林桂竹

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

形狀記憶合金驅動的微型管道機器人機械結構設計探索

林桂竹

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

形狀記憶合金合成的微型管道機器人具有容易加工、重量較輕和結構緊湊的特點，可以在各種災害事故中發(fā)揮至關重要的作用。本文主要從設計要求、總體結構設計、運動原理以及運動可行性四個方面探討了形狀記憶合金驅動的微型管道機器人機械結構的設計。

形狀記憶合金；微型管道；機器人

隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，各種新技術被廣泛運用在各個領域，尤其是形狀記憶合金材料，在能源、電子、機械以及醫(yī)療等方面都得到廣泛的運用，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，進一步研究形狀記憶合金驅動的微型管道機器人機械結構的設計，對擴展微型管道機器人的整體性能有著極其重要的意義。

1 形狀記憶合金驅動的微型管道機器人的設計要求

一般來說，在研究微型管道機器人時，我們將形狀記憶合金作為驅動結構的主要材料，讓機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，對于設計人員來說，在設計微型管道機器人時，設計要求需要注意：一是空間角度。一定要充分考慮到微型管道機器人的使用性能以及各種管道的空間姿態(tài)，微型機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。二是機器人重量。由于管道內(nèi)空間有限，所以要想微型管道機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器人的自身重量。研究中表明，通常機器人的重量應該控制在2 kg以下，只有這樣，才能實現(xiàn)微型管道機器人的靈活性和應變性。三是配件的合理使用。我們在設計微型管道機器人時，雖然將形狀記憶合金作為驅動的主要材料，但還是需要用到各種各樣的配件。所以，在設計的過程中，一定要將設計工作的實際需求作為基本出發(fā)點，對微型管道機器人的特點進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，對各種零配件進行合理的統(tǒng)籌規(guī)劃。只有這樣，才能在確保微型管道機器人設計工作順利有序進行的同時，降低開發(fā)研究的成本。

2 形狀記憶合金驅動的微型管道機器人的總體結構設計

通常我們在設計微型管道機器人時，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、連卷軸以及固定板等。在這些零部件當中，形狀記憶合金彈簧發(fā)揮著極其重要的作用。在設計的過程中，通過電流的加熱性能，可以對形狀記憶合金彈簧的長度進行改變，實現(xiàn)機器人本體結構的自由調節(jié)。同時，re電機為微型管道機器人的整體服務，設置相應的減速器，可以對機器人的運動速度進行調節(jié)。一般來說，在設計微型管道機器人的整體結構時，一定要全面了解各個零部件的具體性能，并且協(xié)調好各個零部件之間的關系。只有這樣，才能確保形狀記憶合金微型管道機器人整體結構設計工作的順利有序開展。

3 微型管道機器人機械結構設計運動原理

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)，對微型管道機器人的運動原理進行闡述，一是位于上端的電機在運轉時呈順利時針方向，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，從而達到在管道上固定機器人上體的目的。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，就起到了帶動機器人運轉的作用。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，當形變值達到最高之后，呈順時針方向運轉的電機，會在管道上固定機器人的下體。在運動原理上，基本與上體一致。四是當機器人上端的電機呈現(xiàn)逆時針方向運轉時，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，就可以帶動機器人進行向上運動。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，就可以實現(xiàn)微型管道機器人的運動。由于形狀記憶合金材料的自身特性，在對微型管道機器人進行設計時，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)揮驅動作用，從而實現(xiàn)微型管道機器人的靈活性和方向性。

4 微型管道機器人機械結構設計的運動可行性

一般來說，由于微型機器人的運動地點是在管道中，而管道又存在諸多的彎道，所以機械人怎樣通過彎道，是當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，而微型管道機器人自身的重量控制在2 kg以下。通過計算表明，在形狀記憶合金的彈力為最小值時，微型管道機器人可以很好地克服管壁的重力和摩擦力。這樣一來，在管道中爬行的機器人，就算遇到彎道，也可以順利地通過。比如，微型管道機器人在通過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)生較大的驅動力，從而確保微型管道機器人可以順利地通過T型管道。

綜上所述，對于相關人員而言，在研究形狀記憶合金驅動的微型管道機器人機械結構設計時，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。在設計的過程中，一定要做好圖紙規(guī)劃，選擇合適的加工工藝，對各種零配件進行合理地調配和使用，并且認真做好計算工作。

[1]賈寶賢.劉永紅.吳志堅.形狀記憶合金螺旋彈簧的設計方法[J].機械設計，1999（4）.

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1671-0037（2014）08-108-1

林桂竹（1979.6-），女，本科，助教，研究方向：機械設計與制造。