CN1488472A - 特种微小管道机器人驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特种微小管道机器人驱动器。槽钹形变形器由若干组放射槽钹形驱动片重叠而成，其一端的轴上装有惯性质量块，其另一端的轴上装有支撑爪。由于采用放射槽钹形驱动片，消除了环向机械应力损耗，提高输出位移和输出力，能量转换率高；采用一体化的十字形弹性金属膜片支撑爪及防侧滑触点，具有结构简单、可靠性高、便于安装等特点；惯性质量块和支撑爪的均采用可拆卸式以便于针对不同负载和不同管道直径加以更换；放射槽钹形驱动片也可作为一种高灵敏度的压电传感元件，尤其在低频加速度或力的测量方面，较传统的钹形片灵敏度高。本发明结构紧凑、驱动效率高、制造简便、成本低廉，可实现φ8－φ10mm的刚性管道中可控运动。
Description
所属技术领域
本发明涉及驱动器，特别是涉及一种特种微小管道机器人驱动器。
背景技术
随着石油、化工、能源、冶金、国防以及航空航天等行业的迅速发展，各种管孔类零部件的应用日益广泛，譬如激光打印机喷嘴、原油或化工原料输送管道、核反应堆、蒸汽发生器热交换管，坦克用火炮炮膛、航空航天飞行器散热或气流场控制管路等。然而随之带来诸如这些管孔类零部件的内部检测和维修问题，尤其是复杂的三维曲线微细管道类零部件的内部形貌无损检测、维修及最终的三维重建工作更是急需解决的问题。近年来微电子机械系统(MEMS)、微机械人的研究日趋活跃，并已逐渐渗透到许多工业领域，尤其是应用于以上微小管道检测维修的微机器人更是成为关注的焦点之一。国内微形管内移动机器人的研究目前还处于刚刚起步阶段，其中有基于SMA的蠕动式微形管内移动机器人，有蠕动式电磁铁驱动器的微形管内移动机器人，有压电双叠片驱动机器人等，但对于直径小于10mm的微形管道机器人还未见报道。压电陶瓷材料作为一种新型功能材料具有体积小、结构简单、质量轻、位移分辨率及频响高，易于控制等优点，针对微型管道机器人压电元件驱动是一种较好的方式。微型管道机器人驱动器不但需要有较高的位移输出还需要有较大的力输出。压电迭堆输出力大但位移小，而压电双叠片输出位移大输出力却较小。钹形压电驱动片则弥补这两种方式的不足，既有输出位移大的特点又能产生较大的输出力，而且其结构紧凑、制造简单、成本低廉，可集成度高，可以通过多片重叠实现要求位移输出。然而传统钹形压电驱动片存在一定的机械损耗，即存在环向应力损耗，对输出力和输出位移影响较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种特种微小管道机器人驱动器，采用无环向应力损耗压电驱动片消除了环向机械应力损耗和作为一种高灵敏度压电传感元件。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是它包括：惯性质量块，槽钹形变形器，支撑爪；槽钹形变形器由若干组放射槽钹形驱动片重叠而成，在固定于槽钹形变形器一端的轴上装有惯性质量块，并用螺母固定；在固定于槽钹形变形器另一端的轴上装有支撑爪，并用螺母固定。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
1)由于采用放射槽钹形驱动片，消除了环向机械应力损耗，输出位移和输出力较传统钹形片分别提高60％和80％以上，能量转换率高；
2)采用一体化设计的十字形弹性金属膜片支撑爪及防侧滑触点方案，具有结构简单、可靠性高、便于安装等特点；
3)惯性质量块和支撑爪的均采用可拆卸式安装于质量块连接器和支撑爪连接器，以便于针对不同负载和不同管道直径加以更换；
4)放射槽钹形驱动片也可作为一种高灵敏度的压电传感元件，尤其在低频加速度或力的测量方面，较传统的钹形片灵敏度高。
5)本特种微小管道机器人驱动器整体结构简洁紧凑、驱动效率高、制造简便、成本低廉，可实现ф8-ф10mm的刚性管道中可控运动。
附图说明
图1是特种微小管道机器人驱动器结构原理示意图；
图2是特种微小管道机器人驱动器的槽钹形变形器结构原理图；
图3是槽钹形变形器结构剖视示意图；
图4是支撑爪结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，它包括：惯性质量块2，槽钹形变形器3，支撑爪5；槽钹形变形器3由若干组放射槽钹形驱动片重叠而成，在固定于槽钹形变形器3一端的轴上装有惯性质量块2，并用螺母1固定；在固定于槽钹形变形器3另一端的轴上装有支撑爪5，并用螺母1固定。
如图2所示，所说的每组放射槽钹形驱动片，是由槽钹形第一金属膜片3.1和第二金属膜片3.3中间固定有压电片3.2构成，电极引线分别由槽钹形第一金属膜片3.1和第二金属膜片3.3引出，相邻接两片槽钹形金属膜片共用一根电极引线。
如图3所示，所说的放射槽钹形第一金属膜片3.1和第二金属膜片3.3为圆形有放射状槽的钹形弹性金属膜片。
如图4所示，所说的支撑爪5为四爪十字形弹性片结构，相对两爪支撑方向相同，其中两爪向前支撑，两爪向后支撑，每爪尖端固定有防侧滑触点。
上述放射槽钹形变形器根据微小管道机器人驱动力要求由若干放射槽钹形驱动片重叠而成。放射槽钹形金属膜片为等间距36槽(每槽开口1°)可通过冲压一次成型。相邻放射槽钹形金属膜片采用激光点焊使其顶部相接作为一组金属膜片电极。根据机器人驱动力设计要求若干压电陶瓷片与金属膜片电极之间采用导电胶粘合。变形器两端金属膜片上分别焊接有质量块连接器和支撑爪连接器。连接器上有螺纹通过固定螺母将惯性质量块和支撑爪装配于其上，并根据机器人负载的大小和工作管道内径的大小，适当更换惯性质量块和支撑爪。支撑爪与管道内壁通过防侧滑触点接触，防侧滑触点为有凹槽的球冠形钢珠，凹槽方向与驱动器前进方向一致，使驱动器在运动时延管道环向的摩擦力增大，从而有效抑制机器人的环向旋转。
此特种微小管道机器人驱动器采用惯性冲击驱动方式运动，驱动信号经过压电陶瓷驱动电源进行电压放大。当给槽钹形驱动片缓慢施加一定电压时，压电片产生d31模式的径向缓慢收缩变形，并带动槽钹形金属膜片产生轴向缓慢伸张位移变形，此时由于惯性质量块缓慢前伸，而反作用力不足以克服支撑爪与管壁的摩擦力，从而使支撑爪不动；当给槽钹形驱动片快速施加反向电压时，压电片产生d31模式的径向快速伸张变形，并带动槽钹形金属膜片产生轴向快速收缩位移变形，此时由于惯性质量块的惯性作用，反向作用力克服支撑爪与管壁的摩擦力，从而使支撑爪前移。重复这一过程，可使槽钹形驱动器前行。当施加反向规律的电压驱动信号，可使槽钹形驱动器后退。通过实验分析采用大占空比的方波电压信号驱动效率较高，并通过调节占空比的大小可以调节驱动器的运动方向以及速度。
Claims (4)
1.一种特种微小管道机器人驱动器，其特征在于它包括：惯性质量块(2)，槽钹形变形器(3)，支撑爪(5)；槽钹形变形器(3)由若干组放射槽钹形驱动片重叠而成，在固定于槽钹形变形器(3)一端的轴上装有惯性质量块(2)，并用螺母(1)固定；在固定于槽钹形变形器(3)另一端的轴上装有支撑爪(5)，并用螺母(1)固定。
2.根据权利要求1所述特种微小管道机器人驱动器，其特征在于：每组放射槽钹形驱动片，是由槽钹形第一金属膜片(3.1)和第二金属膜片(3.3)中间固定有压电片(3.2)构成，电极引线分别由槽钹形第一金属膜片(3.1)和第二金属膜片(3.3)引出，相邻接两片槽钹形金属膜片共用一根电极引线。
3.根据权利要求1或2所述特种微小管道机器人驱动器，其特征在于：所说的放射槽钹形第一金属膜片(3.1)和第二金属膜片(3.3)为圆形有放射状槽的钹形弹性金属膜片。
4.根据权利要求1所述特种微小管道机器人驱动器，其特征在于：所说的支撑爪(5)为四爪十字形弹性片结构，相对两爪支撑方向相同，其中两爪向前支撑，两爪向后支撑，每爪尖端固定有防侧滑触点(5.1)。
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