本发明属于压电精密驱动技术领域，尤其涉及一种基于压电振子的管道机器人及其激励方法。
背景技术：
管道机器人是一种可以沿管道内部自动行走的机器人，目前已成功的应用于石油、化工、核工业、城建施工等产业领域。但传统的管道机器人一般需要电磁电机、减速器以及运动变换装置，其结构复杂、体积和重量大、定位精度低、难以小型化等特点限制了管道机器人应用领域的拓展。特别是管道机器人所使用的电磁电机，容易受到电磁干扰且容易对其它产生电磁干扰的特性，限制了其在精密加工制造、航空航天、生物医疗工程领域的应用。
技术实现要素：
本发明为了解决现有管道机器人结构复杂、难于小型化、存在电磁干扰、定位精度低等不足，提出一种基于压电振子的管道机器人及其激励方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于压电振子的管道机器人，包括压电振子1和管道2；所述压电振子1包含弯曲陶瓷组1-1、伸缩陶瓷组1-2、两个端盖1-3和四个驱动足1-4；其中弯曲陶瓷组1-1和伸缩陶瓷组1-2设置在两个端盖1-3之间，且均与两侧端盖1-3固定连接；所述弯曲陶瓷组1-1由两个对称布置的压电陶瓷半组构成，在弯曲陶瓷组1-1上施加直流激励电压时，两个压电陶瓷半组中一个沿压电振子1轴向伸长，另一个沿压电振子1轴向缩短；伸缩陶瓷组1-2由压电陶瓷构成，在伸缩陶瓷组1-2上施加直流激励电压时压电陶瓷沿压电振子1轴向伸长或缩短；每个端盖1-3的末端分别设置两个驱动足1-4，且四个驱动足1-4都与管道2的内壁接触并保持一定的预压力。
进一步地，所述压电振子1纵向振动的共振频率f2是其横向弯曲振动的共振频率f1的二倍，且压电振子1纵向振动时驱动足1-4沿管道轴向振动，压电振子1横向弯曲振动时驱动足1-4沿管道径向振动。
进一步地，所述管道2内壁的截面是圆形或者正多边形。
本发明还提出一种基于压电振子的管道机器人的激励方法，所述激励方法使压电振子1沿管道2的轴线作双向直线运动；具体为：初始状态时，在预压力的作用下所有驱动足1-4都与管道2的内壁接触，此时压电振子1静止；在弯曲陶瓷组1-1和伸缩陶瓷组1-2上同时施加交流激励电压v，交流激励电压v由两种频率不同的正弦电压叠加而成，所述两种频率不同的正弦电压为高频电压v2和低频电压v1，所述高频电压v2的频率是低频电压v1的频率的两倍，且低频电压v1的频率f1与压电振子1横向振动的频率f1相同，高频电压v2的频率f2与压电振子1纵向振动的频率f2相同；压电振子1在交流激励电压v的激励下达到共振状态，此时驱动足1-4沿管道轴向振动的频率是其沿管道径向振动频率的二倍；根据叠加原理，调整交流激励电压v中高频电压v2和低频电压v1之间的初始相位差，能够在四个驱动足1-4处获得运动方向相同的正8字形或者反8字形振动轨迹，进而使四个驱动足1-4共同推动压电振子1实现沿管道2轴线向前或向后的直线运动。
本发明相较于现有技术的有益效果为：
本发明提出的一种基于压电振子的管道机器人及其激励方法，利用压电元件的逆压电效应在压电振子表面的特定区域激发出特定轨迹的质点运动，进而通过压电振子和管道之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子宏观运动的驱动器。它具有结构简单、易于小型化、抗电磁干扰能力强、定位精度高、可靠性高等特点，能进一步拓展管道机器人在航空航天、生物医疗工程和精密加工制造领域的应用。
附图说明
图1是本发明所述的基于压电振子的管道机器人的结构示意图；
图2是本发明所述的基于压电振子的管道机器人的剖视图；
图3是本发明所述的基于压电振子的管道机器人沿管道轴线向前运动的工作原理图，t表示时间，volt表示激励电压值，t0表示激励电压的周期。
图4是本发明所述的基于压电振子的管道机器人沿管道轴线向后运动的工作原理图，t表示时间，volt表示激励电压值，t0表示激励电压的周期。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：参照图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于压电振子的管道机器人，包括压电振子1和管道2。管道2内壁的截面可以是圆形或正多边形。压电振子1包含弯曲陶瓷组1-1、伸缩陶瓷组1-2、两个端盖1-3和四个驱动足1-4；其中弯曲陶瓷组1-1和伸缩陶瓷组1-2设置在两个端盖1-3之间，且均与两侧端盖1-3固定连接；弯曲陶瓷组1-1由两个对称布置的压电陶瓷半组构成，在弯曲陶瓷组1-1上施加直流激励电压时，第一压电陶瓷半组1-1-1伸长，第二压电陶瓷半组1-1-2缩短；伸缩陶瓷组1-2由压电陶瓷构成，在伸缩陶瓷组1-2上施加直流激励电压时压电陶瓷沿压电振子1轴向伸长或缩短；每个端盖1-3的末端分别设置两个驱动足1-4，且四个驱动足1-4都与管道2的内壁接触并保持一定的预压力；压电振子1纵向振动的共振频率f2是其横向弯曲振动的共振频率f1的二倍，且压电振子1纵向振动时驱动足1-4沿管道轴向振动，压电振子1横向弯曲振动时驱动足1-4沿管道径向振动。
具体实施方式二：参照图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的基于压电振子的管道机器人的激励方法，可以使压电振子1实现沿管道2轴线方向的直线运动。该激励方法只需一路激励信号就能使压电振子1实现向前和向后两个方向的运动。初始状态时，在预压力的作用下所有驱动足1-4都与管道2的内壁接触，此时压电振子1静止；在弯曲陶瓷组1-1和伸缩陶瓷组1-2上同时施加交流激励电压v，交流激励电压v由两种频率不同的正弦电压叠加而成，所述两种频率不同的正弦电压为高频电压v2和低频电压v1，其中高频电压v2的频率是低频电压v1的频率的两倍，且低频电压v1的频率f1与压电振子1横向振动的频率f1相同，高频频电压v2的频率f2与压电振子1纵向振动的频率f2相同；压电振子1在交流激励电压v的激励下达到共振状态，此时驱动足1-4沿管道轴向振动的频率是其沿管道径向振动频率的二倍；根据叠加原理，调整交流激励电压v中高频电压v2和低频电压v1之间的初始相位差，可以在四个驱动足1-4处获得运动方向相同的正8字形(即与数字8书写顺序相同)或者反8字形(即与数字8书写顺序相反)振动轨迹，进而使驱动足1-4共同推动压电振子1实现沿管道2轴线向前或向后的直线运动。
本发明提出的基于压电振子的管道机器人及其激励方法能只需要一路激励信号就能使压电振子沿管道轴向的双向直线运动，而具有结构简单、易于小型化、抗电磁干扰能力强、定位精度高、可靠性高等突出优点，适于实现商业化应用。
以上对本发明所提出的一种基于压电振子的管道机器人及其激励方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。