国外微型管内机器人的发展

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1、第uu卷第y期机器人ΡΟΒΟΤ∂²¯quuo²qyusss年tt月²√qousss文章编号}tssu2swwykussslsy2sxsy2s{Ξ国外微型管内机器人的发展张永顺k浙江大学机械电子控制工程研究所vtssuzl摘要}本文首先论述了微型管道机器人的发展背景及与传统管内机器人的区别o然后对几种典型常规小管径管道机器人和国外几种典型微驱动式管内微型机器人工作原理对比分析o指出了目前管内微型机器人研究中所面临的主要问题o并对实现微管内机器人实用化的关键技术及研究发展方向进行了探讨q关键词}微驱动器~微型管内机器人中图分类号}×°uw文献标识码}1引言在工业

2、!核工业!石油天然气等领域中o管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用o为了提高这些管道的寿命o防止泄露等事故的发生o管道机器人作为满足高效准确的故障诊断!检测及维修的手段应运而生o其广泛地应用于管道的探伤!补口!维修!焊接等诸多领域q目前o国内外管道机器人的研究成果已经很多o可是对生物体内狭小空间内的检查诊断o工业上热交换器及核电站微小管道空间内的检测!维修尚属空白o并极具吸引力q因此相继成为国内外研究的热点≈t∗v q微管道机器人是基于狭小空间内的应用背景提出的o其环境特点是在狭小的管状通道或缝隙内行走进行检测!维修等作业o图tk¤l是在人体内检查诊

3、断的构想图o系生物医学领域的应用~图tk¥l是在热交换器弯曲管道内进行检测!维修时的构想图o系工业领域的应用qk¤lk¥l图t微管道机器人的应用构想图由于与常规条件下管内作业环境有明显的不同o即相对微观与宏观的区别o而且其行走方Ξ收稿日期}ussspstpsz基金项目中国博士后基金资助项目q第uu卷第y期张永顺等}国外微型管内机器人的发展xsz式及结构原理与常规管道机器人不同o因此微管道机器人属于微机器人的范畴q归属于微电子机械系统k∞≥l的微机器人主要针对生物及医学领域提出的o例如可用来操作人体血球!细胞!诊断!注药和修补等~同时微机器人还在军事上具有应用

4、价值o例如用来进行军事侦察o具有不易被发现的优点o并将侦察到的信息发回到指挥部门q由于微管道机器人属于≈x ∞≥的范畴o其微型化过程的行走方式及结构构成与常规管道机器人必然不同o常规管道机器人的行走方式主要有轮式!履带式和蠕动式o其中轮式和蠕动式行走方式易于小型化o国内外学者在按宏观技术进行管道机器人微型化的过程中o已经受到了常规技术手段的限制q由于空间的限制和相对控制精度的要求o常规管道机器人按比例缩小是不可行的o即由于常规管道机器人结构复杂o很难微型化o理论上可以按比例缩小o但机械传动的间隙是受传统加工精度影响的o采用传统加工精度制造的微型传动链的累积误

5、差相对微管道机器人的控制精度要求和狭小的作业空间来说是不能接受的o况且目前还不能完全实现复杂的微细加工q有鉴于此o微管道机器人的行走方式应另辟蹊径q目前随着微电子机械技术的发展和晶体压电效应和超磁致伸缩材料磁2机耦合技术应用的发展o使新型微电2机械转换器o即微驱动器的出现和应用成为现实q从目前国外微管道机器人的研制情况来看o微管道机器人的发展与微机械电子技术!超精密加工技术的发展o与以功能材料!智能材料为基础的微驱动器的研制开发成果是密切相关的≈t∗v o因此微驱动器的研究成果已成为微管道机器人重要发展基础q2常规小管径管道机器人的发展一般小管径管道机器人是

6、指作业管径小于{s°°的机器人o研究经验表明由于受管径空间和机器人结构的限制o小管径管道机器人的研制难度更大q≈1 2q1轮式小管径管内移动机器人如图u所示为日本学者福田敏男o细贝英夫t

7、{y年研制的可以通过/0形无圆弧过渡的图≈t u轮式小管径管内移动机器人管内移动机器人≈wu q从转弯的难易程度考虑/0型垂直管要比/圆型0弯管复杂q该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成o头部和本体部分可以相对回转q当机器人在直管内行走时o本体上的电动机Μt通过减速装置带动本体上的驱动轮转动o使机器人沿直管行走q当通过

8、s度弯管时o电动机Μu驱动头部作姿态调整o同时驱

9、动头部履带o引导机器人通过弯管q该机器人巧妙之处在于使用二台电机完成了三种运动o由于该机器人的应用管径较小o所以采用三台电机来完成三种运动是受空间限制的o因此我们得到的启示是在管道机器人结构上尽xs{机器人usss年tt月量采用/一电机多驱动功能0的设计q这样可以使结构简单紧凑o解决功能的实现与管道空间限制之间的矛盾q该机器人的缺点是不可以逆行o只有沿前进方向的转弯功能q该机器人的技术指标为}适应管径}Υxs°°~行走速度}{qt°°Ù¶~转弯性能}可以通过

10、s度直角弯管~机器人重量}uwsª~机器人长度}zy°°q该机器人成功地通过了/0型弯管q≈2 2q

11、2小管径蠕动式管内移动机器人图v为哈工大机器人所于殿