基于钹形压电复合驱动的微小管内机器人技术研究

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φlOmm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，但实际应用中爬行步距很难做到非常小以大幅提高管道位移检测分辨率。因此，文章在第五张补充研究了一种基于光学导航原理的二维光学定位方法。针对微小管内机器人管道三维重建精度及环向偏转问题，提出了一种基于光学导航技术，能够实现二维位置检测的光学定位系统设计理论和方法。文中阐述了基于光学导航技术的测量原理及相关算法，应用ADNS-2051光学传感芯片，研制开发出适合内径 12．5mm的管道的微小管内机器人二维光学定位系统，并对该系统进行了标定及测量精度实验。文章最后针对微细三维曲线型管道几何重建问题，提出了一种带有自偏转补偿的管道轴线弧长参数化递推重建算法，依据微小管内机器人光学定位系统的运动二维轨迹测量数据及光电曲率测量装置的轴线主法矢及主曲率半径测量数据，建立了具有自偏转补偿的三维曲线型管道轴线递推弧长参数化模型，并通过实际算例分析了该算法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

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

第三章钹形压电复合动力装置设计与分析

第四章微小管内机器人仿尺蠖式运动轴向全程定位

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

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

第七章结论与展望

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