电磁楔形微小管道机器人

摘要

本发明公开了一种电磁楔形微小管道机器人，包括伸缩机构和两件支承机构，所述伸缩机构的两端分别与一支承机构相连，所述支承机构包括纺锤形基体、永磁铁楔形滑块和线圈载体，所述纺锤形基体由中间线圈载体和位于中间线圈载体两端的锥形部分构成，线圈载体与锥形部分连接，线圈载体和中间线圈载体上均绕设有电磁铁线圈，锥形部分沿圆周方向均匀开设有至少两条导向滑槽，所述导向滑槽的底部相对于锥形部分的中轴线倾斜布置，各导向滑槽内均装设一件永磁铁楔形滑块。该电磁楔形微小管道机器人具有结构简单、负载能力高、可作双向运动、管径变化适应能力强的优点。

权利要求

1.一种电磁楔形微小管道机器人，包括伸缩机构(1)和两件支承机构(2)，所述伸缩机构(1)的两端分别与一支承机构(2)相连，其特征在于：所述支承机构(2)包括纺锤形基体(21)、永磁铁楔形滑块(22)和两个线圈载体(23)，所述纺锤形基体(21)由中间线圈载体(212)和位于中间线圈载体(212)两端的锥形部分(213)构成，各线圈载体(23)与一锥形部分(213)连接，线圈载体(23)和中间线圈载体(212)上均绕设有电磁铁线圈，锥形部分(213)沿圆周方向均匀开设有至少两条导向滑槽(211)，所述导向滑槽(211)的底部相对于锥形部分(213)的中轴线倾斜布置，各导向滑槽(211)内均装设一件永磁铁楔形滑块(22)。

2.根据权利要求1所述的电磁楔形微小管道机器人，其特征在于：所述纺锤形基体(21)上两段锥形部分(213)的锥形角为α，锥形部分(213)与永磁铁楔形滑块(22)之间的摩擦角为ψ1，永磁铁楔形滑块(22)与微小管道内壁之间的摩擦角为ψ2，α＜ψ2-ψ1。

3.根据权利要求1或2所述的电磁楔形微小管道机器人，其特征在于：所述伸缩机构(1)与各支承机构(2)的线圈载体(23)通过弹簧(3)连接。

说明书

电磁楔形微小管道机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及微小管道机器人领域，尤其涉及电磁楔形微小管道机器人。

背景技术

[0002] 在微管道内作业存在着很大的困难和危险，微小管道机器人为之提供了一种有效的技术途径。目前，微小管道机器人主要应用于核电站、热电站、化工、制冷等行业存在的众多细小管道以及各种复杂动力系统管道的检测。众多国家对微小管道机器人的发展都非常重视，纷纷投入资金和时间对该类机器人技术展开了研究，并且已取得了一定研究成果。日本DENSO CORP公司的研究实验室开发了一种叠层压电执行器微型机器人，该机器人由四部分组成：60um厚的薄板金属纺锤形基体、两个涡流传感器检测管壁缺陷、运动机构(运动机构包括三个U形弹簧夹紧单元弹性贴紧管壁、一个叠层压电执行器和一个质量块)和散热片，机器人直径仅为5.5mm，适用于8mm管径的直管或弯管，移动速度10mm/s。上海大学精密机械研究所对两种压电执行器机器人进行了研究，其中叠层压电执行器机器人可适于10mm管径水平或竖直管道管内作业，前进速度2.19mm/s，后退速度2.48mm/s，尺寸为
9.8×22mm，具有0～90度的爬坡能力；双压电晶片执行器机器人，适于20mm管径水平、竖直或弯曲管道内检测，竖直管内上下速度分别为4～6mm/s，17～22mm/s。

[0003] 目前微小管道机器人的行进方式主要有轮式直进、轮式螺旋推进和蠕动式，无论采用其中任何一种方式，微小管道机器人行走机构与管道壁之间的摩擦力均为某一固定值，而微小管道机器人的牵引力小于该摩擦力，于是欲提高牵引力必须相应地增大摩擦力，但是在实际应用中却希望能获得较大的牵引力的同时拥有较小的摩擦阻力。另外，目前具有双向运动功能的微小管道机器人在牵引力性能方面都不是很理想，例如2005年浙江大学研制的基于钹形压电复合驱动的微小管内机器人前进与后退运动均运行平稳，但最大牵引力仅有15mN。最后，目前在微小管道机器人领域，机器人模块之间主要是通过万向节或球铰连接的，这种传统的连接方式在很多程度上限制了机器人在小管径管道或大曲率弯管内的应用。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、负载能力高、可作双向运动、管径变化适应能力强的电磁楔形微小管道机器人。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种电磁楔形微小管道机器人，包括伸缩机构和两件支承机构，所述伸缩机构的两端分别与一支承机构相连，所述支承机构包括纺锤形基体、永磁铁楔形滑块和两个线圈载体，所述纺锤形基体由中间线圈载体和位于中间线圈载体两端的锥形部分构成，各线圈载体与一锥形部分连接，线圈载体和中间线圈载体上均绕设有电磁铁线圈，锥形部分沿圆周方向均匀开设有至少两条导向滑槽，所述导向滑槽的底部相对于锥形部分的中轴线倾斜布置，各导向滑槽内均装设一件永磁铁楔形滑块。

[0007] 所述纺锤形基体上两段锥形部分的锥形角为α，锥形部分与永磁铁楔形滑块之间的摩擦角为ψ1，永磁铁楔形滑块与微小管道内壁之间的摩擦角为ψ2，α＜ψ2-ψ1。

[0008] 所述伸缩机构与各支承机构的线圈载体通过弹簧连接。

[0009] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的电磁楔形微小管道机器人，用电磁铁线圈控制永磁铁楔形滑块的轴向位置，在永磁铁楔形滑块产生轴向位移的同时通过纺锤形基体中锥形部分改变永磁铁楔形滑块的径向位置，使永磁铁楔形滑块相对于管道内壁张开或收紧，当永磁铁楔形滑块处于张开状态时，可以与管道内壁形成自锁，为管道机器人获得足够大的牵引力提供支持，当永磁铁楔形滑块处于收紧状态时，不与管道内壁接触，为管道机器人在管道内的移动提供有利条件，由于永磁铁楔形滑块可与管道内壁形成自锁，于是管道机器人与管道内壁的静摩擦力将随着负载的增大而增大，使得管道机器人的负载能力不再受限于某一固定大小的摩擦力，可在大负载的情况下仍然保持高速运动；通过永磁铁楔形滑块、电磁铁线圈和伸缩机构之间的配合可以实现机器人在管道中的双向行走和行走换向，并可以在紧急情况下从任一方向快速安全退出；永磁铁可在燕尾槽内滑动，根据管径或拐弯半径的变化滑移至燕尾槽内的不同位置，使得管道机器人对管径和方向变化具有较强的适应性；伸缩机构与支承机构通过弹簧连接，能够传递伸缩机构的运动，并降低了对伸缩机构启动力矩的要求，起到缓冲冲击的作用，同时还增强了管道机器人的柔顺性，使得管道机器人可以通过大曲率和变管径管道。

附图说明

[0010] 图1是本发明的结构示意图；

[0011] 图2是本发明的支承机构的结构示意图；

[0012] 图3是本发明的纺锤形基体的结构示意图；

[0013] 图4是本发明的永磁铁楔形滑块的结构示意图；

[0014] 图5是本发明的永磁铁楔形滑块处于自锁状态时的受力分析图；

[0015] 图6是本发明的永磁铁楔形滑块处于松驰状态时的受力分析图；

[0016] 图7是本发明的机器人向右运动时的步骤分解示意图；

[0017] 图8是本发明的机器人处于双向拖出状态下的结构示意图。

[0018] 图中各标号表示：

[0019] 1、伸缩机构 2、支承机构

[0020] 3、弹簧 21、纺锤形基体

[0021] 22、永磁铁楔形滑块 23、线圈载体

[0022] 211、导向滑槽 212、中间线圈载体

[0023] 213、锥形部分 214、导线通孔

[0024] 215、主线圈 216、副线圈

具体实施方式

[0025] 如图1至图4所示，本发明的电磁楔形微小管道机器人，包括伸缩机构1、两件支承机构2和两件弹簧3，两件支承机构2对称布置于伸缩机构1两端，各支承机构2包括纺锤形基体21、永磁铁楔形滑块22和线圈载体23，纺锤形基体21由中间线圈载体212和位于中间线圈载体212两端的锥形部分213构成，线圈载体23与锥形部分213连接，线圈载体23和中间线圈载体212上均绕设有电磁铁线圈，锥形部分213沿圆周方向均匀开设有至少两条导向滑槽211，导向滑槽211的底部相对于锥形部分213的中轴线倾斜布置，各导向滑槽211内均装设一件永磁铁楔形滑块22，伸缩机构1与各支承机构2的线圈载体23通过一件弹簧3连接。伸缩机构1用于驱动机器人伸长和缩短，支承机构2可将机器人支承于管道的内壁上，通过弹簧3连接伸缩机构1与支承机构2，能够传递伸缩机构1的运动，并降低了对伸缩机构1启动力矩的要求，起到缓冲冲击的作用，同时还增强了管道机器人的柔顺性，使得管道机器人可以通过大曲率和变管径管道。

[0026] 本实施例中，各支承机构2的线圈载体23和中间线圈载体212均为圆柱体，锥形部分213为圆锥台，中间线圈载体212与线圈载体23之间通过锥形部分213连接，锥形部分213靠近中间线圈载体212的一端为大径端，靠近线圈载体23的一端为小径端。中间线圈载体212上缠绕的为一组主线圈215，两线圈载体23上分别缠绕一组副线圈216，各组电磁铁线圈均采用单独的线路控制通断，纺锤形基体21沿轴向设有导线通孔214，用于布置连接电磁铁线圈的导线。导向滑槽211沿锥形部分213的圆周方向均匀设置有三条，并沿锥形部分213表面倾斜设置，各导向滑槽211内装设一件可沿导向滑槽211滑动的永磁铁楔形滑块22。导向滑槽211为燕尾式槽体，永磁铁楔形滑块22与导向滑槽211配合的连接部呈燕尾榫状，永磁铁楔形滑块22靠近中间线圈载体212的一端为N极，靠近线圈载体23的一端为S极。当永磁铁楔形滑块22滑动至锥形部分213小径端时，永磁铁楔形滑块
22可以完全收拢于纺锤形基体21内，这种结构使管道机器人可以最大限度的缩减径向占用空间，适于在微小型管道中工作，通过曲率半径较小的弯形管道。纺锤形基体21上两段锥形部分213的锥形角为α，锥形部分213与永磁铁楔形滑块22之间的摩擦角为ψ1，永磁铁楔形滑块22与微小管道内壁之间的摩擦角为ψ2，α＜ψ2-ψ1，本实施例中α＝6°；
ψ1＝8.53°；ψ2＝2.72°。当永磁铁楔形滑块22处于自锁状态时，其受力状况如图5所示，图5中G为防止永磁铁楔形滑块22下滑的阻抗力，F为伸缩机构1提供的主动牵引力，F1为管壁作用于永磁铁楔形滑块22上的作用力，F2为纺锤形基体21作用于永磁铁楔形滑块22上的作用力，由于G+F1sinψ2＝F2sin(ψ1+a)，且F1cosψ2＝F2cos(ψ2+a)，则可得：
G＝F(1-tanψ2/tan(ψ1+a))，令G≤0，可得：tanψ2≥tan(ψ1+a)。所以当α＜ψ2-ψ1时，阻抗力G≤0，表明永磁铁楔形滑块22与管壁之间实现了自锁，因此，无论牵引力F如何增大，永磁铁楔形滑块22均不会滑动。当永磁铁楔形滑块22处于松驰状态时，其受力状况如图6所示，图6中F为伸缩机构1提供的主动牵引力，F3为管壁对永磁铁楔形滑块22的作用力，纺锤形基体21在受F的作用后，对永磁铁楔形滑块22失去支撑作用，永磁铁楔形滑块22在与管壁之间摩擦力的作用下与管壁脱离接触，使得支承机构2可以开始沿管道轴向运动。

[0027] 本发明的工作原理：本发明的电磁楔形微小管道机器人，通过永磁铁楔形滑块22、电磁铁线圈和伸缩机构1之间的配合实现机器人在管道中行走。用电磁铁线圈控制永磁铁楔形滑块22的轴向位置，在永磁铁楔形滑块22产生轴向位移的同时通过纺锤形基体
21中锥形部分213改变永磁铁楔形滑块22的径向位置，使永磁铁楔形滑块22相对于管道内壁张开或收紧，当永磁铁楔形滑块22处于张开状态时，与管道内壁形成自锁，为管道机器人获得足够大的牵引力提供支持，当永磁铁楔形滑块22处于收紧状态时，不与管道内壁接触，为管道机器人在管道内的移动提供有利条件。

[0028] 本发明的电磁楔形微小管道机器人在基本的运动过程中，一个运动周期包括四个步骤，下面以在微小管道中向右移动为例，对电磁楔形微小管道机器人的运动原理作详细说明。

[0029] 如图7a所示，电磁楔形微小管道机器人置于微小管道内，初始状态时，伸缩机构1完全伸展，两支承机构2中的各永磁铁楔形滑块22均位于远离中间线圈载体212的一端，永磁铁楔形滑块22靠近副线圈216的一侧为S极，靠近主线圈215的一侧为N极。

[0030] 步骤一，如图7b所示，伸缩机构1保持静止；左端的支承机构2中各永磁铁楔形滑块22保持初始状态；右端的支承机构2中主线圈215和两件副线圈216通电，主线圈215的右侧为N极，左侧为S极，两件副线圈216的右侧均为S极，左侧均为N极，因此，该支承机构2中左端的永磁铁楔形滑块22沿导向滑槽211向靠近中间线圈载体212的一端移动，直至永磁铁楔形滑块22与管道内壁接触，右端的永磁铁楔形滑块22保持静止。

[0031] 步骤二，如图7c所示，两件支承机构2中的永磁铁楔形滑块22继续保持步骤一中所述的状态；伸缩机构1开始收缩，带动左端的支承机构2向右移动一段距离。此时，右端的支承机构2通过其中左端的永磁铁楔形滑块22与管道内壁形成自锁，为左端支承机构2的移动提供牵引力。

[0032] 步骤三，如图7d所示，伸缩机构1保持静止；左端的支承机构2中主线圈215和两件副线圈216通电，主线圈215的右侧为N极，左侧为S极，两件副线圈216的右侧均为S极，左侧均为N极，因此，该支承机构2中左端的永磁铁楔形滑块22沿导向滑槽211向靠近中间线圈载体212的一端移动，直至永磁铁楔形滑块22与管道内壁接触，右端的永磁铁楔形滑块22保持静止；右端的支承机构2中主线圈215断电，两件副线圈216通电，其中左端副线圈216的右侧均为N极，左侧均为S极，右端副线圈216的左侧均为N极，右侧均为S极，因此，该支承机构2中两件永磁铁楔形滑块22均沿导向滑槽211向远离中间线圈载体212的一端移动。

[0033] 步骤四，如图7e所示，两件支承机构2中的永磁铁楔形滑块22继续保持步骤三中所述的状态；伸缩机构1开始伸出，推动右端的支承机构2向右移动一段距离。此时，左端的支承机构2通过其中左端的永磁铁楔形滑块22与管道内壁形成自锁，为右端支承机构2的移动提供牵引力。

[0034] 至此，已完成向右运动的一个运动周期，机器人整体向上移动了一个步距h，按照与此相反的动作顺序就可实现向左运动。

[0035] 在步骤三中，右端的支承机构2还可以采用与左端的支承机构2相同的方式控制，使右端的支承机构2中，左端的永磁铁楔形滑块22沿导向滑槽211向靠近中间线圈载体212的一端移动，直至左端的永磁铁楔形滑块22与管道内壁接触，右端的永磁铁楔形滑块
22保持静止。在此种状态下进行步骤四时，左端的支承机构2的功能与上述步骤四中的功能相同，右端的支承机构2中，虽左端永磁铁楔形滑块22与管道内壁接触，但不会与管道内壁形成自锁，所以不影响伸缩机构1推动右端的支承机构2向右运动，同时，该种状态下左端永磁铁楔形滑块22还能起到一定的导向作用。

[0036] 当有紧急情况发生需要将管道机器人在外力作用下拖出管道时，可采用如下措施：如果此时管道机器人正处于运动状态，则可直接沿其运动方向拖出；也可以将管道机器人调整为如图8所示的双向拖出状态，此时管道机器人与管道完全脱离，沿管道两端均可安全退出。