(19)中华人民共和国国家知识产权局 ▣装▣ (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN105697927A (43)申请公布日2016.06.22 (21)申请号201610185054.9 (22)申请日2016.03.29 (71)申请人北京交通大学 地址100044北京市海淀区西直门外上园村 3号 (72)发明人龙飞高亚军马勋付国强 (74)专利代理机构北京卫平智业专利代理事务 所（普通合伙）11392 代理人董琪 (51)nt.Cl. F16L55/28(2006.01) F16L10130(2006.01) 权利要求书1页说明书2页附图1页 (54)发明名称 一种基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构 (57）摘要 本发明公开了一种基于IPMC的仿生尺蠖管 道爬行机构，属于机械工程领域，用于在细小弯曲 的管道中爬行检测。发明包括两个嵌位模块和一 个伸缩模块，利用智能材料·IPMC通电后弯曲的 特性作为驱动原理，不使用电机，尺寸小，质量轻， 通过调整IPMC足的倾斜角度可以适应不同的管 径，自身结构可弯曲，能够通过较大曲率的弯道， 可以实现管道内的前进、驻留、后退的运动。 122616990真N0
CN105697927A 权利要求书 1/1页 1.一种基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构，包括IPMC嵌位足(1)嵌位模块基体(2)伸缩 模块基体(3)IPMC伸缩带(4)构成的尺蠖式爬行机构，所述构件构成了两个嵌位运动模块和 一个伸缩运动模块。 2.根据权利要求书1所述的基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构，其特征为：使用智能材 料IPMC为嵌位足，其自然状态下压迫管道内壁保持嵌位，施加电压后径向内弯，脱离管壁。 3.根据权利要求书1所述的基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构，其特征为：采用智能材 料IPMC为伸缩结构，自然状态下平直，施加电压后弯曲，缩短伸缩模块尺寸。 4.根据权利要求书1所述的基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构，其特征为：IPMC伸缩带 与伸缩模块基体以铰链形式连接可以实现一定角度旋转，同时，伸缩模块基体与嵌位模块 基体能够实现同轴心旋转，这样使得整个机构可以通过自身的弯曲变形来适应不同角度不 同方向的弯道。 5.根据权利要求书1所述的基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构，其特征为：调整IPMC嵌 位足相对于嵌位模块的倾斜角度来改变自身初始径向尺寸，从而适应不同管径的管道。 2
CN105697927A 说明书 1/2页 一种基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构 技术领域 [0001] 本发明属于机械工程，具体涉及一种一种基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构 背景技术 [0002]现有在管道内部运动的检测机器人大多是应用于大型油气管道检测之用，体积较 大，不够灵活，对于精密管道的检测是十分不利的。而外部运动的检测机器人对于管道所处 的外部空间环境有相当的要求，并且其运动依靠的是对外管壁挤压所提供的摩擦力，对于 外壁结构复杂或者大型一体机械的空洞检测是十分困难乃至不可能的 [0003]对于采用新型智能材料的管道检查机器人，SMA是通过发热、散热产生形变实现驱 动功能，控制困难，运动周期长：EPA、PZT等电致伸缩材料产生的形变量很小，而且需要很高 的电压：磁致伸缩材料GMM需要外部磁场，控制同样复杂。 [0004]现实应用中的管道大多是蜿蜒曲折的，许多蠕动式小型管道检测机器人大多不具 备柔性转弯能力，转弯依靠的是强硬的与管壁动摩擦脱离，会对管壁和机器人零件造成相 当大的损坏。 发明内容 [0005] 本发明设计了一款不采用电机的尺蠖式管道检查机器人的硬件部分，具体设计如 下： [0006] 这种基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构主要包括IPMC嵌位足、嵌位模块基体、伸 缩模块基体、IPMC伸缩带。其工作原理为：模仿自然界尺蠖的爬行方式，以IPMC人工肌肉为 驱动器，驱动整个机构在管道内前后爬行或驻留。 [0007]本发明的优点在于： [0008](1)不搭载电机，极大的减轻了质量，减小了尺寸。整个机构可以制作的十分小巧。 「00091 (2)嵌位足初始状态压迫管道内壁，施加电压脱离的嵌位方式可以使得嵌位足提 供比施加电压嵌位的方式更大的力，这对于产生应力十分小的IPMC来说是一个很大的优 势，同时驻留状态下无需供电，可以节省能源。 [0010] (3)自身结构可以实现弯曲、旋转的功能，能够应对较为复杂的管道环境。 [0011] (4)调整IPMC嵌位足的倾斜角度能够适应不同管径的管道。 [0012] 说明书附图 [0013] 图1是本发明初始状态下结构图 [00141 图2是给所有IPMC通电弯曲时的结构图 [0015] 图3是机构通过弯道时自身弯曲的示意图 [0016] 图4是适用于较大管径管道的嵌位模块 [0017] 图5是适用于较小管径管道的嵌位模块 [0018] 图中：(1)IPMC嵌位足(2)嵌位模块基体(3)伸缩模块基体(4)IPMC伸缩带 3
CN105697927A 说明书 2/2页 具体实施方式 [0019]爬行：如附图1、附图2所示，初始状态下，IPMC嵌位足(1)呈自然平直状态，由于倾 斜布置，此时嵌位足与管道内壁接触，固定了机构的位置，当给予嵌位足正反两面施加一定 电压，嵌位足向内侧弯曲，脱离与管道内壁的接触。伸缩机构的IPMC伸缩带(4)初始状态平 直，施加电压后弯曲，缩短伸缩模块的长度，其单周期正向运动动作顺序为：1.后嵌位足弯 曲->2.伸缩带弯曲->3.后嵌位足伸直->4.前嵌位足弯曲->5.伸缩带伸直->6.前嵌位足伸 直，反向动作顺序与正向相反。 [0020]转弯：如附图3所示，IPMC伸缩带(4)与伸缩模块基体(3)分别以铰链形式连接，可 以实现一定角度的旋转，从而使得整个机构能够弯曲，而为了能够应对不同的弯曲方向，伸 缩模块基体(3)与嵌位模块基体(2)可以实现同轴旋转。 [0021]管径适应：如附图4、附图5所示，为适应不同管径，只需要调整IPMC嵌位足(1)相对 于嵌位模块基体(2)的倾斜角度，外倾角度越大，对应的管径越大。 4
CN105697927A 说明书附图 1/1页 图2 图1 图4 图3 图5 5