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1、一种无损检测用的新型微机器人 米智楠 龚振邦 钱晋武 沈林勇 (上海大学机电学院,上海 200072) 摘 要 在蚯蚓蠕动原理的基础上研制了一种微型气动式机器人,其蠕动机构由两个柔性保 持器和一个推进器组成。微机器人通过膨胀的气囊与管道壁接触,有较高的柔软性和非破坏性,可 用于管道的无损检测。 主题词 机器人 气动移动机构 蠕动机构 管道 A NEW M ICROROBOT FOR THE INSPECTI ON OF PIPEL INES M i Zhinan Gong Zhenbang Qian Jinwu Shen L inyong (ShanghaiU niversity) Abstr
2、act A pneumatic m icrorobot has been developed based on the principle of worm ing motion,the worm ing mechanism of which consists of two holding parts and a thruster.The m icrorobot has soft and nondestructive characters because it contacts pipeline wall w ith inflatable air chambers .It can be appl
3、ied to nondestructive inspection of pipelines . Keywords Robot Pneumatic controlmechanism Worm ing mechanism Pipeline 工作在安全性要求很高的环境,特别是在核工 业和人体腔道等环境下的管道检测用微机器人,应 具有更高的柔软性和非破坏性。 为此,从仿生学角度 出发,采用蚯蚓蠕动原理,我们研制了一种新型气动 式微机器人。该机器人直径为18mm ,长约100mm , 最高运动速度为5. 91mm? s, 行程为1 000mm。 这种 蠕动微机器人可携带CCD(摄象头)和内窥纤维镜 等检
4、测装置,用于多种形状不规则管道(内径20 40mm)的探测,能满足柔软性和安全性要求。 1 工作原理 由生物学理论可知,蚯蚓的身体由许多节组成, 每一节都包含环状和纵向肌肉,当某一节的纵向肌 肉收缩时,这一节变得短而粗,而当环状肌肉收缩 时,蚯蚓的节将变得细而长,蚯蚓通过控制不同节的 径向尺寸粗细的顺序,实现其运动。 微机器人的蠕动机构由三个部分组成,即两个 径向伸缩的保持器和一个轴向伸缩的推进器。保持 器在不同阶段与管道壁保持不同的关系(吸附或脱 离 ), 吸附时起定位和支撑作用。推进器位于两个保 持器之间,通过轴向伸缩运动驱动机器人前进。 保持 器是利用气囊的膨胀来增加其有效直径,增大与管
5、 壁的接触面积,从而柔软地吸附在管壁内腔周围。 这 种气动式保持器可提供有效的吸附力,还能减小吸 附对管道造成的损伤。推进器由形状记忆合金 (SMA)偏动式驱动器构成,偏动式驱动器是由一个 SMA线圈和一个普通弹簧组成。 保持器和推进器结 构非常便于安装CCD和内窥纤维镜等装置。 蠕动是一种周期性动作,机器人的一个工作周 期包括六个工作姿态1,如图1所示。在姿态1,保 持 器1充气膨胀,吸附于管道壁上,起定位作用,而 图1 微机器人蠕动周期图 984 第22卷第11期 2000年11月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 11 Nov. 2 0 0 0 1995-2004 Tsingh
6、ua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 推进器和保持器2处于自然状态;在姿态2,保持器 1状态不变,推进器通电,向右延伸,保持器2仍为 自然状态;在姿态3,保持器1和推进器状态不变, 保持器2充气膨胀,吸附于管壁,起定位作用;在姿 态4,保持器1放气,与管道壁脱离;在姿态5,保持 器2状态不变,推进器断电收缩带动保持器1向右 运动;在姿态6,保持器1充气膨胀,吸附于管道壁 上,推进器状态不变,保持器2放气,这样整个机器 人向右移动了一个距离。 重复执行此循环过程,可使 机器人连续
7、向右运动。 同理反向执行此循环,可使机 器人向左连续运动。 2 蠕动机器人控制系统 蠕动机器人控制系统主要用于控制气动回路和 SMA电阻,它由计算机、 单片机、 压力调节阀和方向 控制阀等组成。 计算机完成人机对话和监控功能。 单 片机用于产生多路定时时序和脉宽调制信号 (PWM ), 分别控制方向控制阀和SMA电阻,改变 脉宽调制信号的占空比可调整机器人的运动频率。 在上述硬件支持的基础上编制的控制软件功能 是I?O接口初始化、 机器人运动状态初始化、 发送 运动指令(运动方向、 动作频率和移动步数等)和运 动状态显示(移动速度、 动作时间等)。 3 实验研究 对蠕动机器人进行的实验为 保持
8、器充气频 率与运动速度的关系。 负载与运动速度的关系, 实验结果如图2所示。 在频率与速度关系实验中,取了六个频率点,从 图 2a 中可以看出,运动速度随着保持器充气频率增 加而增加,近似成线性关系,但当充气频率达到极限 时,速度立刻减为零,此刻保持器已不能充分吸附。 还测定了在前进速度为3. 57mm?s的保持器充气频 率下,机器人后退速度为5. 35mm? s, 前进和后退速 度相差较大,这是由于后退时的牵引阻力低于前进 时的阻力。 负载与运动速度关系的实验是在垂直玻璃管中 进行的,移动距离给定,无负载时的速度是3. 57 mm? s, 随着负载增加,速度降低,结果如图 2b 所示。 可通
9、过调整SMA线圈,提高机器人的承载能力。 4 结论 由于蠕动机器人采用气动方式,与管壁接触的 是充入气体膨胀的橡胶囊,增大了接触面积,因而接 触部分柔软性好,通过这种柔软变形在管道内顺延, (a)频率2速度关系曲线 (b)负载2速度关系曲线 图2 实验结果 实现自动导向,对管道壁的损害程度极小;调整充气 压力,还可改变气囊的径向尺寸,适应多种内径的管 道。 这种蠕动机器人能携带多种检查设备,可用于安 全性要求较高的环境。 参考文献 1 汪劲松等.机器人, 1993, 15(2): 55- 58 收稿日期: 2000201205 本 刊 启 事 邮局已开始办理2001年度报刊 收订,请新老读者尽快去邮局办理订阅手 续,本刊邮局订阅代号: 42237。 为适应我国信息化建设需要,扩 大作者学术交流渠道,本刊已加入 中国 学术期刊(光盘版) 和 “中国期刊网” 。作 者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。 如作者不同意将文章编入该数据库,请在 来稿时声明,本刊将作适当处理。 094 米智楠等:一种无损检测用的新型微机器人 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载
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