专利名称：基于emsr的微型管道机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于EMSR的微型管道机器人，该设计基于电磁-机械同步共振(Electromagnetic&Mechanical Synchronous Resonance, EMSR)技术，首先通过功率发射电路将电能无线传输到励磁线圈，然后超磁致伸缩棒在交变磁场下产生变形，使机器足产生弯曲和伸展变形，从而实现微型管道机器人的先进或后退动作。本发明设计巧妙结合了无线电能传输技术及超磁致伸缩材料特性，具有结构简单、效果明显、维护方便和操作灵活的特点
背景技术：
磁致伸缩材料、形状记忆材料和压电材料不但能够对外界或内部的物理、化学变化具有感知能力，同时能够针对发生的变化作出响应，在传感器与执行器领域具有广泛应用，因此成为新型功能材料的代表。其中利用磁致伸缩效应制成的电-磁-机高精度快速微位移执行器具有易于集成、微型化、智能化等优点，目前被广泛应用于现代精密加工、建筑工程、机器人、医学和航空航天等领域。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，将其放置于外部交变磁场中时产生两倍于交变磁场频率变化的磁致伸缩变形，从而使电-机换能装置吸收后高效的转化为机械能，可为特殊条件下工作的微型管道机器人的只要与设计提供有效的解决方案。
发明内容本发明所要解决的技术问题是，在电能的无线传输基础上利用超磁致伸缩材料自身特点，使微型致动器在交变磁场中反复的发生伸长或缩短变化，从而将电磁能同步的转换为机械能，实现微型管道机器人的前进与后退动作。本发明所采用的技术方案是基于EMSR的微型管道机器人，包括有函数信号发生器⑴；功率放大器⑵；功率发射电路⑶；励磁线圈⑷；金属工作平面(5);微型致动器；电压监测环节(7)。所述的功率放大器(2)由可以工作在高频、高电压下的大功率电子管为主要核心，结合外围电子器件组成大功率线性放大器，当函数信号发生器(I)根据功率发射电路
(3)谐振频率输出一个正弦波形时，功率放大器(2)将该正弦信号放大为一功率信号，并通过电子管的调压旋钮改变输出功率。所述的功率发射电路(3)由两部分组成一部分是由高电导率无氧铜线密绕于线圈骨架上形成具有一定电感量的空心线圈；另一部分是选取高频金属薄膜电容器构成补偿回路并联在空心线圈首尾，功率发射电路(3)的工作频率由以上两部分同时决定。所述的励磁线圈(4)由线径极细的高导电率漆包线紧密缠绕在微型致动器(6)上而成，其自身具有一定电感量，并与金属工作平面(5)提供的分布式电容共同决定了励磁线圈(4)的谐振频率。[0009]所述的金属工作平面(5)具有一定导电性的平面金属薄片制作而成，表面涂有绝缘涂层及阻热涂层，一方面可作为微型致动器(6)的工作平面，另一方面使励磁线圈(4)的分布式电容总量增加，从而调节励磁线圈(4)的谐振频率。所述的微型致动器￠)由超磁致伸缩材料薄膜粘贴在弹性金属片表面制作而成。当微型致动器(6)处于交变电磁场中时，由于超磁致伸缩薄膜与弹性金属片挠度不同，使得弹性金属片在磁致伸缩现象的带动下发生伸长或缩短变化。同时，由于不存在偏执磁场，微型致动器(6)产生形变的频率为外磁场频率的两倍。本发明的基于EMSR的微型管道机器人，在无线电能传输的基础上，将电磁能通过无线的方式由功率发射电路传送到励磁线圈并向微型致动器提供电能，然后利用超磁致伸缩材料的自身特性将电能转换为统一频率的机械能，使机器足产生弯曲和伸展变形，从而实现微型管道机器人的先进或后退动作。
图I是本发明的整体结构原理图；图2是功率发射电路及机器人工作平台示意图；图3是微型致动器结构原理图；图4是处于工作平台上的微型管道机器人示意图；图5是微型管道机器人驱动系统结构关系图；其中(I):函数信号发生器；(2):功率放大器；(3):功率发射电路；(4):功率接收电路；(5):电-机换能装置；(6)电压监测环节；(7):振动监测环节；(8):超磁致伸缩薄膜；
(9):粘合剂；(10):弹性金属片；(11):励磁线圈；(12):金属工作平面。B1 :功率发射端；a2 :功率接收端W1 :发射端电压；V2 :接收端电压
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的基于EMSR的微型管道机器人做出详细说明。如图I所示，本发明的基于EMSR的微型管道机器人，包括有函数信号发生器(I)；功率放大器⑵；功率发射电路⑶；励磁线圈⑷；金属工作平面(5);微型致动器(6);电压监测环节(7)。如图2所示，所述的功率发射电路(3)工作于自身谐振频率，该频率由密绕无氧铜线构成的电感与并联金属薄膜电容同时决定。励磁线圈(4)置于金属工作平面(5)上并处于功率发射电路(3)的电磁场中，其工作频率通过无氧铜线与金属工作平面(5)的相互配合与调节后保证与功率发射电路(3)的谐振频率一致。如图3所示，所述的微型致动器(6)是通过超磁致伸缩薄膜粘附在弹性金属片上制造而成。弹性金属片制作出两个90度弯角以形成机器人的两个机器足。而且弹性金属片的挠度小于超磁致伸缩薄膜，因此在产生超磁致伸缩效应时，机器足将发生伸长或缩短变化从而实现机器人的前进与后退。如图4所示，所述的励磁线圈(4)紧密缠绕在微型致动器(6)表面，当励磁线圈
(4)获得电磁能量时，将会在密绕线圈中间产生一交变电磁场从而驱动超磁致伸缩薄膜产生形变。由于不存在偏置磁场，超磁致伸缩材料的形变频率将是励磁线圈(4)中磁场频率的两倍。如图5所示，所述的微型管道机器人驱动系统首先由函数信号发生器(I)按照功率发射电路(3)所预定的工作频率发出正弦波信号，该信号在本系统中设定为10kHz。然后由功率放大器(2)将该信号放大为一功率信号，经过限流保护环节后，向功率发射电路
(3)进行供电。功率发射电路(3)发生电磁谐振，并通过无线电能传输技术将电磁能传送到励磁线圈(4)。而后在励磁线圈(4)的密绕线圈中间产生一定磁场强度的空间电磁场。微型致动器(6)在该电磁场中产生磁致伸缩效应，将电磁能转换为两倍于电磁场频率的机械能，从而使及其足产生伸长或缩短变化，推动机器人的前进或后退。本发明的基于EMSR的微型管道机器人，当系统开始工作时，由函数信号发生器输 出一 IOkHz的正弦波，经过功率放大器后形成一 IOkHz的功率信号，该功率由功率发射电路 无线的传送到励磁线圈，并在励磁线圈密绕铜线圈中间形成一定强度的IOkHz的交变电磁场，使无偏置磁场的微致动器产生20kHz的机械形变，从而带动了机器足发生伸长或缩短变化，以实现机器人在金属工作平面上进行前进或后退动作。
权利要求1.基于EMSR的微型管道机器人，其特征在于包括有函数信号发生器(I);功率放大器(2);功率发射电路(3);励磁线圈⑷；金属工作平面(5);微型致动器(6);电压监测环节⑵。
2.根据权利要求I所述的基于EMSR的微型管道机器人，其特征还在于，所述的励磁线圈(4)由线径极细的高导电率漆包线紧密缠绕在微型致动器(6)上而成，其自身具有一定电感量，并与金属工作平面(5)提供的分布式电容共同决定了励磁线圈(4)的谐振频率。
3.根据权利要求I所述的基于EMSR的微型管道机器人，其特征还在于，所述的微型致动器￠)由超磁致伸缩材料薄膜粘贴在弹性金属片表面制作而成，当微型致动器(6)处于交变电磁场中时，由于超磁致伸缩薄膜与弹性金属片挠度不同，使得弹性金属片在磁致伸缩现象的带动下发生伸长或缩短变化；同时，由于不存在偏执磁场，微型致动器(6)产生形变的频率为外磁场频率的两倍。
专利摘要本实用新型公开一种基于EMSR的微型管道机器人，该设计基于电磁-机械同步共振(Electromagnetic&Mechanical Synchronous Resonance，EMSR)技术，首先通过功率发射电路将电能无线传输到励磁线圈，然后超磁致伸缩棒在交变磁场下产生变形，使机器足产生弯曲和伸展变形，从而实现微型管道机器人的先进或后退动作。本实用新型设计巧妙结合了无线电能传输技术及超磁致伸缩材料特性，具有结构简单、效果明显、维护方便和操作灵活的特点，主要包括函数信号发生器(1)；功率放大器(2)；功率发射电路(3)；励磁线圈(4)；金属工作平面(5)；微型致动器(6)；电压监测环节(7)。
文档编号F16L55/32GK202647063SQ20122014021
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6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