[发明专利]一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法

说明书

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。

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。