基于钹形压电复合驱动的微小管内机器人技术研究

论文题目: 基于钹形压电复合驱动的微小管内机器人技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 郭彤

导师: 柯映林,李江雄

关键词: 微小管内机器人,检测,压电陶瓷,钹形,定位,几何重建

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 空间曲线型微细管路在航空、航天、船舶、汽车及核工业领域发挥着重要作用，然而对其内部的结构检测及三维重建却一直是制约这些领域发展的技术瓶颈。因此，针对空间曲线型微细管道潜入式无损检测微小管内机器人技术的研究已逐渐成为了技术前沿和研究热点。 论文在综述机器人的发展历史、国内外微小管内机器人的研究状况及其所需要解决关键技术的基础上，针对空间曲线型分布的深细孔和管路内壁质量检测和三维几何模型重建问题，提出了一种基于惯性驱动并具有自主定位功能的钹形压电复合微小管内机器人。 针对这种微小管内机器人技术，文章从该微小管内机器人的爬行驱动系统及爬行定位系统两大方面进行了研究论述： 首先针对微小管内机器人的动力源，设计开发了一种基于压电逆效应的可应用于微小管内机器人动力驱动的钹形压电复合致动器。根据微小管内机器人动力装置的实际应用特点，提出了钹形压电复合致动器的开槽式结构优化方法，建立了开槽式钹形压电复合致动器的理论分析模型。通过理论建模、有限元及实验分析验证了开槽结构优化后，钹形压电复合致动器较无槽钹形压电复合致动器，其输出位移、输出力及能量转化率等特性均有大幅提高。基于这种钹形压电复合致动器，设计制造了基于惯性驱动原理并能满足φ10mm管道爬行的机器人动力装置。针对钹形压电复合动力动力装置的具体结构，建立了该动力装置的时域动力学模型及系统状态空间表达，并通过模态分析及计算机动力学仿真分析，论述了该系统的运动机理。根据对该钹形压电复合动力装置进行运动速度、负载能力及管道适应性等方面进行实验，说明了该动力装置具有良好的动力性能。 为了满足微小管内机器人进行φ10mm管道爬行定位的要求，研制了一种仿尺蠖式爬行的微小管内机器人爬行轴向定位系统。该系统基于钹形压电复合动力装置响应速度快的特点，采用机械碰撞接触式运动机构的定长碰撞解决了仿尺蠖爬行式微小管内机器人轴向的全程定位问题。通过碰撞理论及实验分析证明了该定位机构的接触碰撞属有利碰撞，有利于提高距离定位测量的精度。然而，尽管该系统具有结构简捷紧凑并巧妙结合驱动器运动进行相对位移检测的特点，但实

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 微小管内机器人技术研究综述

1.2.1 轮式微小管内机器人

1.2.2 气囊驱动式微小管内机器人

1.2.3 压电驱动式微小管内机器人

1.2.4 超磁致伸缩驱动式微小管内机器人

1.2.5 记忆合金驱动式微小管内机器人

1.2.6 电磁驱动式微小管内机器人

1.3 微小管内机器人研究中存在的问题及发展趋势

1.3.1 存在的问题

1.3.2 发展趋势

1.4 论文研究的意义、目标及内容安排

1.4.1 论文研究的意义及目标

1.4.2 论文研究内容及章节安排

1.5 本章小结

第二章 微小管内机器人钹形压电复合致动器设计及结构优化

2.1 引言

2.2 钹形压电复合致动器的结构设计、制作及优化

2.2.1 钹形压电复合致动器结构设计

2.2.2 钹形压电复合致动器制作工艺

2.2.3 钹形压电复合致动器结构开槽优化

2.3 槽钹形压电复合致动器的理论建模及有限元分析

2.3.1 槽钹形压电复合片力学分析及理论建模

2.3.2 槽钹形压电复合片模型计算及有限元分析

2.4 钹形压电复合致动器性能实验

2.4.1 钹形压电复合致动器静态位移实验

2.4.2 钹形压电复合致动器刚度实验

2.5 本章小结

第三章 钹形压电复合动力装置设计与分析

3.1 基于惯性驱动管内机器人动力装置设计及制作

3.2 基于惯性驱动钹形压电复合动力装置动力学分析

3.2.1 钹形压电复合动力装置的时域模型分析

3.2.2 钹形压电复合动力装置的模态分析

3.3 基于惯性驱动钹形压电复合管内机器人运动仿真分析

3.3.1 钹形压电复合动力装置电压激励信号的选择

3.3.2 钹形压电复合致动器激励及响应分析

3.3.3 钹形压电复合动力装置的运动仿真分析

3.4 钹形压电复合管内机器人动力装置运动特性实验

3.4.1 管内机器人动力装置速度实验

3.4.2 管内机器人动力装置负载实验

3.4.3 管内机器人动力装置管道适应性实验

3.5 本章小结

第四章 微小管内机器人仿尺蠖式运动轴向全程定位

4.1 引言

4.2 仿尺蠖式运动轴向全程定位系统结构设计

4.2.1 管内机器人轴向全程定位系统方案分析

4.2.2 仿尺蠖式轴向全程定位系统整体结构设计

4.2.3 仿尺蠖式轴向全程定位系统运动控制定位机构设计

4.3 仿尺蠖式运动轴向全程定位系统控制电路设计

4.3.1 仿尺蠖式运动系统驱动电路设计

4.3.2 仿尺蠖式运动系统轴向全程定位控制电路设计

4.4 仿尺蠖式运动轴向全程定位系统动力学分析

4.5 仿尺蠖式运动轴向全程定位系统定位精度实验

4.6 本章小结

第五章 基于光学导航原理的微小管内机器人二维定位系统研究

5.1 引言

5.2 光学导航检测原理

5.2.1 光学导航技术

5.2.2 光学导航检测原理及元件

5.2.3 光学导航算法原理

5.3 基于光学导航原理的微小管内机器人定位系统设计

5.3.1 新型光学导航芯片ADNS-2051功能介绍

5.3.2 基于ADNS-2051芯片的微小管内机器人定位系统结构设计

5.3.3 基于ADNS-2051芯片的微小管内机器人定位系统电路设计

5.4 基于光学导航原理微小管内机器人定位系统测量精度实验

5.4.1 基于光学导航微小管内机器人定位系统实验方法

5.4.2 基于光学导航微小管内机器人定位系统测量精度实验

5.5 本章小结

第六章 基于曲线管道微分几何量测量的管道几何重建技术

6.1 引言

6.2 管道轴线弧长测量及曲率测量装置

6.2.1 管道轴线弧长测量装置

6.2.2 管道轴线曲率测量装置

6.3 曲线型管道轴线递推弧长参数化模型

6.3.1 曲线型管道轴线递推弧长参数化方程建立

6.3.2 基于轴线递推弧长参数化的曲线型管道面重建

6.4 管道面几何重建算例及分析

6.4.1 管道几何量的测量

6.4.2 管道面几何重建算例分析

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 研究成果

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文及参加的科研项目

致谢

发布时间: 2006-11-22

参考文献

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