ВНУТРИТРУБНЫЙ УПРУГИЙ МИКРОРОБОТ С УПРАВЛЯЕМОЙ ПЬЕЗОАКТЮАТОРОМ ФОРМОЙ
IN-TUBE ELASTIC MICROROBOT WITH CONTROLLED SHAPE BY PIEZO ACTUATOR

Изобретение относится к робототехнике, а именно к мобильным миниатюрным роботам, предназначенным для осуществления работ в трубчатых каналах различных типов.
Известен миниатюрный мобильный вибрационный робот с пьезоактюатором для движения в тонкой трубке. Мобильный робот содержит пьезоэлектрическую структуру биморфного типа, созданный путем присоединения двух пьезоэлектрических элементов, и четыре упругих гребня. Биморфная структура вибрацией создает изгиб в соответствии с прикладываемым напряжением переменного тока, и концы упругих гребней вибрируют вдоль внутренних стенок трубки. Динамическое трение при перемещении робота в горизонтальной трубке в левом направлении меньше трения в противоположном направлении. (Shin-ichi Aoshima, Takeshi Tsujimura, Tetsuro Yabuto A miniature mobile robot using piezo vibration for mobility in a thin tube // Journal of dynamic systems measurement and control // Vol. 115. P. 270-278). Недостатками такого устройства являются малая точность, невозможность реверсивного движения и высокое трение о внутренние поверхности трубки.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является ползающий робот с вибрационным актюатором (патент США №8294333 В2, МПК H01L 41/08, опубл. 23.10.2008), перемещающийся внутри трубки или вдоль поверхности, использующий множество гибких волокон, закрепленных на корпусе устройства. Наружная поверхность волокон имеет коэффициент анизотропного трения с поверхностью, вдоль которой устройство должно перемещаться, а волокна тянутся от корпуса устройства таким образом, что по меньшей мере некоторая часть длины волокон находится в контакте со стенками. Актюатор используется для вибрации устройства, таким образом, что оно движется вниз вдоль канала. Актюатором может быть устройство внутреннее или внешнее. Недостатками такого устройства является значительные массогабаритные характеристики и высокое анизотропное трение.
Техническая задача предлагаемого в качестве изобретения технического решения состоит в уменьшении массогабаритных показателей и расширении функциональных возможностей.
Технический эффект, возникающий при решении поставленной технической задачи, заключающийся в осуществлении диагностики трубчатых каналов различного поперечного сечения, обеспечении реверсивного движения в них и быстрой адресной доставке различных средств специального назначения в автономном режиме, достигается тем, что в известном внутритрубном упругом микророботе для создания движущих его сил реализовано управление формой изгиба микроробота в трубном канале переменной кривизны. Впервые такой возможный принцип создания силы тяги за счет внутренних сил живых организмов (ужей, рыб) для движения в твердом канале и жидкости был сформулирован М.А. Лаврентьевым и М.М. Лаврентьевым (Об одном принципе создания тяговой силы для движения // Прикл. мех. и техн. физика. 1962. №4 с. 3-9//), а на модели упругого стержня В.Ф. Журавлевым построено оптимальное управление формой изгиба змеи с помощью силового воздействия мышц при ее движении в канале синусоидальной формы (Об одной модели механизма движения змеи // Прикл. мат. и мех. 2002. т. 66. вып. 4 с. 534-538//). В предлагаемом устройстве управление формой внутритрубного робота осуществляется с помощью встроенного пьезоактюатора.
Указанный выше технический эффект достигается тем, что внутритрубный упругий микроробот, согласно изобретению, выполнен в виде гибкого многоопорного неразрезного стержня, опорами которого служат шарнирно закрепленные ползуны, расположенные симметрично по всей его длине и на концах стержня, имеет встроенный пьезоактюатор, формирующий с помощью блока управления и питания изгибающие моменты, управляющие формой микроробота в зависимости от изменения кривизны трубного канала.
Кроме того, во внутритрубном упругом микророботе с управляемой формой пьезоактюатор выполнен в виде композита биморфного типа: пьезопленка-металл и соответствующие проводящие слои.
Кроме того, во внутритрубном упругом микророботе с управляемой формой пьезоактюатор выполнен в виде композита триморфного типа: пьезопленка-металл-пьезопленка и соответствующие проводящие слои.
Кроме того, движение внутритрубного упругого микроробота с управляемой пьезоактюатором формой, может быть реализовано в трубе малого поперечного размера (менее 20 мм), осевая линия которой является комбинацией двух кривых: линии постоянной кривизны - горизонтальной прямой - и линии с периодически изменяющейся кривизной.
Кроме того, движение внутритрубного упругого микроробота с управляемой пьезоактюатором формой, может быть реализовано в трубе большого поперечного размера (более 100 мм), на внутренней поверхности которой выполнены направляющие специальной формы, являющиеся комбинацией двух кривых: винтовой линии с углом подъема θ - кривая постоянной кривизны - и геодезической кривой с периодически изменяющейся кривизной.
Упругий микроробот представлен на фиг. 1, выполнен в виде гибкого многоопорного неразрезного стержня 1, опорами которого служат шарнирно закрепленные ползуны 2, расположенные симметрично по всей его длине и на концах стержня (Фиг. 1, Фиг. 2).
Кроме того, во внутритрубном упругом микророботе с управляемой формой, пьезоактюатор выполнен в виде слоистой структуры (композита) (Фиг. 3).
Кроме того, во внутритрубном упругом микророботе с управляемой формой, пьезоактюатор выполнен в виде композита биморфного типа (пьезопленка-металл и соответствующие проводящие слои, образующие систему электродов).
Кроме того, во внутритрубном упругом микророботе с управляемой формой, пьезоактюатор выполнен в виде композита триморфного типа (пьезопленка 4, металл 5, пьезопленка 4 и соответствующие проводящие слои 6, образующие систему электродов (Фиг. 3).
На электроды 6 от блока, содержащего систему управления и источник питания (блок СУиП - Фиг. 3), по традиционной схеме подается управляющее электрическое напряжение. При электрическом нагружении пьезоактюатора в соответствии с обратным пьезоэффектом в неразрезном гибком стержне 1 слоистой структуры возникает напряженно-деформированное состояние, соответствующее изгибу под действием эквивалентных изгибающих управляющих моментов H, величина которых пропорциональна напряжению и формируется блоком управления и питания в зависимости от изменения кривизны трубного канала.
Предлагается упругий микроробот с управляемой пьезоактюатором формой для использования в трубных каналах двух типов: малого поперечного и большого поперечного сечений. При этом реверс движения осуществляется изменением знака напряжения, подаваемого на актюатор блоком управления и питания.
На фиг. 1 изображен микроробот при движении в трубчатом канале малого поперечного размера.
На фиг. 2 изображен микроробот при движении в трубчатом канале большого поперечного размера.
Для реализации движения микроробота в канале малого поперечного размера (менее 20 мм) используется трубка 3 (фиг. 1), осевая линия которой является комбинацией двух кривых: линии постоянной кривизны (горизонтальная прямая) и линии с периодически изменяющейся кривизной. Движение микроробота в канале большого поперечного размера (более 100 мм) реализуется в трубе 3 (фиг. 2), на внутренней поверхности которой выполнены направляющие, являющиеся комбинацией двух кривых: винтовой линии с постоянным углом подъема θ и геодезической кривой с периодически изменяющейся кривизной. Положение робота определяется координатой s на скелетной винтовой линии  Трубный канал с направляющими указанного типа может быть выполнен с помощью современных 3D-технологий.