朝内的一侧（即靠近中心线的一侧），第二槽口305设置在第一足部302和第二足部303的连接处朝外的一侧（即远离中心线的一侧）。把第一槽口304和第二槽口305设置在该方向，更有利于驱动足3变形，使末端301的振动幅度更大，从而进一步提高机器人的移动速度。

其中，第一槽口304和第二槽口305的形状可以但不限于是弧形、多边形或其它不规则形状。第一槽口304和第二槽口305优选为弧形槽口，可减小应力集中，从而避免驱动足3易于断裂。

在一些实施例中，驱动足3的横截面为矩形，其在上下方向的平均尺寸比另一个方向（即厚度方向）的平均尺寸大（此处，由于接近末端301的局部位置可能出现上下方向的尺寸小于厚度方向的尺寸的情况，因此这里说的只是平均尺寸），从而驱动足3呈折弯为V形的薄片状。这种形状的驱动足3更容易产生满足上述第一共振模态和第二共振模态要求的振动，更有利于提高末端301的振动幅度。

在一些优选实施方式中，见图1-图3，第二足部303的上下方向的尺寸，从靠近对应的第一足部302的一端到远离对应的第一足部302的一端逐渐缩小。从而可保证仅在末端301处与被测管道90的内壁接触，避免第二足部303的其它部分与被测管道90的内壁干涉而影响驱动效果，进一步提高适用性。

优选地，见图3，驱动足3的末端301为球面状或弧面状（图3中为弧面状），更便于与被测管道90的内壁接触，且能够避免驱动足3的末端301刮伤被测管道90的内壁。

其中，基体2的上下表面为相互平行的平面，使两个压电陶瓷片4之间相互平行，提高压电陶瓷片4的激振能力。

在一些实施方式中，见图1-图3，基体2为矩形（指俯视图为矩形），压电陶瓷片4为矩形；其中，四个驱动足3连接在基体2的四个角处。基体2和压电陶瓷片4还可以是圆形、椭圆形、除矩形外的其它多边形或其它不规则形状，四个驱动足3也不限于设置在四个角处。

在一些实施方式中，弹性体1（基体2和驱动足3）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（从而断电自锁能够较强）。

参考图6，本申请提供了一种微小型仿生管道机器人驱动方法，用于驱动前文的微小型仿生管道机器人，包括步骤：

A1.需要驱动微小型仿生管道机器人往前移动时，往两块压电陶瓷片4输入预设的第一周期波电信号，以激发微小型仿生管道机器人的第一共振模态（参考图4）；

A2.需要驱动微小型仿生管道机器人往后移动时，往两块压电陶瓷片4输入预设的第二周期波电信号，以激发微小型仿生管道机器人的第二共振模态（参考图5）。

从而，只需要控制输入的周期波电信号为第一周期波电信号或第二周期波电信号，即可控制机器人前移或后移，只需要停止输入周期波电信号，即可使机器人制动，控制简单。

实际上，微小型仿生管道机器人具有多个共振模态，通过输入不同频率的周期波电信号可激发不同的共振模态，其中，满足以上第一共振模态要求的共振模态可能有多个，满足以上第二共振模态要求的共振模态也可能有多个，此时，优选把满足以上第一共振模态要求的共振模态中的最低阶模态作为第一共振模态，并把激发出该共振模态的频率的周期波电信号作为第一周期波电信号；优选把满足以上第二共振模态要求的共振模态中的最低阶模态作为第二共振模态，并把激发出该共振模态的频率的周期波电信号作为第二周期波电信号。在低阶共振模态下驱动足3末端301的振幅更大，能够更加有效地驱动机器人移动。

其中，周期波电信号（即第一周期波电信号和第二周期波电信号）可以但不限于是正弦波、矩形波、三角波等。

综上所述，本申请的微小型仿生管道机器人及其驱动方法具有以下优点：

1.该微小型仿生管道机器人结构简单，只有一块弹性体1和两片压电陶瓷片4，易于小型化。不同于普通的多足管道机器人，该机器人采用与超声电机一体化设计的理念（超声电机的本体即机器人的本体），没有额外的电机，也无需额外的传动机构。

2.该微小型仿生管道机器人不需要额外的变径机构和控制系统，通过四个驱动足3被动收放即可适应不同的管径，适用性强。

3.由于摩擦力比微小型仿生管道机器人自身的重量大得多，该微小型仿生管道机器人的爬坡能力强，可在倾角0°-360°、内壁粗糙度为微纳米的管道内双向行走而不打滑。

4.该微小型仿生管道机器人响应灵敏，启动和停止都在毫秒级，定位精度可达微纳米级；另外，不需要额外的机构和控制，便能实现机器人的断电自锁。

5.该微小型仿生管道机器人的推重比大，能推动重量是自身重量几倍到几十倍的物体，在竖直攀爬时，能轻松的克服自重并搭载一定的负载移动。

6.该微小型仿生管道机器人的控制方法简单，只需分别给出两个共振模态的激励信号，便能实现管道机器人的两向运动。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微小型仿生管道机器人，其特征在于，包括：

弹性体（1），所述弹性体（1）包括基体（2）和驱动足（3），所述基体（2）的左右两侧各设置有至少一个所述驱动足（3），所述驱动足（3）的末端（301）用于与被测管道（90）的内壁相抵；

两块压电陶瓷片（4），两块所述压电陶瓷片（4）同极相对地设置在所述基体（2）的上下表面，并用于输入周期波电信号以激发所述微小型仿生管道机器人的第一共振模态或第二共振模态；

在所述第一共振模态下，各所述驱动足（3）的末端（301）均沿与前后方向成夹角的直线往复移动，且各所述驱动足（3）的末端（301）朝外移动的方向与正前方向的夹角均为钝角；

在所述第二共振模态下，各所述驱动足（3）的末端（301）均沿与前后方向成夹角的直线往复移动，且各所述驱动足（3）的末端（301）朝外移动的方向与正前方向的夹角均为锐角；

各所述驱动足（3）均为包括第一足部（302）和第二足部（303）的V形足，所述第一足部（302）的一端与所述基体（2）固定连接，另一端与所述第二足部（303）的一端固定连接，所述第二足部（303）的另一端为所述驱动足（3）的所述末端（301）；

所述弹性体（1）包括四个所述驱动足（3），四个所述驱动足（3）包括分别设置在所述基体（2）左前侧、右前侧、左后侧、右后侧的左前足（3a）、右前足（3b）、左后足（3c）、右后足（3d）；

所述左前足（3a）的所述第一足部（302）朝右前侧延伸，且所述左前足（3a）的所述第二足部（303）朝左前侧延伸；

所述右前足（3b）的所述第一足部（302）朝左前侧延伸，且所述右前足（3b）的所述第二足部（303）朝右前侧延伸；

所述左后足（3c）的所述第一足部（302）朝右后侧延伸，且所述左后足（3c）的所述第二足部（303）朝左前侧延伸；

所述右后足（3d）的所述第一足部（302）朝左后侧延伸，且所述右后足（3d）的所述第二足部（303）朝右前侧延伸。

2.根据权利要求1所述的微小型仿生管道机器人，其特征在于，所述第一足部（302）与所述基体（2）的连接处设置有第一槽口（304），所述第一足部（302）和所述第二足部（303）的连接处设置有第二槽口（305）。

3.根据权利要求2所述的微小型仿生管道机器人，其特征在于，所述第一槽口（304）设置在所述第一足部（302）与所述基体（2）的连接处朝内的一侧，所述第二槽口（305）设置在所述第一足部（302）和所述第二足部（303）的连接处朝外的一侧。

4.根据权利要求2所述的微小型仿生管道机器人，其特征在于，所述第一槽口（304）和第二槽口（305）均为弧形槽口。

5.根据权利要求1所述的微小型仿生管道机器人，其特征在于，所述第二足部（303）的上下方向的尺寸，从靠近对应的所述第一足部（302）的一端到远离对应的所述第一足部（302）的一端逐渐缩小。

6.根据权利要求1所述的微小型仿生管道机器人，其特征在于，所述基体（2）为矩形，所述压电陶瓷片（4）为矩形。

7.一种微小型仿生管道机器人驱动方法，其特征在于，用于驱动权利要求1-6任一项所述的微小型仿生管道机器人，包括步骤：

需要驱动所述微小型仿生管道机器人往前移动时，往两块所述压电陶瓷片（4）输入预设的第一周期波电信号，以激发所述微小型仿生管道机器人的第一共振模态；

需要驱动所述微小型仿生管道机器人往后移动时，往两块所述压电陶瓷片（4）输入预设的第二周期波电信号，以激发所述微小型仿生管道机器人的第二共振模态。