一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法

摘要

本发明涉及管道软体机器人技术领域，公开了一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法，旨在为超小型管道软体机器人提供了大变形结构解决方案。该方法首先根据超小型管道软体机器人设计需求，建立多气腔驱动器模组的驱动器结构初始构型；其次对初始构型建立有限元模型以实现驱动气压作用下的结构变形性能分析；再次建立结构拓扑优化模型，设定设计响应、优化目标、设计约束、冻结区域，以获得驱动器大变形结构的最优理论构型，并以此得到最优工程构型。本发明方法为超小型管道软体机器人提供了大变形结构解决方案。与现有技术相比，该方法无需依赖工程经验，步骤简明、易于掌握，相较于常规方法具有更优的工程实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及管道软体机器人技术领域，具体而言，涉及一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法。

背景技术

管道机器人已被广泛应用于核工业、石油化工等重要领域的管道损伤检测和故障诊断。为完成管道中的各类检修和维护工作，当前已发展出轮式、履带式、蛇形式、多足式等各种构型的管道刚体机器人。此类刚体机器人通常具有较大的外形尺寸，且其与管壁硬接触可能加剧损伤，甚至产生火花诱发燃烧爆炸事故。因而在超小型管道作业中受到极大制约，而超小型管道是核工业、化工试验管道系统中的重要组成。软体机器人相比于刚体机器人具有更优的相容性、适应性和安全性，在超小型管道作业领域展现出巨大的应用潜力。现有管道软体机器人因结构尺寸过大或变形运动能力不足尚难以适用。软体机器人驱动方式较多，其中气压驱动效率高、响应快，是超小型管道软体机器人首选的驱动方式。为满足管道作业多分支变向、阀门障碍等复杂工况，软体机器人需具备主动转向功能。由多个气腔粘结组装的多自由度软体驱动器有望解决这一问题。

受限于超小型管道作业空间和复杂工况，多气腔软体驱动器需在严格控制外形尺寸、驱动气压的同时实现大变形性能。苛刻的设计需求对软体驱动器结构设计带来了严峻挑战。无论是传统的试算-试制-试验方法，或是以有限元分析替代真实试制试验的数值模拟方法，甚至学术界基于数值模拟的结构优化方法，都需要一个基本前提：结构的初始构型。基于现有初始构型，通过参数化结构尺寸或者材料属性，通过试制-实验或数值模拟获得结构性能响应，并结合试算、敏感度分析、优化算法等算法，实现结构优化设计。所以，初始构型对于软体驱动器设计结果的性能具有决定性影响。然而，提出一个具有性能优化前景的结构构型，常常依赖于设计者的个人经验，如此大大阻碍了软体机器人技术在管道作业领域的应用。综上，开发一种不依赖于工程经验、步骤简明、易于实施的多气腔软体结构优化设计方法，为超小型管道软体机器人提供具有大变形性能的软体驱动器，具有重要的工程意义。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法。该方法首先根据超小型管道软体机器人设计需求，建立多气腔驱动器模组的驱动器结构初始构型；其次对初始构型建立有限元模型以实现驱动气压作用下的结构变形性能分析；再次建立结构拓扑优化模型，设定设计响应、优化目标、设计约束、冻结区域，以获得驱动器大变形结构的最优理论构型，并以此得到最优工程构型。本发明方法为超小型管道软体机器人提供了大变形结构解决方案。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

（1）基于现有软体机器人给定待设计驱动器结构；

（2）建立第1驱动器的初始构型；

（3）建立所述初始构型有限元模型；

（4）建立结构优化模型；

（5）建立所述第1驱动器最优工程构型。

进一步地，在步骤（1）中，所述现有软体机器人包括包括驱动器模组、前端锚定器、后端锚定器、内窥镜；所述前端锚定器和所述后端锚定器通过自身膨胀与管壁建立固定支撑，为软体机器人运动提供锚定功能；所述内窥镜为所述软体机器人的执行器，用于采集管道内部图像；所述驱动器模组，包括具有相同结构的n个驱动器，n取值3或者4，依次为第1驱动器、第2驱动器、……、第n驱动器；所述n个驱动器呈围绕所述软体机器人的中轴线呈360°均匀布置的圆环体；所述圆环体结构尺寸包括R、r、L，分别表示是所述圆环体的外圆半径、内圆半径、长度，根据所述软体机器人的设计需求给定R、r、L的数值；对所述n个驱动器分别输入驱动气压，通过控制所述驱动气压大小实现软体机器人运动所需的结构变形；

进一步地，在步骤（1）中，所述给定待设计驱动器结构是指以所述第1驱动器为设计对象，以提升其在所述驱动气压下的弯曲变形。

进一步地，在步骤（2）中，所述建立驱动器的初始构型是指，所述初始构型设计为一个由扇形腔截面拉伸得到的扇形腔，包含中腔壁、后腔壁、前腔壁；所述初始构型的结构尺寸包括：L、t、θ、r、R、d；L是所述初始构型的长度，t是腔壁厚度，给定t=0.64r；θ、r、R分别表示所述扇形腔截面的角度、内圆半径、外圆半径，给定θ=360°/n；R、r、L根据所述圆环体结构尺寸给定；d是所述扇形腔截面的外轮廓线到中轮廓线之间的距离，给定d=0.75t；所述外轮廓线等距内缩d得到所述中轮廓线；所述中轮廓线拉伸形成的切割面将所述中腔壁分割为设计域、限制域；所述初始构型内部设有相同壁厚b、轴向等距分布的m个连接壁，连接壁上设有通气孔；b表示所述m个连接壁的厚度，给定b=0.5t；给定m=round(L/R-1)=4，round()表示四舍五入取整运算；所述m个连接壁用于增强所述初始构型的整体刚度，所述通气孔用于连通整个所述扇形腔；对所述初始构型的腔体内输入所述驱动气压，可使其产生变形。

进一步地，在步骤（3）中，所述建立初始构型有限元结构的步骤如下：

（3.1）建立初始构型有限元结构，包括结构体、结构尺寸、结构单元；所述结构体包含中腔壁体、后腔体、m个连接壁体；中腔壁体、后腔体分别对应所述中腔壁、所述后腔壁；所述m个连接壁体对应所述m个连接壁；所述中腔壁体分割为设计域体、限制域体，对应对应所述设计域、所述限制域；所述结构尺寸根据所述初始构型的结构尺寸(L、t、θ、r、R、d)给定；所述结构单元设置为八节点线性体单元。

（3.2）定义材料属性，包含结构体的材料模型、材料参数；所述材料模型定义为弹性体模型；所述材料属性为E、μ，分别代表弹性模量、泊松比，E、μ的数值由软体材料力学性能测试得到。

（3.3）定义边界条件，是指对所述中腔壁体的前端面设置固支边界。

（3.4）定义载荷，是指对所述中腔壁体的内壁面设置压力载荷P，给定P=0.03E。

（3.5）定义变形特征点和变形特征值；变形特征点是指所述后腔体外表面的下弧线中点；所述变形特征值是指在压力载荷P的作用下所述结构体发生变形后，所述下弧线中点向弧线中心点方向的位移；

（3.6）定义有限元网格特征，包含网格化策略和网格化尺寸；所述网格化策略设为全局近似策略，所述网格化尺寸设为0.12r。

（3.7）定义求解器，是指将求解器设定为商业有限元软件ABAQUS的静态通用求解器。

进一步地，在步骤（4）中，所述建立结构优化模型的步骤如下：

（4.1）设定结构优化工具，包含有限元模型、工具类型、工具特征；有限元模型指定为所述初始构型有限元模型，所述工具类型设为商业有限元软件ABAQUS的拓扑优化工具，所述工具特征设为冻结载荷施加区域和边界条件施加区域；

（4.2）设定设计响应，包含位移响应、体积响应；所述位移响应设为所述变形特征值，所述体积响应设为所述设计域体的体积值；

（4.3）设定优化目标为最大化所述位移响应；

（4.4）设定设计约束为优化后的体积响应小于或等于所述体积响应初始值的50%；

（4.5）设定冻结区域为所述结构体除去所述设计域体以外的部分；

（4.6）设定优化求解最大循环次数为20次；

（4.7）通过所述结构优化工具求解输出所述第1驱动器的最优理论构型。

进一步地，在步骤（5）中，所述建立驱动器的最优工程构型，是指对所述最优理论构型进行规则化处理得到所述第1驱动器的最优工程构型；所述规则化处理是指以线性几何特征替代所述最优理论构型中强非线性几何特征，得到满足工程制造要求的结构体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明方法面向超小型管道软体机器人设计需求，建立了多腔体驱动器模组的驱动器初始构型，并给出了初始构型结构尺寸的设定方法；对初始构型建立有限元模型以实现驱动气压作用下的结构变形性能分析，定义变形特征值表征驱动器弯曲变形性能；建立结构拓扑优化模型，可求解得到驱动器大变形结构的最优理论构型，并进一步得到满足制造需求的最优工程构型。由此，本发明方法可得到具有优良大变形弯曲性能的驱动器结构，为为超小型管道软体机器人提供了大变形结构解决方案。并且，本发明方法无需依赖工程经验，实施过程避免了繁琐、复杂的有限元分析和优化算法编程过程，步骤简明、易于掌握，相较于常规方法具有更优的工程实用性。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明具体应用实例中软体机器人的结构示意图。

图3是本发明具体应用实例中第1驱动器初始构型示意图。

图4是本发明具体应用实例中初始构型有限元模型示意图。

图5是本发明具体应用实例中第1驱动器最优理论构型示意图。

图6是本发明具体应用实例中第1驱动器最优工程构型示意图。

图7是本发明具体应用实例中正压驱动下最优工程构型变形示意图。

图8是本发明具体应用实例中负压驱动下最优工程构型变形示意图。

附图标记：20、软体机器人；21、驱动器模组；22、前端锚定器；23、后端锚定器；24、内窥镜；25、中轴线；211、第1驱动器；212、第2驱动器；213、第3驱动器；30、初始构型；31、扇形腔截面；32、中腔壁；33、后腔壁；34、前腔壁；35、第1连接壁；36、第1通气孔；320、设计域；321、限制域；结构体40、；中腔壁体41、；后腔体42、；43、第1连接壁体；410、设计域体；411、限制域体；412、前端面；420、下弧线中点。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

如图1—图5所示，本发明提供了一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法，该方法包括以下处理步骤：

步骤1：基于现有软体机器人给定待设计驱动器结构。如图2所示，现有软体机器人20，包括驱动器模组21、前端锚定器22、后端锚定器23、内窥镜24；前端锚定器22和后端锚定器23通过自身膨胀与管壁建立固定支撑，为软体机器人运动提供锚定功能；内窥镜24为所述软体机器人20的执行器，用于采集管道内部图像。驱动器模组21，包括具有相同结构的n=3个驱动器，依次为第1驱动器211、第2驱动器212、第3驱动器213；3个驱动器呈围绕软体机器人20的中轴线25呈360°均匀布置的圆环体；圆环体结构尺寸包括R、r、L，分别表示是圆环体的外圆半径、内圆半径、长度，根据软体机器人20设计需求给定R=15mm、r=5mm、L=80mm；对n个驱动器给定分别输入驱动气压，通过控制驱动气压大小实现软体机器人运动所需的结构变形；给定待设计驱动器结构是指以第1驱动器21为设计对象，以提升其在驱动气压下的弯曲变形。

步骤2：建立驱动器的初始构型。如图3所示，第1驱动器的初始构型30设计为一个由扇形腔截面31拉伸得到的扇形腔，包含中腔壁32、后腔壁33、前腔壁34；初始构型30的结构尺寸包括：L、t、θ、r、R、d；L是初始构型30的长度，t是腔壁厚度，t=0.64r=3.2mm；扇形腔截面31的特征为角度θ=360°/n=120°、内圆半径r、外圆半径R，R、r、L根据圆环体结构尺寸给定；扇形腔截面31的外轮廓等距内缩d=0.75t=2.4mm得到中轮廓线310，中轮廓线310拉伸形成的切割面将中腔壁32分割为设计域320、限制域321；初始构型30内部设有相同壁厚b=0.5t=1.6mm、轴向等距分布的m个连接壁，连接壁上设有通气孔，仅标示第1连接壁35、第1通气孔36；其中m=round(L/R-1)=4，round()表示四舍五入取整运算；连接壁用于增强初始构型30的整体刚度，通气孔用于连通整个扇形腔体；对初始构型30的腔体内输入驱动气压，可使其产生变形。

步骤3：建立初始构型有限元模型。如图4所示，步骤如下。

（3.1）建立初始构型有限元结构。如图4所示，包括结构体40、结构尺寸、结构单元；结构体40包含中腔壁体41、后腔体42、m个连接壁体；中腔壁体41、后腔体42分别对应图3中中腔壁32、后腔壁33；m个连接壁体对应图2中的m个连接壁，仅标识第1连接壁体43，对应对应图2中的第1连接壁35；中腔壁体41分割为设计域体410、限制域体411，对应图2中的设计域320、限制域321；结构尺寸根据初始构型30的结构尺寸(L、t、θ、r、R、d)给定；结构单元设置为八节点线性体单元。

（3.2）定义材料属性。包含结构体的材料模型、材料参数；材料模型定义为弹性体模型；材料属性为E、μ，分别代表弹性模量、泊松比；材料属性由软体材料力学性能测试得到，E=1.67MPa，μ=0.45。

（3.3）定义边界条件。对中腔壁体41的前端面412设置固支边界。

（3.4）定义载荷。对中腔壁体41的内壁面设置压力载荷P，给定P=0.03E=0.05MPa。

（3.5）定义变形特征点和变形特征值。变形特征点为后腔体42外表面的下弧线中点420，变形特征值是指在压力载荷P的作用下结构体40发生变形后下弧线中点420向弧线中心点方向的位移；

（3.6）定义有限元网格特征。包含网格化策略和网格化尺寸，网格化策略为全局近似策略，网格化尺寸设为0.12r=0.6mm。

（3.7）定义求解器。设定为商业有限元软件ABAQUS的静态通用求解器。

步骤4：建立结构优化模型，步骤如下。

（4.1）设定结构优化工具。包含有限元模型、工具类型、工具特征；有限元模型指定为所述初始构型有限元模型，工具类型为商业有限元软件ABAQUS的拓扑优化工具，工具特征为冻结载荷施加区域和边界条件施加区域。

（4.2）设定设计响应。包含位移响应、体积响应；位移响应为所述变形特征值，体积响应为设计域体410的体积值。

（4.3）设定优化目标为最大化位移响应。

（4.4）设定设计约束为优化后的体积响应小于或等于体积响应初始值的50%。

（4.5）设定冻结区域为结构体40除设计域体410以外的部分。

（4.6）设定优化求解最大循环次数为20次。

（4.7）通过所述结构优化工具求解输出第1驱动器211的最优理论构型，如图5所示。

步骤5：建立驱动器的最优工程构型。对所述最优理论构型进行规则化处理得到第1驱动器211的最优工程构型，如图6所示；规则化处理是指以线性几何特征替代所述最优理论构型中强非线性几何特征，得到满足工程制造要求的结构体。

为表明本发明方法的有益效果，对所述最优工程构型的弯曲变形性能进行分析。按照所述步骤3对最优工程构型建立有限元模型，求解得到正压驱动（0.05MPa）、负压驱动（-0.05MPa）情况下的变形情况，如图7和图8所示。图7表明正压驱动下的最优工程构型变形特征值为-17.1mm，图8表明负压驱动下的最优工程构型变形特征值为17.1mm。并且，两种情况下变形后驱动器结构体能够保持稳定的结构形态。可见，驱动器最优工程构型具有优良的大变形弯曲性能，由3个驱动器组成的软体机器人驱动模组也将获得优良的大变形弯曲性能，从而为超小型管道软体机器人提供了大变形结构解决方案。并且，通过分析本发明方法的实现步骤，表明该方法无需依赖工程经验，实施过程避免了繁琐、复杂的有限元分析和优化算法编程过程，步骤简明、易于掌握，相较于常规方法具有更优的工程实用性。