CN110949563A - 一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，包括传动装置与足底；所述传动装置包括曲柄、连杆、摇杆和舵机架，四者组成四杆机构；所述足底通过连接层与连杆的下端转动连接，所述连接层由变刚度材料、静电吸附薄膜和绝缘介质组成；所述变刚度材料由多层介电弹性体驱动器DEA单元组成，DEA单元中含有夹紧电极和驱动电极，夹紧电极通电时各DEA单元之间的静电吸附力作用使得变刚度材料的整体结构的刚度增加，提升足部吸附性能，当驱动电极通电时使得与驱动电极邻接的介电弹性体发生形变，进而使变刚度材料整体发生形变，实现足部脱附。本发明通过变刚度材料刚度的调控以及静电吸附，实现足底的快速吸脱附响应。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构。
背景技术
随着现代社会工业化、城市化进展加快,在高危环境和恶劣条件下作业的领域和行业中，都有很大的机器换人(尤其是爬壁机器人)的需求。比如：玻璃幕墙的清洗，压力容器的裂纹探伤、焊接接头的打磨以及清洗，还有桥梁和大型建筑的检测和修复等。
爬壁机器人一个核心的技术就是其吸脱附技术。目前尽管已有很多成熟的技术，比如机械吸附、磁力吸附、负压吸附、化学吸附以及静电吸附等，但是普遍或多或少地存在如下技术缺陷：体型大，造价高、能耗高、噪音强、以及爬行壁面适应性差，需要作特定的配置等。
公开号为CN110254544A的中国专利文献介绍了一种具有触感的无源负压吸附微小型爬壁机器人足部机构。该爬壁机器人足部机构包括控制系统、足径、踝关节、吸附机构。所述足径的上端连接爬壁机器人腿部，下端通过踝关节连接吸附机构；控制系统包括控制模块、步进电机驱动器、信号调理电路；所述吸附机构由各种驱动装置以及压电薄膜传感器组成。所述具有触感的无源负压吸附微小型爬壁机器人足部机构利用压电薄膜传感器获取壁面信息，为足部机构调整自身的摆动角度提供帮助，具有一定的智能性与自适应性。
上述专利虽然摆脱了空气压缩机，实现了无源负压吸附，但是由于负压吸附本身存在适用范围的限制，当壁面的平整度较差时，负压吸附的效果将大大降低，因此存在一定的局限性。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，解决传统吸附方式存在的适应性差、吸附性能弱、功耗高等问题，提供了一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其结构合理，通过变刚度材料与静电吸附薄膜的结合，可以提高吸脱附的响应速度，同时增强吸附性能，实现对壁面的稳固、快速吸附。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，包括传动装置与足底；
所述传动装置包括舵机、曲柄、连杆、摇杆和舵机架；舵机固定在舵机架上，驱动曲柄周转，所述曲柄与连杆的上端转动连接；所述摇杆一端和连杆的中下部转动连接，另一端转动连接在舵机架上；
所述足底通过连接层与连杆的下端转动连接，所述连接层的下面依次为变刚度材料、静电吸附薄膜和绝缘介质；所述变刚度材料由多层介电弹性体驱动器DEA单元组成，所述DEA单元采用电极与介电弹性体交替布置制作而成，其从上至下依次为：惰性层，夹紧电极，绝缘层，接地电极，介电弹性体，驱动电极，介电弹性体，接地电极，惰性层；所述夹紧电极利用相邻单元间的静电吸附作用，实现变刚度材料的刚度改变；所述驱动电极用于使介电弹性体发生形变；所述惰性层用于防止各单元间互相干扰，并为静电吸附作用提供介质。
所述变刚度材料包含V1端口和V2端口，所述各DEA单元的夹紧电极与V1端口相连，当V1端口通电时，各DEA单元之间的静电吸附力作用使得变刚度材料的整体结构的刚度增加，进而使得脱附应力均匀地分摊至整块吸附层，提升足部吸附性能；当V1端口不通电时，变刚度材料的整体结构刚度下降；所述各DEA单元的驱动电极与V2端口相连，当V2端口通电时，使得与驱动电极邻接的介电弹性体发生形变，进而使变刚度材料整体发生形变，实现足部脱附；当V2端口不通电时，变刚度材料回复初始状态。
足部的吸附、脱附循环进行，并由舵机进行驱动，使爬壁机器人前进。
进一步地，连杆的尾部呈平面状，平面和足底之间保留一定间隔，用于限制足底摆动的角度，角度范围为-30°～30°。
进一步地，所述足底的连接层采用树脂材料，利用3D打印制成。
进一步地，所述变刚度材料的惰性层材料采用硅胶。
进一步地，所述变刚度材料中DEA单元为10个，所述变刚度材料自然状态整体厚度为10mm，夹紧后厚度为8mm。
进一步地，利用硅橡胶对DEA单元的电源输入侧进行封膜，实现驱动电极通电时，远离电源侧发生单侧形变，实现足部快速脱附。
进一步地，所述静电吸附薄膜加载6000V以上的高压静电产生静电吸附力；所述静电吸附薄膜采用梳状电极设计，电极中间填充介电击穿强度为12kv/mm的硅胶，薄膜整体呈柔性。
进一步地，所述绝缘介质由硅胶制成，厚度为0.5mm。
本发明的有益效果：
一、对杆件的减料设计可以减轻爬壁机器人足部的重量，有利于爬行。
二、利用变刚度材料调控的方法，可避免静电吸附断电时产生的电荷弛豫现象，实现足底的快速吸脱附响应；同时刚度增加，使得壁面与足底吸附更均匀，可以有效提高吸附性能。
三、足底各层均选用柔性材料制备，在平整度较差的壁面仍可吸附，结合静电吸附的强壁面适应性，本发明的适用场景也相当广泛。
附图说明
图1为本发明基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构整体示意图；
图2为本发明足底各层结构示意图；
图3为DEA单元的组成示意图；
图4为变刚度材料的组成示意图；
图5为本发明连杆的结构示意图；
图6为本发明脱附过程变刚度材料形变快速脱附示意图；
图7为变刚度实现胶带粘附性能提升的实验布置图；
图8为变刚度实现胶带粘附性能提升的实验结果图。
图中，1.舵机；2.曲柄；3.连杆；4.足底；5.摇杆；6.舵机架；41.连接层；42.变刚度材料；43.静电吸附薄膜；44.绝缘介质。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图1-2所示，本发明提供的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，包括传动装置与足底4；所述传动装置为曲柄摇杆机构，舵机1固定于舵机架6上带动曲柄2周转，曲柄2与连杆3相连，连杆3受摇杆5限制，使足底4保持一定运动轨迹；所述曲柄摇杆机构在强度允许范围内，采取减料设计。
所述足底4通过连接层41与连杆3相连，连杆3的尾部设计成平面状，平面和足底之间保留一定间隔，用于限制足底摆动的角度，角度范围为-30°～30°。足底的连接层采用树脂材料，利用3D打印制成。
如图3所示，所述变刚度材料42包含V1端口和V2端口，GND为接地端。连接层41下共三层：变刚度材料42通过通、断电改变材料刚度，起到控制吸脱附以及增强吸附性能的作用；静电吸附薄膜43，通过加载高压静电可以产生静电吸附力，所述静电吸附薄膜43加载6000V以上的高压静电产生静电吸附力；所述静电吸附薄膜43采用梳状电极设计，电极中间填充介电击穿强度为12kv/mm的硅胶，当间隙为1mm时理论可承受12kv高压不被击穿，薄膜整体呈柔性；绝缘介质44，由硅胶制成，厚度为0.5mm。
如图4所示，所述变刚度材料由多层介电弹性体驱动器DEA单元组成，所述DEA单元采用电极与介电弹性体交替布置制作而成，其从上至下依次为：惰性层，夹紧电极，绝缘层，接地电极，介电弹性体，驱动电极，介电弹性体，接地电极，惰性层。所述惰性层由硅胶制成，厚度约为0.2mm；所述夹紧电极、驱动电极、接地电极均为普通铜箔制成的单极型电极；所述绝缘层的厚度根据具体情况而定；所述DEA单元制作采用流延法，在玻璃底面上布置惰性层硅胶，按DEA单元从上至下顺序依次放置于惰性层上，利用流延机进行封膜，压制，待膜固化后，使用刀片将静电吸附装置从玻璃底面上将DEA单元取下。
如图5所示，利用硅橡胶对10个DEA单元的电源侧封膜，自然状态整体厚度约为10mm，夹紧后厚度约为8mm。可实现驱动电极通电时，远离电源侧发生单侧形变，在夹紧电极未通电，即刚度较低的状态下，可实现快速脱附应力集中，增加脱附的响应速度。
所述爬壁机器人足部结构具有两个自由度，即曲柄2、连杆3、摇杆5和舵机架6形成四杆机构，四杆机构具有一个自由度，足底4与四杆机构之间也存在一个自由度；因此除由舵机控制整体运动外，足底可通过静电吸附力作用调整至与壁面平行的角度。
变刚度材料夹紧电极、驱动电极双电极综合设计，可实现材料的刚度改变与形状改变，可满足增加吸附性能与快速脱附的需求。
本发明的工作原理为：当变刚度材料42未通电时，足底处于非工作状态，变刚度材料42刚度较小。V1端口通电时，夹紧电极供电，使得变刚度材料整体受到夹紧的静电吸附力，刚度增加，吸附性能增强；V2端口通电时，驱动电极供电，使得介电弹性体发生形变，促使足部快速脱附。
足底4吸附过程，由舵机1带动曲柄2转动，使与连杆3相连的足底4呈一定运动轨迹运动。当舵机1旋转至使足底4朝壁面方向运动时，此时令变刚度材料42的V1端口通电，增加足底4刚度，静电薄膜43通电，产生静电吸附力，足底4由于静电吸附力的作用在接近壁面时旋转至与壁面平行的角度，直至完成吸附。
足底4脱附过程，首先令静电薄膜43断电、变刚度材料42的V1端口断电、变刚度材料42的V2端口通电，这使得变刚度材料42发生形变，如图6所示，形变令足底与壁面吸附力瞬间减小接近于0；接着启动舵机，控制足部整体运动。
足底4的吸附、脱附循环进行，使爬壁机器人前进。
所述吸附过程，增加变刚度材料42刚度进而增加足底4整体刚度，可增强吸附性能，起到稳固吸附的效果。
所述脱附过程，利用变刚度材料42的形变，快速降低足底与壁面吸附力，避免了弛豫电荷产生的吸附力导致脱附困难的现象，起到快速脱附的效果。
变刚度技术与吸附结合，可以提升吸附性能。粘结材料的刚度改变，使得原来集中于起脱点的应力，均匀分摊至整块粘附层，可以大幅提升其粘附性能，同时当刚度下降，使吸附层的边缘发生形变，可使脱附应力快速集中，而实现快速脱附。以胶带为例，如图7所示，为变刚度实现胶带粘附性能提升的实验布置，利用厚度增加提升其刚度，通过实验可得到结论：在不改变胶带粘结性能的情况下，厚度增加一倍，其粘附力可增加8倍，如图8所示。静电吸附通过高压静电使得壁面产生极性相反的电荷，进而产生吸附力，在不改变材料设计的情况下，仅可通过增大静电电压来增大吸附力，但其电压受到材料介电击穿电压的限制。因此，采用变刚度材料与静电吸附结合的方法，可以提高吸脱附的响应速度，同时可以进一步增强吸附性能，解决静电吸附力小的问题。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，包括传动装置与足底(4)；
所述传动装置包括舵机(1)、曲柄(2)、连杆(3)、摇杆(5)和舵机架(6)等；舵机(1)固定在舵机架(6)上，驱动曲柄(2)周转，所述曲柄(2)与连杆(3)的上端转动连接；所述摇杆(5)一端和连杆(3)的中下部转动连接，另一端转动连接在舵机架(6)上。
所述足底(4)通过连接层(41)与连杆(3)的下端转动连接，所述连接层(41)的下面依次为变刚度材料(42)、静电吸附薄膜(43)和绝缘介质(44)；所述变刚度材料(42)由多层介电弹性体驱动器DEA单元组成，所述DEA单元采用电极与介电弹性体交替布置制作而成，其从上至下依次为：惰性层，夹紧电极，绝缘层，接地电极，介电弹性体，驱动电极，介电弹性体，接地电极，惰性层；所述夹紧电极利用相邻单元间的静电吸附作用，实现变刚度材料(42)的刚度改变；所述驱动电极用于使介电弹性体发生形变；所述惰性层用于防止各单元间互相干扰，并为静电吸附作用提供介质。
所述变刚度材料(42)包含V1端口和V2端口，所述各DEA单元的夹紧电极与V1端口相连，当V1端口通电时，各DEA单元之间的静电吸附力作用使得变刚度材料(42)的整体结构的刚度增加，进而使得脱附应力均匀地分摊至整块吸附层，提升足部吸附性能；当V1端口不通电时，变刚度材料(42)的整体结构刚度下降；所述各DEA单元的驱动电极与V2端口相连，当V2端口通电时，使得与驱动电极邻接的介电弹性体发生形变，进而使变刚度材料(42)整体发生形变，实现足部脱附；当V2端口不通电时，变刚度材料(42)回复初始状态。
足部的吸附、脱附循环进行，并由舵机(1)进行驱动，使爬壁机器人前进。
2.根据权利要求1所述的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，连杆(3)的尾部呈平面状，平面和足底之间保留一定间隔，用于限制足底(4)摆动的角度，角度范围为-30°～30°。
3.根据权利要求1所述的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，所述足底(4)的连接层(41)采用树脂材料，利用3D打印制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，所述变刚度材料(42)的惰性层材料采用硅胶。
5.根据权利要求1所述的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，所述变刚度材料(42)中DEA单元为10个，所述变刚度材料(42)自然状态整体厚度为10mm，夹紧后厚度为8mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，利用硅橡胶对DEA单元的电源输入侧进行封膜，实现驱动电极通电时，远离电源侧发生单侧形变，实现足部快速脱附。
7.根据权利要求1所述的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，所述静电吸附薄膜(43)加载6000V以上的高压静电产生静电吸附力；所述静电吸附薄膜(43)采用梳状电极设计，电极中间填充介电击穿强度为12kv/mm的硅胶，薄膜整体呈柔性。
8.根据权利要求1所述的一种基于变刚度材料调控的静电吸附爬壁机器人足部结构，其特征在于，所述绝缘介质(44)由硅胶制成，厚度为0.5mm。
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