液體環(huán)境下螺旋管道機(jī)器人的研究.pdf

1、隨著內(nèi)窺鏡技術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，自主式微型管道機(jī)器人的研究已經(jīng)成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)液體環(huán)境的工業(yè)管道和充滿體液的人體內(nèi)腔細(xì)小管道，提出基于液體環(huán)境的內(nèi)外螺旋和內(nèi)螺旋無損傷管道機(jī)器人，并對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。該機(jī)器人有望應(yīng)用于血管等充滿液體的微細(xì)管道中實(shí)現(xiàn)檢查、采樣、疏通、定點(diǎn)投藥等功能。
　　論文首先指出了工業(yè)界和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里傳統(tǒng)管道檢測(cè)方法的缺陷，以及管道機(jī)器人在工業(yè)界和微創(chuàng)外科手術(shù)等方面的重要

2、研究意義，并進(jìn)一步分析了被動(dòng)式膠囊內(nèi)窺鏡、蠕動(dòng)管道機(jī)器人、主動(dòng)式膠囊機(jī)器人、泳動(dòng)式機(jī)器人、螺旋式機(jī)器人以及超微機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，提出本論文的研究切入點(diǎn)和主要研究?jī)?nèi)容。
　　論文提出了螺旋式機(jī)器人的兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立螺旋機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的管道內(nèi)液體的動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法求解其液體流場(chǎng)，獲得螺旋機(jī)器人的環(huán)境特征與運(yùn)行參數(shù)（液體密度、液體粘度、管道直徑、偏心距、彎曲管道、外殼轉(zhuǎn)速、內(nèi)軸轉(zhuǎn)速、內(nèi)外表面轉(zhuǎn)速和、機(jī)器人

3、運(yùn)行速度等）對(duì)機(jī)器人運(yùn)行性能（包括機(jī)器人軸向推進(jìn)力、管道壁所受最大壓力、液體對(duì)機(jī)器人承載力等）的影響。對(duì)比研究了內(nèi)外螺旋機(jī)器人、單節(jié)外螺旋機(jī)器人和雙節(jié)外螺旋機(jī)器人的軸向推進(jìn)力、管道壁所受最大壓力、液體對(duì)機(jī)器人的承載力和所受的液體周向阻力矩與其外殼轉(zhuǎn)速的關(guān)系。為了驗(yàn)證內(nèi)外螺旋機(jī)器人在液體環(huán)境管道中運(yùn)行的可行性，從機(jī)器人工作原理分析出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套周轉(zhuǎn)輪系模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)外兩個(gè)螺旋體的工作狀況，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)內(nèi)外

4、螺旋機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行了空載和管道內(nèi)的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并分析了該實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　論文通過引入脈動(dòng)血流函數(shù)作為血管進(jìn)口條件，計(jì)算了在一個(gè)血流脈動(dòng)周期內(nèi)，內(nèi)外螺旋機(jī)器人和內(nèi)螺旋機(jī)器人在脈動(dòng)血流作用下，機(jī)器人的軸向推進(jìn)力、血管壁所受最大和最小壓力，并且分析了不同運(yùn)行速度對(duì)機(jī)器人軸向推進(jìn)力和血管壁所受最大壓力的影響。
　　論文計(jì)算了自由狀態(tài)下螺旋機(jī)器人的受力和管道壁所受壓力，分析了自由狀態(tài)下內(nèi)螺旋機(jī)器人的內(nèi)螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)（槽口寬、槽底寬、傾

5、角、螺旋槽槽深、螺紋升角和螺紋線數(shù)）對(duì)機(jī)器人能耗指標(biāo)和內(nèi)螺旋軸向推進(jìn)力的影響，并運(yùn)用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了內(nèi)螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，得到一組最優(yōu)的機(jī)器人內(nèi)螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。類似地，分析了內(nèi)外螺旋機(jī)器人外螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)器人軸向推進(jìn)力的影響，并運(yùn)用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了外螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，得到一組最優(yōu)的機(jī)器人外螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。
　　論文最后對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行總結(jié)，概括了論文的特色和創(chuàng)新點(diǎn)，并對(duì)未來工作提出展望。