液液混合两相流中内螺旋管道机器人运行性能分析

作为一类重要的无创肠道机器人,目前对螺旋管道机器人的研究都是针对单相液体流,但由于各类流质食物的存在,肠道环境为液液多相流状态。采用计算流体力学(CFD)方法数值,计算内螺旋管道机器人在液液混合两相流中的轴向推进力、流体动压承载量、机器人周向阻力矩和管道内壁所受最大压力等运行性能参数。结果表明:往液体环境管道中加入另一均匀分散的高黏度液体时,随着加入液体体积分数的增大,机器人轴向推进力、流体动压承载量、机器人周向阻力矩和管道内壁所受最大压力均随之增大;当加入的高黏度液体分散不均匀时,随着加入液体体积分数的增大,机器人轴向推进力呈波浪状增大,周向阻力矩也随之增大,但基本都小于高黏度液体均匀分散时的情况。     

液固两相流中内螺旋胶囊机器人运行特性研究

目前国内外对肠道机器人的研究都是针对单相液体流环境,而肠液中实际存在食物残渣,肠道环境应为液固两相混合流体。采用计算流体力学方法计算了在液固两相混合流体中,内螺旋胶囊机器人轴向推进力、周向阻力矩和管道内壁所受最大压力等运行性能指标,并进行了实验验证。结果表明:在液固两相流中,机器人轴向推进力和周向阻力矩基本都随着固相颗粒尺寸和质量分数的增大而减小,而管道内壁所受最大压力随之增大;在液固两相流环境中机器人运行性能指标均低于单相液体流环境。实验证明在液体管道环境中,加入固相颗粒将降低内螺旋胶囊机器人运行性能。     

内外螺旋管道机器人性能分析和结构参数优化

数值比较了内外螺旋机器人、单节外螺旋机器人和双节外螺旋机器人的轴向推进力、管道壁所受最大压力、液体对机器人的承载力和液体对机器人周向阻力矩与其外壳转速的关系,分析了内螺旋转速和外螺旋转速的变化对机器人轴向推进力的影响以及机器人外螺旋槽结构参数(槽口宽a2、 槽底宽b2、倾角α2、螺旋槽槽深h2、螺纹升角Φ2和螺纹线数n2）对机器人轴向推进力的影响, 并运用正交试验优化方法优化了外螺旋槽结构参数组合。结果表明：内外螺旋机器人单位有效体积的推进力和液体对其的承载力最大;外螺旋参数的变化对机器人性能的影响远大于内螺旋参数的变化对机器人性能的影响;机器人外螺旋槽结构参数和机器人轴向推进力成非线性关系。在管道直径和机器人内外径确定的条件下,一组最优的外螺旋槽结构参数组合为：a2=1.25mm,b2=0.75mm,α2=70°,h2=0.8mm,Φ2=30°,n2=10。     

一种四螺旋管道机器人的转向分析

基于提出的一种尾部带4个螺旋体的管道机器人,建立机器人运行时管道内流体的动力学方程,运用计算流体力学方法,数值分析当机器人尾部4个螺旋体螺旋方向左旋和右旋交替,旋转方向顺时针和逆时针交替时,机器人的轴向推进力和周向转矩等机器人性能指标。当该机器人需要转向时,计算设计了机器人尾部4个螺旋体的旋转方向组合。上述研究表明,这类多螺旋管道机器人可以实现任意转向。     

具有轴向和周向探查功能的螺旋驱动管内机器人

提出一种具有轴向和周向探查功能的螺旋驱动管内机器人,该机器人基于采用单台电动机作为驱动源的可变约束机构.在此基础上提出一种摄像机载体平台结构,以使得螺旋驱动机器人能够稳定地观察到其前部的管道环境情况.通过控制电磁铁的状态来改变机器人的动力约束,使机器人交替地工作在驱动模式和探查模式下.在驱动模式下,机器人能驱动自身在管中前进或后退;在探查模式下,机器人可以仔细检查管道内壁缺陷,机器人通过两种状态的交替完成探测任务.该机器人具备轴向和周向的探测能力,能满足管内探查作业机器人化的需要,而且单台电动机的驱动方式降低了机器人系统的成本和运动控制系统的复杂性,试验结果验证了该机器人的移动能力和探测能力.     

医用微型机器人的体内运行实验研究

提出了一种新型的医用微型机器人的驱动机构，设计建造了模拟实验台，它利用螺旋旋转时产生的轴向牵引力推进机器人在人体内腔中运行，现时利用螺旋旋转时产生的动压效应建立起动压润滑粘液膜，使机器人在体内运行时不与内腔壁发生直接接触，避免对人体有机组织的损伤，实验研究结果表明：此种医用微型机器人在管内运行时可以形成足够厚的粘液膜把机器人与管壁隔开，实现以较快速度的悬浮运行。     

一种四螺旋管道机器人的运行特性

基于提出的一种尾部带四个螺旋体的管道机器人,建立机器人运行时管道内流体的动力学方程,运用计算流体力学方法,数值分析得到当机器人尾部四个螺旋体螺旋方向交替变化,并且不同旋向的螺旋体转向也不同时,四个螺旋体将形成一致的轴向力和平衡的径向力,使得机器人平衡轴向前进;当机器人尾部四个螺旋体螺旋方向和旋转方向都相同时,四个螺旋体将形成一致的轴向力和一定的周向转矩,使得机器人旋转轴向前进。上述研究表明,该类多螺旋机器人适用于人体内腔等管道完成检查和疏通等功能。     

多节式螺旋双驱动可变径管道机器人设计及其运动分析

为了提高驱动能力和管道通过性,增大变径范围,创新性地设计了一种基于螺旋驱动原理的多节式螺旋双驱动可变径管道机器人结构,以方便实现直径为250～300 mm的管道的探查功能。该机器人由2个螺旋驱动单元和1个中间支撑单元构成,通过刚柔混合变径机构来适应具有50 mm直径变化的管道。在机械系统详细设计及驱动电机初步选型的基础上,着重分析了机器人通过垂直管道的动力学问题,并通过建立虚拟样机模型,对理论分析结果及电机驱动力矩进行了验证。结果表明,该机器人具有优良的管道通过性,为同类型管道机器人的研发提供了技术支持。     

新型肠道机器人螺旋槽优化研究

提出了一种结构简单的新型肠道机器人的驱动机构,并建立了肠道机器人在人体肠道中运行的数学模型.采用有限差分法分析了肠道机器人螺旋槽参数对机器人动压粘液膜承载量、轴向摩擦牵引力和周向摩擦阻力的影响,从而获得了一组相对最优化的螺旋槽参数.     

基于并联机构的双重驱动管道机器人设计与研究

并联机构具有结构简单、承载能力强等优点,因此基于新型3-UPU并联机构,设计了一种针对中型管道的双重驱动管道机器人。该机器人采用并联机构作为支撑驱动机构来实现支撑运动模式,包括转弯运动及在非圆柱形管道中行走。同时该并联机构具有连续转动能力,保证了机器人转弯运动的平稳性。采用四叶螺旋作为机器人的螺旋驱动机构,实现螺旋运动模式,提高机器人的运行速度。设计了一种联接变角单元,可实现两种运动模式之间的转换,并通过调整螺旋角来改变机器人螺旋运动时的速度。该管道机器人结构紧凑、速度快、运行平稳,可以在人所不能触及的管道内部进行检测和日常维护。     

新型肠道机器人动力学建模和参数优化研究

针对人体肠道粘液为非牛顿流体的特点,推导了非牛顿流体的变形雷诺方程,建立了肠道机器人在人体肠道中运动的数学模型。采用有限差分法分析了肠道机器人螺旋槽参数对机器人动压粘液膜承载量、轴向摩擦牵引力和周向摩擦阻力的影响,从而获得了一组相对最优的机器人螺旋槽参数,使得肠道机器人可获得较大的动压粘液膜承载量和轴向摩擦牵引力,同时减小了其周向摩擦阻力。     

基于冗余关节机器人的插接管道焊缝扫查系统设计

针对相贯线焊缝难以检测的问题,提出了一种新型的管道插接相贯线焊缝扫查机器人系统,通过管道夹紧装置使得机器人可附着于支管上作360°圆周运动,特别是通过冗余关节的设计实现了机器人末端探测器要求的空间相贯线扫查轨迹.该系统可实现两种管道扫查方式:一种是沿不同的扫查半径做360°周向扫查;另一种方式是沿径向呈"Z"字形进行扫查.可实现支管直径为100～400mm,被扫管道直径为600～1000mm范围内的相贯线焊缝扫查.系统设计分析和控制运行结果表明:扫查的周向步进精度≤0.2mm/m,径向步进精度≤0.5mm/m,轴向步进精度≤1mm/mm.     

透平膨胀机动压气体止推轴承的试验研究

将自行设计的复合式螺旋槽动压止推轴承应用在高速透平膨胀机上，对其在动压下的振动特性进行了试验研究。试验结果表明：在高速透平膨胀机上采用复合式动压螺旋槽止推轴承，转子运行平稳、振动特性良好，轴承与系统体现出较好的配合性能；一定压力下的辅助供气是全动气体止推轴承具有良好的起停性能的重要保证，对于透平膨胀机采用的全动压气体止推轴承，供气压力在0．1-0．2MPa之间。止推轴承的径向承载力不够是最终失稳的主要原因，可通过提高轴承的设计承载能力和合理选择叶轮及工作轮参数将轴向力控制在很小的范围内来提高轴承稳定性。     

运行环境特性对螺旋内窥镜机器人性能的影响

在研究双圆柱螺旋内窥镜机器人的基础上，本文提出了单圆柱螺旋内窥镜机器人设计方案。建立了螺旋内窥镜机器人非线性仿真分析模型。利用该模型，分析研究环境管壁弹性模量、管道直径、环境黏液黏度对机器人轴向牵引力以及形成的最小黏液膜厚度的影响。实验研究了环境管道几何特性对机器人平均运动速度的影响，为螺旋驱动器在血管机器人中的应用提供了重要的基础数据。     

利用复合激励的无盲点管道裂纹漏磁检测新方法

管道是石油和天然气工业的重要组成部分,而轴向裂纹是管道安全运营的重要隐患。传统的漏磁检测技术(MFL)对管道中轴向裂纹的检测灵敏度不高,从而形成检测盲区。本文提出了一种利用复合激励的MFL检测新方法,可实现对轴向和周向缺陷的同步检测。首先,利用U型磁轭对管壁进行交直流复合磁化;直流磁化场直接作用于周向裂纹并形成有效的MFL检测信号,而交流磁化场则在管壁内形成垂直于磁化方向的均匀涡流场;当该涡流场受到轴向裂纹干扰时,将形成二次感生磁场的扰动,因此,新方法通过对管壁表面的漏磁场及二次感生磁场检测,同时获得周向和轴向两个方向的探测能力;最后开展仿真和实验,并分析了新方法中作用于轴向和周向裂纹的磁化场、涡流场和二次感生磁场的分布。结果表明,新方法只需通过一次扫描,即可以获得缺陷的轴向和周向特征,实现了对裂纹的无盲点检测。     

一种斜推式爬墙机器人的分析与设计

为解决爬墙机器人载重小、效率低等问题,提出了一种利用涵道风扇的斜推力使机器人吸附在墙面的爬墙原理,并制作了一款样机验证原理的可行性。这种爬墙机器人的风扇推力与墙面之间有一个夹角,将推力分解成沿墙面竖直向上的分力和垂直于墙面的附着力。机器人依靠风扇向上的分力和因附着力产生的摩擦力的合力而停附在墙面。通过实验,机器人停附在墙面上所需推力小于自身重力,推力的利用率高。     

管道机器人适应不同管径的三种调节机构的比较

为了使管道机器人能够适应管径为400～650mm的管道,介绍了3种适应不同管径的常用调节机构.分析了每种调节机构的力学特性,给出了计算结果,比较研究了各种调节机构的优缺点.针对工程需要,选用了滚珠丝杠螺母副调节机构,滚珠丝杠上的筒式压力传感器保证驱动轮和管道内壁间的压力始终处于稳定的范围,使管道机器人具有充裕并且稳定的牵引力,牵引力的实验表明该调节机构具有1404N的牵引力输出.该调节机构能很好地适应管径为400～650mm的管道.     

肠道胶囊式微机器人轴向磁拉力特性

提出一种以径向磁化的瓦状多磁极组成的圆筒式永磁体为外驱动器，以嵌入机器人本体内与外驱动器同磁极结构的永磁体为内驱动器的非接触式驱动控制方案。通过外驱动器的旋转产生旋转磁场，借助于磁机耦合作用，驱动机器人旋转并在其外螺纹表面形成的流体动压力作用下产生轴向推力，进而实现胶囊式机器人在肠道内旋进。基于等效磁荷理论，采用磁荷积分法建立了驱动器的轴向磁拉力模型，对驱动器磁极结构参数与磁拉力的关系特性以及磁拉力与机器人游动关系特性进行了理论与试验研究。     

一种新型血管机器人的研究

提出了一种新型血管螺旋式微型机器人。该机器人利用其机体的内外螺旋槽,通过在液体环境中高速旋转实现悬浮式运行。在模拟人体主动脉的脉动流场下,数值计算了螺旋机器人以20mm/s速度运行时的机器人轴向驱动力和血管壁所受压力,并分析了血液参数对机器人轴向驱动力和血管壁所受压力的影响。结果表明：随着血液密度和黏度的增大,机器人轴向驱动力和血管壁所受最大压力都随之增大。实验验证了所提出的机器人可在脉动流环境中做顺向和逆向前进。