一种用于管道检测与清理的软体微型机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种用于管道检测与清理的软体微型机器人，主要包括清理模块和摆动模块。清理模块包括螺旋钻头，滑槽，微型马达，悬臂支架，万向摆块，导杆，鳍状外壳等。摆动模块组成包括永久磁铁，通电线圈，堵头，万向节，旋转电机，压力传感器等。本发明专利技术所设计的检测机器人能够在狭小的环境下进行精确的检测，采用了在机器人外壳的鳍状结构里安装清理模块的方式，不仅简化了装置，大大降低了机械结构的复杂性，此外外壳采用鳍状结构可以很好的使机器人在管道内不至于快速旋转。本发明专利技术具有体积小，检测范围大，结构简单，耗能低，响应快的优点。适用于毫米及以上管道的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种用于管道检测与清理的软体微型机器人
本专利技术涉及一种用于管道检测与清理的软体微型机器人
技术介绍
微型机器人、微型马达、微型机器近年来受到各国的极大关注。微型机器人在管道检测、新药研究开发、基因编辑等各种方面有着非常大的应用潜力。随着国家经济的飞速发展，在各种工厂和城市里面，管道使用范围非常的广泛，同时对管道的各项指标要求也随之提高，但是在长期使用的过程中，管道难免会出现裂纹、漏孔等故障，因此必须要定期对管道进行排查和养护。但是由于管道输送物质的不同，所以对管道的直径以及制造工艺就有着很大的差异，就需要我们精确的找到管道损坏的位置，避免因为寻找管道的损坏位置而对管道的损坏。除此之外因为一部分管道内部可能含有有毒气体，所以不便进行人为的定期检修。因此，采用管道检测机器人来代替人工进行定期的检修就变得很必要，但是，以往很多管道检测机器人的设计和系统还需要得到完善。本设计首先通过分析比较现有的管道检测机器人的驱动方案，结合实际条件拟定了电机驱动带动螺旋桨的驱动方式，然后通过现有资料设计计算出螺旋桨的参数，拟定了电机驱动螺旋桨这样的一种前进方式。然后通过设计方案中的各项约束条件，选定了电机的型号。本专利技术的创新点在于设计出了一种新型的摆头结构和清理模块，其通过电磁力推动来实现头部摄像结构的摆动，扩大了机器人检测的视野。
技术实现思路
本专利技术提供一种体积小，探测范围大，响应快的一种用于管道检测与清理的软体微型机器人。能够实现对管道内部的全方位检测。为实现上述目的，本专利技术采用如下方案：一种用于管道检测与清理的软体微型机器人，其包括清理模块和摆动模块。清理模块包括螺旋钻头306，滑槽303，微型马达305，悬臂支架202，万向摆块304，导杆301，鳍状外壳302等，其特征在于能实时对管道内的堵塞物进行清理。摆动模块包括永久磁铁406，通电线圈403，堵头402，万向节404，旋转电机405，压力传感器等，其特征在于利用了磁场力推动头部进行摆动以扩大视野。此装置各部件材料均采用软体材料。进一步，作为优选：所述摆动部分其柔性摆头下表面安装有万向节，靠通电线圈的作用使机器人头部进行摆动。当对线圈通以正方向的电流时，万向节在通电线圈的作用下带动头部向Y轴正方向进行摆动。当对线圈通以反方向的电流时，万向节将带动头部向Y轴负方向进行摆动。再通过控制下部旋转电机旋转角度的大小从而使该机器人实现向全方位的运动。旋转电机的上部安装有堵头，在堵头的上表面及摆头的下表面安装有压力传感器，当压力达到一定值时，会自动降低电流，避免通电线圈产生塑性变形。在摆动模块的上部安装有摄像头401和供能电池407，摆头的外壳采用囊状结构101进行封闭。其旋转电机的两侧分别安装有保持架201，在通电线圈的下部装有永久磁铁。进一步，作为优选：所述的清理部分滑槽安装在机器人外壳的鳍状结构里，每个鳍状结构之间相隔90°。导杆两端分别置有一个万向摆块，两端的万向摆块分别与微型马达和滑槽进行连接，通过控制其向不同方向的摆动，使螺旋钻头能够对不同的位置进行清理。当检测到堵塞时，外壳上的鳍状结构将在悬臂支架的支撑下向外展开，滑槽在鳍状结构的带动下将一同被推出，在中央微处理器的控制下对堵塞物进行清理。当机器人进行工作时，其工作步骤如下：第一步，机器人在螺旋桨103的驱动下向前推进，螺旋桨与机器人采用联轴器102进行连接，当前进到管道的拐角处时，中央微处理器会对拐角进行分析，控制摆头摆动的角度以及旋转电机旋转的角度，再通过螺旋桨向前推进从而使机器人能够顺利通过拐角。第二步，通过中央微处理器的输入输出端口直接采集图像信息，中央微处理器对通电线圈电流大小和方向以及摆动模块下方旋转电机旋转角度的实时控制，能够使摆头带动图像采集模块对管道内部进行全方位检测。第三步，当图像采集模块检测到管道内部出现堵塞时，上位机会根据对采集出来的图像进行分析，向下位机输入相应的执行指令。第四步，当下位机接收到上位机发出的执行指令时，通过中央微处理器对清理模块进行控制，使鳍状结构在悬臂支架的作用下向外展开，然后螺旋钻头在滑槽的作用下向前推出，通过导杆和万向摆块的作用，使螺旋钻头能够完成对不同位置处堵塞物的清理。附图说明图1是本专利技术的一种用于管道检测与清理的软体微型机器人结构示意图；图2是鳍状结构带动清理模块向外展开的结构示意图；图3是清理模块的结构示意图；图4是摆动模块的结构示意图；图5是机器人工作流程图；图6是摆动模块摆动角度公式推算原理图；其中，囊状结构101、联轴器102、螺旋桨103、保持架201、悬臂支架202、导杆301、鳍状外壳302、滑槽303、万向摆块304、微型马达305、螺旋钻头306、摄像头401、堵头402、通电线圈403、万向节404、旋转电机405、永久磁铁406、供能电池407。具体实施方式本专利技术主要包括清理模块和摆动模块。清理模块包括螺旋钻头306，滑槽303，微型马达305，悬臂支架202，万向摆块304，导杆301，鳍状外壳302等，其特征在于能实时对管道内的堵塞物进行清理。摆动模块包括永久磁铁406，通电线圈403，堵头402，万向节404，旋转电机405，压力传感器等，其特征在于利用了磁场力推动头部进行摆动以扩大视野。此装置各部件材料均采用软体材料。第一步，机器人在螺旋桨103的驱动下向前推进，螺旋桨与机器人采用联轴器102进行连接，当前进到管道的拐角处时，中央微处理器会对拐角进行分析，控制摆头摆动的角度以及旋转电机旋转的角度，再通过螺旋桨向前推进从而使机器人能够顺利通过拐角。当线圈通以正向电流在永久磁铁的作用下，带动头部向Y轴方向进行偏转，由此可以利用几何关系求得摆动模块的最大偏转角。利用勾股定理可得摆头旋转点与万向节作用点之间的距离为由于堵头的上表面与摆头的旋转点在同一水平面上。摆头在通电线圈的作用下将被向下拉动，当摆头与堵头接触时，摆头便不能再被向下拉动，此时万向节在摆头上的作用点在Z轴方向上的最大相对位移为a，所以根据三角函数可得将求得L带入便可求得最大偏转角为其中：a为摆头旋转点与摆头下表面之间的垂直距离，b为摆头旋转点与万向节在摆头的下表面作用点之间的水平距离。其次，本专利技术设计的摆头机构最重要的是带动其头部进行摆动的磁场力要远大于其头部运动时所受的阻力，需要设计出合适的线圈匝数和电源电压，其线圈在轴向产生的磁场为：其中:u0为真空磁导率,R为线圈的平均半径,X为该点到线圈圆心的距离,N为线圈匝数,I为通过线圈的电流。通过对线圈产生磁场的计算，结合摆头能够偏转的最大角度为θ，便可计算出通电线圈所用的匝数和电源电压值。第二步，通过中央微处理器的输入输出端口直接采集图像信息，中央微处理器对通电线圈电流大小和方向以及摆动模块下方旋转电机旋转角度的实时控制，能够使摆头带动图像采集模块对管道内部进行全方位检测。...

【技术保护点】
1.一种用于管道检测与清理的软体微型机器人，其特征在于：包括清理模块和摆动模块。清理模块包括螺旋钻头，滑槽，微型马达，悬臂支架，万向摆块，导杆，鳍状外壳等，能实时对管道内的堵塞物进行清理。摆动模块包括永久磁铁，通电线圈，堵头，万向节，旋转电机，压力传感器等，利用了磁场力推动头部进行摆动以扩大视野。本专利技术采用微型直流电机进行驱动，位移控制精度高，机械结构简单。通过对摆动模块的实时控制，能够实现在管道中进行全方位的检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于管道检测与清理的软体微型机器人，其特征在于：包括清理模块和摆动模块。清理模块包括螺旋钻头，滑槽，微型马达，悬臂支架，万向摆块，导杆，鳍状外壳等，能实时对管道内的堵塞物进行清理。摆动模块包括永久磁铁，通电线圈，堵头，万向节，旋转电机，压力传感器等，利用了磁场力推动头部进行摆动以扩大视野。本发明采用微型直流电机进行驱动，位移控制精度高，机械结构简单。通过对摆动模块的实时控制，能够实现在管道中进行全方位的检测。


2.根据权利要求1所述的一种用于管道检测与清理的软体微型机器人的摆动模块，其特征在于：永久磁铁安装在旋转电机的上表面，其上表面为S极，下表面为N极。通电线圈与万向节连接，当线圈通以不同方向的电流时其与永久磁铁之间产生力的作用进行伸缩，万向节在线圈的作用下从而带动头部向不同方向进行摆动，扩大其探测视野，其旋转电机的上部安装堵头，在堵头的上表面及摆头的下表面分别安装压力传器。其摆头的最大摆动角度θ为：



其中：a为摆头旋转点与摆头下表面之间的垂直距离，b为摆头旋转点与万向节在摆头的下表面作用点之间的水平距离。


3.根据权利要求1所述的一种用于管道检测与清理的软体微型机器人的清理模块，其特征在于：所述的清理部分滑槽安装在机器人外壳的鳍状结构里，每个鳍状结构之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，李云鹏，王俊尧，佘进波，孙功臣，孙琪，陈星宇，王锐，郎天鸿，崔博文，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22