注射模块(小巧精悍燕大、哈工大研发基于压电粘滑驱动的微型管道机器人)

Posted 2023-05-31

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注射模块(小巧精悍燕大、哈工大研发基于压电粘滑驱动的微型管道机器人)

管道作为输送载体，在人类生产生活中发挥着巨大作用。提到管道，你是不是首先会想到下面这些？

大型的工业管道形象，或许已经在我们的脑海中根深蒂固，但除此之外，还有各种小口径管道，如气体管、冷凝管、试管、人体肠道等，它们广泛存在于工业和生物医学领域。

由于受空间狭窄等因素的限制，为了进行检测或执行操作任务，需要管道机器人具有小巧的体积，大负载能力，高精度定位以及可靠的控制。针对这一要求，燕山大学和哈尔滨工业大学团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》期刊上发表了他们的最新研究——基于粘滑运动机制的压电惯性微型管道机器人。

本文将为大家介绍它的结构设计、工作原理、性能测试以及未来的应用前景。

▍受粘滑运动启发，和压电驱动碰撞出不一样的火花

粘滑驱动是以摩擦理论为基础的典型驱动方式，很多小伙伴想不明白，它是如何应用到这个压电驱动的管道机器人上的呢？看完下面这两张图你或许就明白了：

压电叠堆作为驱动源应用于设计的管道机器人，通过锯齿波信号激励，实现伸长和收缩，从而影响柔性连接板变形带动驱动足与管壁相互作用，实现粘滑运动，怎么样，是不是很巧妙呢？

管道机器人驱动部分由两个压电叠堆、一个主体、两个柔性连接板、四个支撑足和两个驱动足构成，为了适应管道内不同任务的需要，在左侧主体上设置了安装孔，孔内可以安装不同的功能模块，非常方便。

▍小巧精致，只有口袋里硬币那么大

所设计的管道机器人，使用的压电叠堆尺寸为20mm×5mm×5mm。样机主体的材料为亚克力板，柔性铰链的材料为7075铝合金，支撑足和驱动足板簧的材料均为黄铜，驱动足与管道的接触点由环氧树脂制作。

样机主体直径φ25mm，长30mm，自身质量仅15g，能够在直径范围为φ25-φ35mm的管道中工作。

后面对设计的管道机器人制作样机并进行性能测试，主要测试指标为 (1)负载能力测试；(2)运动速度及步距测试；(3)爬坡能力测试；以及（4）功能模块测试（本文展示了非接触式悬浮夹持器应用测试），实验结果如下：

▍以小博大——超强的负载能力

管道机器人最初的设计是为了能够在管道内运输材料、携带检测和微操设备。因此，机器人的负载能力是性能指标的重中之重。

本研究设计的微型管道机器人，整体质量仅15g。在120 V和120 Hz的驱动信号下，向前运动的最大负载约为70克，向后运动的最大负载约为60克，最大负载质量是其自身质量的4.6倍，真可谓是身体小，能量大！

▍进退自如——稳而精的双向运动

所设计的管道机器人可在管道内实现双向运动，向前（向后）速度最高可达3.5mm/s(3mm/s)。

驱动信号的电压和频率对其运动速度都有一定的影响，经过测试，其运动最小步距为4μm，可以胜任高精度要求的微小管道内作业。

▍动力十足——胜任大角度变化的工作环境

倾斜管道？当然难不倒它！无负载时，所设计的管道机器人可以在0—70°角度倾斜管道内平稳运行，“翻山越岭”？不在话下！

背上负重背包，依旧不能阻挡它前进的步伐，当管道机器人有负载时，速度比无负载时略有下降，但仍具有稳定的运行状态。

▍本领高强——多种微操模块的研究应用

多种多样的功能模块应用，赋予了管道机器人更多的可能性。设计的管道机器人已经配备了多种功能模块，例如携带微型镜头的内窥镜模块、非接触式悬浮夹持输送模块，以及可以进行细胞破膜和微注射的微注射器模块。

本次实验，以非接触式悬浮夹持模块为例，将其安装到所设计的管道机器人上，携带直径为1mm的微小颗粒在27s内沿管道稳定运输75mm距离。

该试验的成功，展示了所提出的管道机器人在无接触操作的微型管道中的高精度定位和运输方面的研究潜力。

进一步提高运动稳定性和控制精度，开发更丰富的功能模块是未来的主要研究方向。

这项研究的标题为《A piezoelectric inertial robot for operating in small pipelines based on stick-slip mechanism: modelling and experiment》，已被《Frontiers of Mechanical Engineering》期刊录用。

在今后的工作中，研究人员将赋予这种管道机器人更多样的功能，以满足在不同场合的工作需求，模块化的设计，让其能够达到“一机多用”的效果。此外，他们还将进一步开展提高其运动稳定性和控制精度的研究，深入其在生物医学领域的应用。

论文地址：https://doi.org/10.1007/s11465-022-0697-z