专利名称：半闭合振动式微型管道机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半闭合振动式微型管道机器人，该系统基于超磁致伸缩材料电磁参数与机械参数间能够实现精确转换的特点，当激励电源向激励线圈通以一定频率的交流功率时，超磁致伸缩材料将在激励线圈的磁场中以两倍于磁场的变化频率发生伸长和缩短变化，从而在爬行管道中借助爬行足与管壁的摩擦力不断的向前爬行。本发明可改变磁场变化的频率以调节微型管道机器人单位时间内做功的次数从而控制爬行速度，同时半闭合磁路的设计可以使磁场集中的同时降低机器人整体重量，具有结构简单、工作稳定、操作灵活和速度可控的特点。
背景技术：
磁致伸缩是指在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动；或者相反，在拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换为电能。工程上利用该特性实现电能与机械能之间的相互转换。微型管道机器人具有惯性小、谐振频率高、响应时间短、集约高技术成果和附加值高等特点，在核工业、航空航天和军事各方面应用前景广阔。采用超磁致伸缩材料作为机器人的致动器件可以大幅简化设计过程、降低体积和重量、提高工作效率。本发明主要利用超磁致伸缩材料自身可实现电磁能与机械能高效相互转换的特点，当激励电源向激励线圈通以一定频率的交流功率时，超磁致伸缩材料将在激励线圈的磁场中以两倍于磁场的变化频率发生伸长和缩短变化，从而在爬行管道中借助爬行足与管壁的摩擦力不断的向前爬行，具有结构简单、工作稳定、操作灵活和速度可控的特点。
发明内容本发明所要解决的技术问题是，通过改变磁场变化的频率以调节微型管道机器人单位时间内做功的次数从而控制爬行速度，同时采用半闭合磁路的形式一方面增大磁场强度，另一方面降低机器人整体重量，从而提高系统的整体性能。本发明所采用的技术方案是半闭合振动式微型管道机器人，包括有激励电源
(I)向激励线圈(2)提供某一频率的交变电流，激励线圈(2)在线圈中心感应出同频率的交变电磁场，超磁致伸缩棒(3)处于该电磁场中并产生两倍于电磁场变化频率的轴向伸长和缩短现象，同时通过联接块(4)及爬行足(5)与爬行管道(6)发生摩擦从而使机器人输出位移，实现沿管道内壁的移动。所述的激励电源⑴为输出功率可调的自激振荡线性放大电源，在晶闸管Vt获得直流电压后，经过限压保护模块加载到C1与C2及Ls组成的选频网络两端，并由反馈回路连接至晶闸管基极。当激励电源(I)工作时，其输出频率由选频网络的电容与电感综合决定，波形为单一频率三角函数波形。所述的激励线圈(2)是由线径较细的无氧铜漆包线密绕在线圈骨架上形成的空心电感线圈，其等效电感量为Ls，当激励电源(I)正常工作时，自激振荡的功率加载到Ls上，并在电感中央形成一定强度的交变磁场。密绕的漆包线能够保证所形成的磁场均匀稳定，为超磁致伸缩棒(3)的正常工作提供条件。所述的超磁致伸缩棒(3)由超磁致伸缩材料根据实际工作环境要求加工而成，其横截面为圆形，同时要求材料具有一定的抗拉、抗压强度。联接块(4)分前后两部分，固定于超磁致伸缩棒(3)首尾两端，将超磁致伸缩棒(3)与爬行足(5)紧密的粘接起来，起到机械固定的作用。所述的爬行足(5)由高导磁率铁磁材料加工成薄膜片状，一方面由于导磁率较高，可以起到疏导漏磁通的作用，使超磁致伸缩棒(3)的工作磁场强度提高；另一方面爬行足(5)加工成薄膜片状，当超磁致伸缩棒(3)发生伸长形变时，连带爬行足(5)发生剪应变使机器人在轴向方向上有所增长从而与爬行管道(6)发生摩擦，当超磁致伸缩棒(3)发生缩短形变时，爬行足(5)摩擦力的倾角式机器人自顶向前运动，当超磁致伸缩棒(3)的形
变反复出现时，机器人可实现向前行走。本发明的半闭合振动式微型管道机器人，利用超磁致伸缩材料自身可实现电磁能与机械能高效相互转换的特点，当激励电源向激励线圈通以一定频率的交流功率时，超磁致伸缩材料将在激励线圈的磁场中以两倍于磁场的变化频率发生伸长和缩短变化，从而在爬行管道中借助爬行足与管壁的摩擦力不断的向前爬行。
图I是本发明的整体结构原理图；图2是激励电源⑴时电路原理图；图3是超磁致伸缩棒处于半闭合磁路中的纵截面视图；图4是超磁致伸缩棒发生伸长形变的示意图；图5是超磁致伸缩棒发生缩短形变的示意图；其中(I):激励电源；(2):激励线圈；(3):超磁致伸缩棒；(4):联接块；(5):爬打足;
(6):爬行管道。C1, C2:选频电容 C3:滤波电容 L :滤波电感Ls :激励线圈等效电感Vt :功率放大晶闸管
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的半闭合振动式微型管道机器人做出详细说明。如图I所示，本发明的半闭合振动式微型管道机器人，包括有激励电源(I);激励线圈⑵；超磁致伸缩棒⑶；联接块⑷；爬行足(5);爬行管道(6)。如图2所示，所述的激励电源⑴为输出功率可调的自激振荡线性放大电源，当直流电通过滤波电容与滤波电感回路后，晶闸管Vt导通，经过限压保护模块功率加载到C1与C2及Ls组成的选频网络两端。C1与C2通过空连开关连接且C1可实现分档调节，二者与Ls并联后形成LC并联谐振，并确定了加载到Ls上电磁功率的频率。同时存在一条反馈回路接回晶闸管Vt基极使振荡持续进行。需要改变Ls上电磁功率的频率时，可旋转空联开关，取仏的不同电容值，C1电容值越大时，交变磁场频率越低K1电容值越小时，交变磁场频率越闻。如图3所示，所述的超磁致伸缩棒(3)处于通过首尾两端的联接块(4)与爬行足(5)实现机械上的固定连接。同时超磁致伸缩棒(3)处于激励线圈(2)中心的交变激励磁场中，并以两倍于磁场的变化频率发生伸长和缩短形变。由于超磁致伸缩棒(3)发生的形变率大于爬行足(5)，且二者是固定连接，这样机器人将在轴向上产生伸长或缩短的变化。而且由于爬行足(5)是由四条薄膜片状金属导磁材料制造而成，一方面可以疏导空间中的磁通，使之集中于工作主磁路；另一方面，爬行足(5)为半闭合 结构，降低了微型管道机器人的整体重量，使机器人受到驱动力后有更大的加速度。如图4所示，所述的爬行足(5)，当超磁致伸缩棒(3)发生伸长形变时尾端处于A位置，同时爬行足(5)连带产生伸长形变并与爬行管道(6)相接触产生摩擦。如图5所示，所述的爬行足(5)，当超磁致伸缩棒(3)发生缩短形变时，由于爬行足(5)与爬行管道(6)成一定倾角，机器人将在对称摩擦力的作用下自顶向前运动，使尾端处于B位置。当超磁致伸缩棒(3)处于交变磁场时，爬行足(5)将反复做功，使机器人不断向前行进。本发明的半闭合振动式微型管道机器人，当系统开始工作时，启动激励电源(I)并由激励线圈(2)产生激励磁场，超磁致伸缩棒(3)在磁场中产生磁致伸缩现象，使爬行足
(5)与爬行管道(6)相接触产生摩擦，带有一定倾角的对称摩擦力将反复做功，使机器人不断向前行进。
权利要求1.半闭合振动式微型管道机器人，其特征在于包括有激励电源(I)向激励线圈(2)提供某一频率的交变电流，激励线圈(2)在线圈中心感应出同频率的交变电磁场，超磁致伸缩棒(3)处于该电磁场中并产生两倍于电磁场变化频率的轴向伸长和缩短现象，同时通过联接块(4)及爬行足(5)与爬行管道(6)发生摩擦从而使机器人输出位移，实现沿管道内壁的移动。
2.根据权利要求I所述的半闭合振动式微型管道机器人，其特征还在于，所述的激励电源(I)为输出功率可调的自激振荡线性放大电源，在晶闸管^获得直流电压后，经过限压保护模块加载到C1与C2及Ls组成的选频网络两端，并由反馈回路连接至晶闸管基极；当激励电源(I)工作时，其输出频率由选频网络的电容与电感综合决定，波形为单一频率三角函数波形。
3.根据权利要求I所述的半闭合振动式微型管道机器人，其特征还在于，所述的爬行足(5)由高导磁率铁磁材料加工成薄膜片状。
专利摘要本实用新型公开一种半闭合振动式微型管道机器人，该系统基于超磁致伸缩材料电磁参数与机械参数间能够实现精确转换的特点，当激励电源向激励线圈通以一定频率的交流功率时，超磁致伸缩材料将在激励线圈的磁场中以两倍于磁场的变化频率发生伸长和缩短变化，从而在爬行管道中借助爬行足与管壁的摩擦力不断的向前爬行。本实用新型可改变磁场变化的频率以调节微型管道机器人单位时间内做功的次数从而控制爬行速度，同时半闭合磁路的设计可以使磁场集中的同时降低机器人整体重量，具有结构简单、工作稳定、操作灵活和速度可控的特点，主要包括激励电源(1)；激励线圈(2)；超磁致伸缩棒(3)；联接块(4)；爬行足(5)；爬行管道(6)。
文档编号B06B1/08GK202691444SQ201220251259
公开日2013年1月23日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者张献, 杨庆新, 李劲松, 金亮, 李阳 申请人:天津工业大学