形狀記憶合金驅(qū)動的微型管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索

林桂竹

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

形狀記憶合金驅(qū)動的微型管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索

林桂竹

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

形狀記憶合金合成的微型管道機(jī)器人具有容易加工、重量較輕和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，可以在各種災(zāi)害事故中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。本文主要從設(shè)計(jì)要求、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動原理以及運(yùn)動可行性四個方面探討了形狀記憶合金驅(qū)動的微型管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

形狀記憶合金；微型管道；機(jī)器人

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)被廣泛運(yùn)用在各個領(lǐng)域，尤其是形狀記憶合金材料，在能源、電子、機(jī)械以及醫(yī)療等方面都得到廣泛的運(yùn)用，極大地方便了人們的生活。我們在研究形狀記憶合金材料時，發(fā)現(xiàn)這種材料在低溫和高溫時，形狀都會發(fā)生一定的變化，具備帶動物體做功的特性。因此，進(jìn)一步研究形狀記憶合金驅(qū)動的微型管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對擴(kuò)展微型管道機(jī)器人的整體性能有著極其重要的意義。

1 形狀記憶合金驅(qū)動的微型管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求

一般來說，在研究微型管道機(jī)器人時，我們將形狀記憶合金作為驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主要材料，讓機(jī)器人能夠從各種材料類型制成的50—80mm管道中順利通過，并且還能順利通過各種各樣的彎道，比如T型、U型等管道。因此，對于設(shè)計(jì)人員來說，在設(shè)計(jì)微型管道機(jī)器人時，設(shè)計(jì)要求需要注意：一是空間角度。一定要充分考慮到微型管道機(jī)器人的使用性能以及各種管道的空間姿態(tài)，微型機(jī)器人在管道中移動時，由于自身重力的原因，會受到管道空間中各種不確定因素的影響，所以空間角度的控制尤為重要。二是機(jī)器人重量。由于管道內(nèi)空間有限，所以要想微型管道機(jī)器人在管道中可以靈活改變方向和爬行速度，就一定要控制好微型管道機(jī)器人的自身重量。研究中表明，通常機(jī)器人的重量應(yīng)該控制在2 kg以下，只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)微型管道機(jī)器人的靈活性和應(yīng)變性。三是配件的合理使用。我們在設(shè)計(jì)微型管道機(jī)器人時，雖然將形狀記憶合金作為驅(qū)動的主要材料，但還是需要用到各種各樣的配件。所以，在設(shè)計(jì)的過程中，一定要將設(shè)計(jì)工作的實(shí)際需求作為基本出發(fā)點(diǎn)，對微型管道機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行全面的了解和分析。通過CAD將各種需要的零配件畫成工程圖，選擇最佳加工方案和工藝技術(shù)，對各種零配件進(jìn)行合理的統(tǒng)籌規(guī)劃。只有這樣，才能在確保微型管道機(jī)器人設(shè)計(jì)工作順利有序進(jìn)行的同時，降低開發(fā)研究的成本。

2 形狀記憶合金驅(qū)動的微型管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常我們在設(shè)計(jì)微型管道機(jī)器人時，需要用到的零部件主要有上端蓋、螺釘、軸承、形狀記憶合金彈簧、箱體下蓋、摩擦彈簧片、re電機(jī)、連卷軸以及固定板等。在這些零部件當(dāng)中，形狀記憶合金彈簧發(fā)揮著極其重要的作用。在設(shè)計(jì)的過程中，通過電流的加熱性能，可以對形狀記憶合金彈簧的長度進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的自由調(diào)節(jié)。同時，re電機(jī)為微型管道機(jī)器人的整體服務(wù)，設(shè)置相應(yīng)的減速器，可以對機(jī)器人的運(yùn)動速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般來說，在設(shè)計(jì)微型管道機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)時，一定要全面了解各個零部件的具體性能，并且協(xié)調(diào)好各個零部件之間的關(guān)系。只有這樣，才能確保形狀記憶合金微型管道機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的順利有序開展。

3 微型管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動原理

形狀記憶合金材料在高溫和低溫的情況下形狀都會發(fā)生變化，下面就針對低溫狀態(tài)，對微型管道機(jī)器人的運(yùn)動原理進(jìn)行闡述，一是位于上端的電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時呈順利時針方向，帶動皮卷發(fā)生卷曲，對位于上端蓋的形狀記憶合金彈簧進(jìn)行壓縮。摩擦彈簧片在外力的作用下會發(fā)生變形，并接觸管道的內(nèi)壁，二者在相互擠壓下，會產(chǎn)生一定的摩擦力，從而達(dá)到在管道上固定機(jī)器人上體的目的。二是通過電流加熱形狀記憶合金彈簧，讓其形狀發(fā)生改變，與高溫狀態(tài)保持一致。由于形狀記憶合金彈簧會發(fā)生一定的收縮，這樣一來，就起到了帶動機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。三是形狀記憶合金材料在整個過程中受到外力的作用會一直發(fā)生形變，當(dāng)形變值達(dá)到最高之后，呈順時針方向運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，會在管道上固定機(jī)器人的下體。在運(yùn)動原理上，基本與上體一致。四是當(dāng)機(jī)器人上端的電機(jī)呈現(xiàn)逆時針方向運(yùn)轉(zhuǎn)時，管道內(nèi)壁會和摩擦彈簧片分開。由于形狀記憶合金材料在加熱的過程中，彈性值會變大，這樣一來，就可以帶動機(jī)器人進(jìn)行向上運(yùn)動。五是一段時間過后，形狀記憶合金彈簧受冷開始降溫，其形狀保持在低溫狀態(tài)，按照這一原理重復(fù)，就可以實(shí)現(xiàn)微型管道機(jī)器人的運(yùn)動。由于形狀記憶合金材料的自身特性，在對微型管道機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時，一定要充分考慮到形狀記憶合金彈簧的重要性，尤其是在高溫和低溫環(huán)境下的形狀。只有這樣，才能充分發(fā)揮驅(qū)動作用，從而實(shí)現(xiàn)微型管道機(jī)器人的靈活性和方向性。

4 微型管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)動可行性

一般來說，由于微型機(jī)器人的運(yùn)動地點(diǎn)是在管道中，而管道又存在諸多的彎道，所以機(jī)械人怎樣通過彎道，是當(dāng)前急需解決的一個問題。通常形狀記憶合金彈簧載荷的最小值為8N，而微型管道機(jī)器人自身的重量控制在2 kg以下。通過計(jì)算表明，在形狀記憶合金的彈力為最小值時，微型管道機(jī)器人可以很好地克服管壁的重力和摩擦力。這樣一來，在管道中爬行的機(jī)器人，就算遇到彎道，也可以順利地通過。比如，微型管道機(jī)器人在通過T型彎道時，可以采用加大形狀記憶合金彈簧電流的方式，讓形狀記憶合金彈簧發(fā)生變形，并且縮短長度，這樣，就可以產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，從而確保微型管道機(jī)器人可以順利地通過T型管道。

綜上所述，對于相關(guān)人員而言，在研究形狀記憶合金驅(qū)動的微型管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，一定要全面了解和掌握形狀記憶合金這種材料的屬性和基本特征。在設(shè)計(jì)的過程中，一定要做好圖紙規(guī)劃，選擇合適的加工工藝，對各種零配件進(jìn)行合理地調(diào)配和使用，并且認(rèn)真做好計(jì)算工作。

[1]賈寶賢.劉永紅.吳志堅(jiān).形狀記憶合金螺旋彈簧的設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，1999（4）.

TB552

A

1671-0037（2014）08-108-1

林桂竹（1979.6-），女，本科，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。