CN109606496B - 基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人及控制方法，包括两个介电弹性体驱动器和四个静电吸附脚掌、万向铰链以及保持架，介电弹性体驱动器包括前后端盖、介电弹性体薄膜以及柔性电极组成；弹静电吸附脚掌由介电层、电极层和保护层构成；每个介电弹性体驱动器两端分别通过万向铰链与静电吸附脚掌相连；两个介电弹性体驱动器采用并排布置，中间通过一个保持架连接。本发明结构简单，重量轻，体积小，负载大，灵活性强，环境适应能力强。
Description
技术领域
本发明涉及爬壁机器人，具体地，涉及基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人。尤其是可以进入一些狭窄的空间或者危险的环境，完成一些人类难以完成的任务，比如管道探测、桥梁检测、高层建筑物清洁等的机器人。
背景技术
爬壁机器人作为一种能够在垂直平面上爬行的机器人，在侦查、环境检测、清洁等领域具有重要的应用价值。爬壁机器人通常需要具备吸附和运动两种功能。目前爬壁机器人常采用的吸附原理包括磁吸附、真空吸附等。这两种吸附具有吸附力大，控制方便等特点，但是磁吸附只能用于吸附铁磁材料，真空吸附只能用于光滑表面。而且这两种吸附体积大、重量大，难以小型化。爬壁机器人常采用的驱动方式主要包括电机驱动和液压驱动。虽然这两种驱动方式具有驱动力大，容易精确控制，但是其机械结构复杂，而且都是刚性材料，具有重量大，负载能力弱，环境适应性差的缺点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人。
根据本发明提供的一种基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人，包括介电弹性体驱动器1、静电吸附脚掌4；
两个介电弹性体驱动器1采用并排布置，中间通过保持架2连接；
两个介电弹性体驱动器1的前后两端分别通过万向铰链5连接对应的静电吸附脚掌4。
优选地，所述两个介电弹性体驱动器1的前后两端分别通过万向铰链5连接对应的静电吸附脚掌4，分别形成左前足4A、右前足4B、右后足4C、左后足4D。
优选地，介电弹性体驱动器1的前后两端分别安装有端盖3，并通过端盖3经万向铰链5连接静电吸附脚掌4。
根据本发明提供的一种上述的基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人的控制方法，两个介电弹性体驱动器1采用周期为T的正弦电压驱动，四个静电吸附脚掌4分为两组分别采用周期为T的方波进行控制，其中4A和4B为一组并定义为前脚，4C和4D为另外一组并定义为后脚；爬行过程为：
在0到T/2这半个周期内，增大后脚的驱动电压并保持前脚的驱动电压不变，与此同时将周期为T的正弦电压施加到两个介电弹性体驱动器1上，介电弹性体驱动器1在电压作用下产生伸长运动，由于前脚的驱动电压低于后脚，因此前脚的静电吸附力小于后脚，在介电弹性体驱动器1的推动下，前脚向前运动，而后脚保持位置不变；
在T/2到T半个周期内，交换前脚和后脚之间的驱动电压，此时前脚的静电吸附力大于后脚，由于介电弹性体驱动器1的驱动电压处于下降状态，介电弹性体驱动器1长度变短，使得后脚往前爬行。
优选地，在墙面上爬行时，先将一个恒定的电压施加到每个静电吸附脚掌上，从而保证基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人能够克服自重和负载吸附在墙面上。
优选地，实现原地转弯时，两个介电弹性体驱动器1采用周期为T的正弦电压驱动，静电吸附脚掌分为两组分别采用周期为T的方波进行控制，其中4A和4B为一组并定义为前脚，4C和4D为另外一组并定义为后脚；原地转弯过程为：
在0到T/2这半个周期内，增大4B和4D的驱动电压并保持脚4A和4C的驱动电压为0，与此同时将周期为T的正弦电压施加到两个介电弹性体驱动器上，驱动器在电压作用下产生伸长运动，由于4B和4D存在静电吸附力而4A和4C没有静电吸附力，在介电弹性体驱动器的推动下，4A和4C向相反的方向移动。
在T/2到T半个周期内，将一个恒定的电压施加到4A和4C，并将4B和4D的电压降为0，此时4A和4C的静电吸附力大于4B和4D，由于介电弹性体驱动器的驱动电压处于下降状态，介电弹性体驱动器长度变短，使得4B和4D往相反的方向移动，从而实现原地转弯。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、爬壁机器人采用介电弹性体驱动器驱动，具有驱动-传动-机构一体化的优点；
2、脚部采用静电吸附原理工作，使得爬壁机器人能够在大多数材质表面实现直线，原地转弯，爬墙等运动；
3、结构简单合理，动作灵活，重量轻；
4、可以在爬壁机器人上配套高清摄像头等传感器，用于危险环境中执行侦查探测等任务，具有较大的实用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是基于介电弹性体驱动器和静电吸附脚掌的爬壁机器人的三维效果图。
图2是初始状态的爬壁机器人结构示意图。
图3是图2的正视图。
图4是本发明的工作原理示意图。
图5是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种结构简单、体积小、重量轻、负载大、环境适应能力强、灵活性强的基于介电弹性体驱动器和静电吸附脚掌的爬壁机器人。
参照图1到图3，一种基于介电弹性体驱动器和静电吸附脚掌的爬壁机器人，包括两个介电弹性体驱动器1、保持架2、端盖3、四个静电吸附脚掌4以及万向铰链5；
所述介电弹性体驱动器1的前后两端分别设置有端盖3；所述介电弹性体驱动器1包括介电弹性体薄膜和柔性电极；
所述静电吸附脚掌4包括介电层、电极层和保护层；所述介电弹性体驱动器1两端通过万向铰链5与静电吸附脚掌4连接；所述两个介电弹性体驱动器1采用并排布置，中间通过一个保持架2连接。
四个静电吸附脚掌4分别记为4A、4B、4C、4D。
爬壁机器人在墙面上爬行时，两个介电弹性体驱动器1采用周期为T的正弦电压驱动，静电吸附脚掌4分为两组分别采用周期为T的方波进行控制，其中4A和4B为一组并定义为前脚，4C和4D为另外一组并定义为后脚。其爬行过程可以描述为：先将一个恒定的电压施加到每个静电吸附脚掌上，从而保证爬壁机器人能够克服自重和负载吸附在墙面上；在0到T/2这半个周期内，增大后脚的驱动电压并保持前脚的驱动电压不变，与此同时将周期为T的正弦电压施加到两个介电弹性体驱动器上，介电弹性体驱动器在电压作用下产生伸长运动，由于前脚的驱动电压低于后脚，因此前脚的静电吸附力小于后脚，在介电弹性体驱动器的推动下，前脚向上运动，而后脚保持位置不变。在T/2到T半个周期内，交换前脚和后脚之间的驱动电压，此时前脚的静电吸附力大于后脚，由于介电弹性体驱动器的驱动电压处于下降状态，驱动器长度变短，使得后脚往上爬行，从而实现爬壁功能。
爬壁机器人水平爬行时由于不需要克服重力的影响，其难度大大降低。水平爬行时两个介电弹性体驱动器依然采用周期为T的正弦电压驱动，静电吸附脚掌分为两组分别采用周期为T的方波进行控制，脚掌的分组跟爬墙的一样，其水平爬行的过程跟爬墙的基本类似，只是不需要施加恒定电压用于克服重力的影响。
爬壁机器人实现原地转弯时，两个介电弹性体驱动器依然采用周期为T的正弦电压驱动，静电吸附脚掌分为两组分别采用周期为T的方波进行控制，其中4A和4C为一组，4B和4D为另外一组。其原地转弯过程可以描述为：在0到T/2这半个周期内，增大4B和4D的驱动电压并保持脚4A和4C的驱动电压为0，与此同时将周期为T的正弦电压施加到两个介电弹性体驱动器上，驱动器在电压作用下产生伸长运动，由于4B和4D存在静电吸附力而4A和4C没有静电吸附力，在介电弹性体驱动器的推动下，4A和4C向相反的方向移动。在T/2到T半个周期内，将一个恒定的电压施加到4A和4C，并将4B和4D的电压降为0，此时4A和4C的静电吸附力大于4B和4D，由于介电弹性体驱动器(1)的驱动电压处于下降状态，介电弹性体驱动器(1)长度变短，使得4B和4D往相反的方向移动，从而实现原地转弯。
所述的基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人，尺寸小于100mm*100mm*100mm，重量小于500g，采用集成的小型电池供电，并依靠集成的控制器进行控制，所述介电弹性体驱动器的输出力与自重的比值大于1。所述的基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人具有多种运动模态包括水平爬行、垂直攀爬和原地转。所述静电吸附脚掌能够在导体与非导体、光滑与粗糙等大多数物体表面产生足够的静电吸附力。
本实施实例采用电驱动，爬壁机器人具有很好的柔性和适应性，且结构简单合理，重量轻，易于控制，对环境的适应能力强，可以携带传感器，在高楼壁面，桥梁等危险环境的侦查检查等方面，具有较大的实施价值。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (2)
1.一种基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人的控制方法，
基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人，包括介电弹性体驱动器(1)、静电吸附脚掌(4)；
两个介电弹性体驱动器(1)采用并排布置，中间通过保持架(2)连接；
两个介电弹性体驱动器(1)的前后两端分别通过万向铰链(5)连接对应的静电吸附脚掌(4)；
所述两个介电弹性体驱动器(1)的前后两端分别通过万向铰链(5)连接对应的静电吸附脚掌(4)，分别形成左前足(4A)、右前足(4B)、右后足(4C)、左后足(4D)；
其特征在于，两个介电弹性体驱动器(1)采用周期为T的正弦电压驱动，四个静电吸附脚掌(4)分为两组分别采用周期为T的方波进行控制，其中左前足(4A)和右前足(4B)为一组并定义为前脚，右后足(4C)和左后足(4D)为另外一组并定义为后脚；爬行过程为：
在0到T/2这半个周期内，增大后脚的驱动电压并保持前脚的驱动电压不变，与此同时将周期为T的正弦电压施加到两个介电弹性体驱动器(1)上，介电弹性体驱动器(1)在电压作用下产生伸长运动，由于前脚的驱动电压低于后脚，因此前脚的静电吸附力小于后脚，在介电弹性体驱动器(1)的推动下，前脚向前运动，而后脚保持位置不变；
在T/2到T半个周期内，交换前脚和后脚之间的驱动电压，此时前脚的静电吸附力大于后脚，由于介电弹性体驱动器(1)的驱动电压处于下降状态，介电弹性体驱动器(1)长度变短，使得后脚往前爬行；
实现原地转弯时，两个介电弹性体驱动器(1)采用周期为T的正弦电压驱动，静电吸附脚掌分为两组分别采用周期为T的方波进行控制，其中左前足(4A)和右前足(4B)为一组并定义为前脚，右后足(4C)和左后足(4D)为另外一组并定义为后脚；原地转弯过程为：
在0到T/2这半个周期内，增大右前足(4B)和左后足(4D)的驱动电压并保持脚左前足(4A)和右后足(4C)的驱动电压为0，与此同时将周期为T的正弦电压施加到两个介电弹性体驱动器上，驱动器在电压作用下产生伸长运动，由于右前足(4B)和左后足(4D)存在静电吸附力而左前足(4A)和右后足(4C)没有静电吸附力，在介电弹性体驱动器的推动下，左前足(4A)和右后足(4C)向相反的方向移动；
在T/2到T半个周期内，将一个恒定的电压施加到左前足(4A)和右后足(4C)，并将右前足(4B)和左后足(4D)的电压降为0，此时左前足(4A)和右后足(4C)的静电吸附力大于右前足(4B)和左后足(4D)，由于介电弹性体驱动器的驱动电压处于下降状态，介电弹性体驱动器长度变短，使得右前足(4B)和左后足(4D)往相反的方向移动，从而实现原地转弯。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人的控制方法，其特征在于，在墙面上爬行时，先将一个恒定的电压施加到每个静电吸附脚掌上，从而保证基于介电弹性体驱动器和静电吸附的爬壁机器人能够克服自重和负载吸附在墙面上。
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