基于鈸形壓電復(fù)合驅(qū)動(dòng)的微小管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)研究.pdf

1、空間曲線型微細(xì)管路在航空、航天、船舶、汽車及核工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，然而對(duì)其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)檢測及三維重建卻一直是制約這些領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)瓶頸。因此，針對(duì)空間曲線型微細(xì)管道潛入式無損檢測微小管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的研究已逐漸成為了技術(shù)前沿和研究熱點(diǎn)。 論文在綜述機(jī)器人的發(fā)展歷史、國內(nèi)外微小管內(nèi)機(jī)器人的研究狀況及其所需要解決關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)空間曲線型分布的深細(xì)孔和管路內(nèi)壁質(zhì)量檢測和三維幾何模型重建問題，提出了一種基于慣性驅(qū)動(dòng)并具有自主定

2、位功能的鈸形壓電復(fù)合微小管內(nèi)機(jī)器人。 針對(duì)這種微小管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)，文章從該微小管內(nèi)機(jī)器人的爬行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及爬行定位系統(tǒng)兩大方面進(jìn)行了研究論述： 首先針對(duì)微小管內(nèi)機(jī)器人的動(dòng)力源，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于壓電逆效應(yīng)的可應(yīng)用于微小管內(nèi)機(jī)器人動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的鈸形壓電復(fù)合致動(dòng)器。根據(jù)微小管內(nèi)機(jī)器人動(dòng)力裝置的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，提出了鈸形壓電復(fù)合致動(dòng)器的開槽式結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，建立了開槽式鈸形壓電復(fù)合致動(dòng)器的理論分析模型。通過理論建模、有限元及實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證

3、了開槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鈸形壓電復(fù)合致動(dòng)器較無槽鈸形壓電復(fù)合致動(dòng)器，其輸出位移、輸出力及能量轉(zhuǎn)化率等特性均有大幅提高?；谶@種鈸形壓電復(fù)合致動(dòng)器，設(shè)計(jì)制造了基于慣性驅(qū)動(dòng)原理并能滿足φlOmm管道爬行的機(jī)器人動(dòng)力裝置。針對(duì)鈸形壓電復(fù)合動(dòng)力動(dòng)力裝置的具體結(jié)構(gòu)，建立了該動(dòng)力裝置的時(shí)域動(dòng)力學(xué)模型及系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)，并通過模態(tài)分析及計(jì)算機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析，論述了該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。根據(jù)對(duì)該鈸形壓電復(fù)合動(dòng)力裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度、負(fù)載能力及管道適應(yīng)性等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

4、，說明了該動(dòng)力裝置具有良好的動(dòng)力性能。 為了滿足微小管內(nèi)機(jī)器人進(jìn)行φ10mm管道爬行定位的要求，研制了一種仿尺蠖式爬行的微小管內(nèi)機(jī)器人爬行軸向定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于鈸形壓電復(fù)合動(dòng)力裝置響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，采用機(jī)械碰撞接觸式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定長碰撞解決了仿尺蠖爬行式微小管內(nèi)機(jī)器人軸向的全程定位問題。通過碰撞理論及實(shí)驗(yàn)分析證明了該定位機(jī)構(gòu)的接觸碰撞屬有利碰撞，有利于提高距離定位測量的精度。然而，盡管該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡捷緊湊并巧妙結(jié)合驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)進(jìn)

5、行相對(duì)位移檢測的特點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用中爬行步距很難做到非常小以大幅提高管道位移檢測分辨率。因此，文章在第五張補(bǔ)充研究了一種基于光學(xué)導(dǎo)航原理的二維光學(xué)定位方法。針對(duì)微小管內(nèi)機(jī)器人管道三維重建精度及環(huán)向偏轉(zhuǎn)問題，提出了一種基于光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)二維位置檢測的光學(xué)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法。文中闡述了基于光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的測量原理及相關(guān)算法，應(yīng)用ADNS-2051光學(xué)傳感芯片，研制開發(fā)出適合內(nèi)徑 12．5mm的管道的微小管內(nèi)機(jī)器人二維光學(xué)定位系統(tǒng)，并