微型管道机器人的驱动方式

由于微管道机器人属于MEMS的范畴，因此其行走方式与常规管道机器人不同。常规管道机器人的行走方式主要有轮式、履带式和蠕动式，由于空间的限制和相对控制精度的要求，常规管道机器人按比例缩小是不可行的，这是由于常规管道机器人结构复杂，微型化困难。理论上可按比例缩小实现微型化，但机械传动的间隙受加工精度的影响，若采用传统加工精度制造的微型传动链的累积误差相对微管道机器人的控制精度要求和狭小的作业空间来说是不可忽略的，更不能被系统所接受，解决问题的方法之一是采用超精密加工方法，可是目前采用超精密加工的方法尚不能完全实现复杂的微细加工，有鉴于此，微管道机器人的行走方式应另辟蹊径。

柔性结构管内移动机器人

该机器人由贮氢合金驱动器驱动，贮氢合金驱动器如图1所示，橡胶囊在尼龙套内，并由2端支撑固定，橡胶囊内径3mm，外径5mm，尼龙套用来将充气橡胶囊的变形转化为轴向伸长，容器室内装有贮氢合金用来吸收和释放大量氢气并建立新的压力平衡，设计的装置可吸收氢气高达0.15m^3/kg标准条件下. ，温度从40摄氏度到90摄氏度产生的压力范围在0.1MPa到0.6MPa之间，由于温度与压力呈线性关系，通过电流大小来控制温度便可实现压力控制，不同充气压力的橡胶囊通过尼龙套转化为不同的线性伸长，温度由热敏电阻测量并通过A/D转换输入CPU，CPU输出的模拟信号通过PMW幅宽调制来控制加热器，实现了温度闭环控制。

           图1. 贮氢合金驱动器结构原理图

机器人由2个支撑单元和与之相连的4个行走驱动器构成。支撑单元也各有4个驱动器，其同步伸长时因受固定支架的约束同时产生径向弯曲变形并支撑到管壁上，实现支撑功能，行走驱动器和支撑驱动器相对机器人轴线对称布置，每个驱动器都有独立的驱动装置，机器人的行走方式为蠕动式，行走模式有2种：1.直线行走模式；2.弯管行走模式。转弯时，通过按一定规律分别驱动4个行走驱动器便实现了弯管行走模式。

冲击驱动式微管内移动机器人

该机器人采用压电晶体作微驱动器，压电微驱动器工作原理采用压电材料的逆压电效应，具有体积小，动态响应频率宽，速度快的优点，驱动器的不足是输出位移小，输入与输出具有滞回非线性特征，但利用其动态响应快，力输出大的特点便实现了微管道机器人的冲击式行走。行走原理如图2所示，机器人本体由支撑爪弹性支撑，本体前通过压电晶体单元连接一惯性质量块，缓慢驱动压电晶体单元带动惯性质量伸长一定距离，快速驱动压电晶体单元带动惯性质量返回，由于返回加速度大，惯性质量惯性力大于支撑爪的静摩擦力，结果使本体右移一段距离；反之，慢速返回，快速伸开，便实现了左行。

             图2. 行走原理图

超磁致伸缩（GMM）驱动振动式微管内移动机器人

超磁致伸缩材料（GMM）简介：铁磁材料受外磁场的作用下，沿磁力线方向产生伸缩相对变形的现象称正效应，又称焦耳效应，它是焦耳于1842年发现的，应变可达40×10^-6。60年代又进行了稀土超磁致伸缩材料的研究，使磁致伸缩系数达到10^-3数量级。进而随着单轴晶体的出现，使在小磁场激励下，获得大的超磁致伸缩效应成为可能。当超磁致伸缩材料构成的电-机械能量转换器在磁场激励下，将产生外部位移和力输出，微观来讲是由于磁场-弹性场相互耦合的结果，一般通过对转换器的超磁致伸缩材料预加偏置磁场和予压力，可使位移输出显著增加。

                 图3. 行走机理

人们早就发现振动可以输送物料，并将该原理用于输送机上，该机器人就是利用振动实现行走的。横向GMA驱动微机器人有16个振动腿，在轴向磁场的激励下，GMA轴向输出位移，但数量级很小，因此通过微位移放大装置将GMA输出位移放大到振动腿的顶部，经2级放大后，放大倍数可达14，振动腿压到管壁上并与管壁有一倾角，倾斜的反方向就是微机器人的行走方向，改变振动腿的倾斜方向即实现了机器人的反向行走。

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