CN113562091A - 柔性静电吸盘 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性静电吸盘。包括软体吸盘、支撑结构和静电吸附膜，软体吸盘的边缘与静电吸附膜的边缘固定连接，中间形成中空区域，支撑结构的底部固接于软体吸盘与静电吸附膜之间的中空区域中，支撑结构的顶部与外部的外接设备连接，静电吸附膜经继电器和外部的高压发生器电连接。本发明采用静电吸附原理，噪声小，相较于负压或正压吸附等噪声较大的吸附，本吸盘能够适用于更多有噪声控制要求的工作场景，能够适应多种场景多种材料的壁面，也能够适应曲面壁面吸附，能够为外接的外部设备提供稳定的工作工况，本发明的吸盘具有较好的适应性，有着更广的应用范围。

Description

柔性静电吸盘
技术领域
本发明属于机电耦合创新设计领域的一种吸盘，具体涉及一种柔性静电吸盘。
背景技术
管道作为石化、电力、建筑等领域的重要部件，其发挥着重要作用，但其使用中易出现开裂、腐蚀、脆化等安全问题，因此，定期及时对管道设备进行检修，能够有效地避免隐患，而管道吸附技术则是开展管道检测与维修作业的关键技术之一，被广泛应用于诸如GIS高压电输送管道等工业管道的检修。传统的管道吸附技术多以气压或者铁磁吸附为主，这些技术存在可靠性差，噪音大，对吸附壁面材料有较高要求等问题。
现目前，常见的吸附机器人多针对平面或外曲面场景设计，针对非磁性内曲面吸附技术的成果相对较少，针对目前常见的管道检修场景，通常为非磁性内曲面管道，一种有效稳定的吸附技术是开展检修工作的必要条件。
针对铁磁吸附技术，其要求管道为磁性材料，适应性较差，针对负压吸附技术，其要求产生较大负压，则需要的体积较大，噪声大，针对正压吸附技术，其可靠性较差，对复杂环境适应性较差，夹持吸附与仿生吸附对壁面都有一定要求，适应性较差。
同时，随着机器人技术的发展，针对吸附技术的负载要求逐渐放宽，但对吸附技术的适用范围逐步提高，现有的吸附技术通常能够承受较大的负载，但是能够适应的环境较少，这是不利于管道作业机器人发展与应用的。
综上所述，现有的管道吸附技术结构复杂，但对工作环境有不同程度的要求，无法适应现行通常使用的无磁性管道内曲面工作场景，不能很好地满足管道爬壁机器人的需求。
发明内容
本发明的目的是设计出满足管道爬壁机器人稳定吸附要求的吸盘，解决管道爬壁机器人吸附技术方面的欠缺，为大力研发管道作业特种机器人奠定良好的基础，设计了一种柔性静电吸盘，采用低压控制信号控制高压电源驱动，体积小、质量轻，制造便捷，但能够提供适合于检修机器人的吸附力，能够通过柔性结构实现曲面吸附，且对管道吸附壁面的材料、粗糙度、曲率等没有严格的要求，能够适应多种场景的管道内曲面。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括软体吸盘、支撑结构和静电吸附膜，软体吸盘的边缘与静电吸附膜的边缘固定连接，中间形成中空区域，支撑结构的底部固接于软体吸盘与静电吸附膜之间的中空区域中，支撑结构的顶部与外部的外接设备连接，静电吸附膜经继电器和外部的高压发生器电连接。
所述的静电吸附膜包括柔性同心圆电极、电极焊盘和聚酰亚胺绝缘层，柔性同心圆电极的上下表面均固定有一层聚酰亚胺绝缘层，柔性同心圆电极上表面的聚酰亚胺绝缘层贴附于软体吸盘的底面，柔性同心圆电极下表面的聚酰亚胺绝缘层的圆周上对称布置有两个电极焊盘，柔性同心圆电极通过电极焊盘与高压发生器电连接。柔性同心圆电极与高压发生器连接，使得柔性同心圆电极可以实现在接入高压时产生一个稳定电场，可以极化无磁性电介质材料，从而使得无磁性电介质材料的管道壁面具有磁性，进而实现静电吸附膜与无磁性电介质材料的工作壁面的吸附；电极焊盘和高压发生器相连接，用以获得高压；聚酰亚胺绝缘层是属于一种柔性绝缘层，可以保证柔性同心圆电极不与外界导体接触，能维持稳定电场，也可以在柔性同心圆电极形变时，实现与柔性同心圆电极的良好贴合，进而确保静电吸附膜可以吸附在管道壁面上。
所述的支撑结构的底部为球形曲面，支撑结构底部的球形曲面与静电吸附膜的上表面相接触，支撑结构底部的球形曲面的曲率与工作壁面的曲率相同，工作壁面是指静电吸附膜进行吸附工作时所吸附的壁面，当静电吸附膜吸附在管道壁面时，支撑结构可以支撑着静电吸附膜完全贴合管道壁面，从而减小间隙，增大贴合面积，实现更稳定的吸附，软体吸盘可以防止静电吸附膜完全贴合管道壁面后支撑结构脱落。
所述的软体吸盘为柔性中空结构，软体吸盘与静电吸附膜之间形成中空区域，支撑结构的底部位于软体吸盘与静电吸附膜之间的中空区域中，软体吸盘和静电吸附膜将支撑结构夹紧，软体吸盘的中心开有圆通孔，支撑结构的顶部设有支撑杆，支撑结构顶部的支撑杆通过插槽竖直向上穿出软体吸盘的圆通孔后与外部的外接设备连接。
所述的软体吸盘和静电吸附膜均由柔性材料制作而成，支撑结构设计为与吸附壁面的结构形状相适应的结构，以刚性材料制作而成。
外接设备可为但不限于足式机器人，如两足、四足或六足型机器人，本发明可安装于这类足式机器人足底，以此提供吸附力，使外接设备通过本发明吸附于无磁性电介质壁面上，如管道、卫星表面等，为外接设备提供稳定的工作条件。
外接设备也可为其他各种形式，需要吸附于无磁性电介质壁面上的机器人。
本发明的吸盘主要由静电吸附膜、软体吸盘，刚性支撑三个吸盘结构件、高压放电装置以及继电器组成。软体吸盘为中空结构，其底部与静电吸附膜固定连接；支撑结构固接于软体吸盘与吸附膜间的中空区域，其底部为球形曲面，顶部通过插槽从软体吸盘圆孔穿出，可实现与外接设备相连接。由柔性材料制成的软体吸盘底部四周与静电吸附膜相连，通过继电器控制吸盘电极接入高压回路，保证吸盘可以在无磁性电介质材料上进行吸附，吸盘柔性结构可以使吸盘吸附在曲面上，提高适应性；吸盘在无磁性电介质材料上应用效果好，吸附能力强。本发明即可实现非磁性电介质曲面的吸附。
本发明具有的有益效果是：
本发明能够适应多种场景多种材料的壁面，不要求壁面材料为磁性材料，在无磁性材料壁面上也可以进行吸附，相较于磁性吸附吸盘，有着更广的应用范围。
本发明能够适应曲面壁面吸附，相较于只能够吸附于平面或特定形状的壁面的刚性吸附吸盘，本发明适应性有提高。
本发明采用静电吸附原理，稳定性更强，相较于负压或正压吸附等稳定性差的吸附，本静电吸附吸盘能够更稳定地吸附于某一壁面，且吸附时没有振动，能为外接设备提供稳定的工作工况。
总述，本发明采用静电吸附原理，噪声小，相较于负压或正压吸附等噪声较大的吸附，本吸盘能够适用于更多有噪声控制要求的工作场景，能够适应多种场景多种材料的壁面，也能够适应曲面壁面吸附，能够为外接的外部设备提供稳定的工作工况，本发明的吸盘具有较好的适应性，有着更广的应用范围。
附图说明
图1为静电吸附吸盘爆炸图；
图2为静电吸附吸盘半剖视图；
图3静电吸附膜内部结构；
图4静电吸附膜系统工作电路示意图；
图5柔性静电吸盘应用系统电路示意图。
图中，1软体吸盘、2支撑结构、3静电吸附膜、4聚酰亚胺绝缘层、5电极焊盘、6柔性同心圆电极、7继电器、8高压发生器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的柔性静电吸盘包括软体吸盘1、支撑结构2和静电吸附膜3，软体吸盘1的边缘与静电吸附膜3的边缘固定连接，中间形成中空区域，支撑结构2的底部固接于软体吸盘1与静电吸附膜3之间的中空区域中，支撑结构2的顶部与外部的外接设备9连接，静电吸附膜3经继电器7和外部的高压发生器8电连接。
如图3所示，静电吸附膜3包括柔性同心圆电极6、电极焊盘5和聚酰亚胺绝缘层4，柔性同心圆电极6的上下表面均固定有一层聚酰亚胺绝缘层4，柔性同心圆电极6上表面的聚酰亚胺绝缘层4贴附于软体吸盘1的底面，柔性同心圆电极6下表面的聚酰亚胺绝缘层4的圆周上对称布置有两个电极焊盘5，柔性同心圆电极6通过电极焊盘5与高压发生器8电连接。柔性同心圆电极6与高压发生器8连接，使得柔性同心圆电极6可以实现在接入高压时产生一个稳定电场，可以极化无磁性电介质材料使得无磁性电介质材料的管道壁面具有磁性，进而实现静电吸附膜3与无磁性电介质材料的工作壁面的吸附；电极焊盘5和高压发生器8相连接，用以获得高压；聚酰亚胺绝缘层4是属于一种柔性绝缘层，可以保证柔性同心圆电极6不与外界导体接触，能维持稳定电场，也可以在柔性同心圆电极6形变时，实现与柔性同心圆电极6的良好贴合，进而确保静电吸附膜3可以吸附在管道壁面上。
如图2所示，支撑结构2的底部为球形曲面，支撑结构2底部的球形曲面与静电吸附膜3的上表面相接触，支撑结构2底部的球形曲面的曲率与工作壁面的曲率相同，工作壁面是指静电吸附膜3进行吸附工作时所吸附的壁面，当静电吸附膜3吸附在管道壁面时，支撑结构2可以支撑着静电吸附膜3完全贴合管道壁面，从而减小间隙，增大贴合面积，实现更稳定的吸附，软体吸盘1可以防止静电吸附膜3完全贴合管道壁面后支撑结构2脱落。
软体吸盘1为柔性中空结构，软体吸盘1与静电吸附膜3之间形成中空区域，支撑结构2的底部位于软体吸盘1与静电吸附膜3之间的中空区域中，软体吸盘1和静电吸附膜3将支撑结构2夹紧，软体吸盘1的中心开有圆通孔，支撑结构2的顶部设有支撑杆，支撑结构2顶部的支撑杆通过插槽竖直向上穿出软体吸盘1的圆通孔后与外部的外接设备9连接。
具体实施的软体吸盘1和静电吸附膜3均由柔性材料制作而成，支撑结构2为与吸附壁面的结构形状相适应的结构，以刚性材料制作而成。具体实施的外接设备9可为但不限于足式机器人，如两足、四足或六足型机器人，本发明的柔性静电吸盘可安装于这类足式机器人足底，以此提供吸附力，使外接设备9通过本发明的柔性静电吸盘吸附于无磁性电介质壁面上，如管道、卫星表面等，为外接设备9提供稳定的工作条件。外接设备9也可为其他各种形式，需要吸附于无磁性电介质壁面上的机器人。
图4为静电吸附膜系统的工作电路示意图，核心部件为静电吸附膜3，静电吸附膜3在此电路中可以视为一个电极板，静电吸附膜3与一个继电器S1串联，与另外一个继电器S2并联，两个继电器7均与控制电路和一个可以产生数千伏高压的高压发生器8相连接，实现利用低压控制信号控制高压工作电路，起到隔离作用，当继电器S1收到控制信号闭合时，柔性同心圆电极6通过继电器S1与高压发生器8连接，可以实现柔性同心圆电极6在接入高压时产生一个稳定电场，可以极化无磁性电介质材料使得无磁性电介质材料的工作壁面具有磁性，进而实现静电吸附膜3与无磁性电介质材料的工作壁面的吸附；当继电器S2收到控制信号闭合时，S1断开时，静电吸附膜的柔性同心圆电极6的正负极相接，电荷中和，快速放电，柔性同心圆电极6产生的电场消失，使得柔性同心圆电极6产生的电场消失，进而使得静电吸附膜3与工作壁面之间没有吸附，进而产生脱离。具体实施中，工作壁面可以是管道壁面。
在吸附过程中，聚酰亚胺绝缘层4是属于一种柔性绝缘层，可以保证柔性同心圆电极6不与外界导体接触，即保证静电吸附膜3不与外界导体接触，能形成一个稳定电场，也可以在柔性同心圆电极6形变时，实现与柔性同心圆电极6的良好贴合，进而确保静电吸附膜3可以吸附在管道壁面上，且当静电吸附膜3吸附在工作壁面时，支撑结构2底部的球形曲面可以支撑着静电吸附膜3完全贴合于工作壁面，从而减小静电吸附膜3与工作壁面之间的间隙，增大静电吸附膜3与工作壁面之间的贴合面积，实现更稳定的吸附，软体吸盘1可以防止静电吸附膜3完全贴合管道壁面后支撑结构2脱落。
图5为一个柔性静电吸盘的应用电路示意图，与如图4的静电吸附膜系统的工作电路工作过程相似，图5中主要包含了A静电吸附膜和B静电吸附膜，四个继电器分别命名为S1、S2、S3和S4，以及一个高压发生器8，A静电吸附膜与继电器S1串联，与继电器S2并联，B静电吸附膜与继电器S3串联，与继电器S4并联，继电器S1和继电器S3与高压发生器8连接，
由于柔性静电吸盘需要数千伏的电压才可以正常吸附，因此本发明使用继电器实现低压控制信号控制高压工作电路，当需要A静电吸附膜进行工作时，继电器S1与高压发生器8接通，通过继电器S1使得A静电吸附膜的柔性同心圆电极6在接入高压时产生一个稳定电场，可以极化无磁性电介质材料使得无磁性电介质材料的工作壁面具有磁性，进而实现静电吸附膜3与无磁性电介质材料的工作壁面的吸附；当A静电吸附膜不工作时，则继电器S1断开，继电器S2接通，则A静电吸附膜的柔性同心圆电极6的正负极相接，电荷中和，快速放电，使得柔性同心圆电极6产生的电场消失，进而使得静电吸附膜3与工作壁面之间没有吸附，进而产生脱离。当采用A静电吸附膜和B静电吸附膜两个静电吸附膜时，可以安装于一些机器人系统中，通过对A静电吸附膜和B静电吸附膜交替通电可以实现机器人在静电吸附膜3的作用下在无磁性电介质曲面的攀爬。
在吸附过程中，聚酰亚胺绝缘层4是属于一种柔性绝缘层，可以保证柔性同心圆电极6不与外界导体接触，即保证静电吸附膜3不与外界导体接触，能形成一个稳定电场，也可以在柔性同心圆电极6形变时，实现与柔性同心圆电极6的良好贴合，进而确保静电吸附膜3可以吸附在管道壁面上，且当静电吸附膜3吸附在工作壁面时，支撑结构2底部的球形曲面可以支撑着静电吸附膜3完全贴合于工作壁面，从而减小静电吸附膜3与工作壁面之间的间隙，增大静电吸附膜3与工作壁面之间的贴合面积，实现更稳定的吸附，软体吸盘1可以防止静电吸附膜3完全贴合管道壁面后支撑结构2脱落。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性静电吸盘，其特征在于：包括软体吸盘(1)、支撑结构(2)和静电吸附膜(3)，软体吸盘(1)的边缘与静电吸附膜(3)固定连接，中间形成中空区域，支撑结构(2)的底部固接于软体吸盘(1)与静电吸附膜(3)之间的中空区域中，支撑结构(2)的顶部与外部的外接设备(9)连接，静电吸附膜(3)经继电器(7)和外部的高压发生器(8)电连接。
2.根据权利要求1所述的柔性静电吸盘，其特征在于：所述的静电吸附膜(3)包括柔性同心圆电极(6)、电极焊盘(5)和聚酰亚胺绝缘层(4)，柔性同心圆电极(6)的上下表面均固定有一层聚酰亚胺绝缘层(4)，柔性同心圆电极(6)上表面的聚酰亚胺绝缘层(4)贴附于软体吸盘(1)的底面，柔性同心圆电极(6)下表面的聚酰亚胺绝缘层(4)的圆周上对称布置有两个电极焊盘(5)，柔性同心圆电极(6)通过电极焊盘(5)与高压发生器(8)电连接。
3.根据权利要求1所述的柔性静电吸盘，其特征在于：所述的支撑结构(2)的底部为球形曲面，支撑结构(2)底部的球形曲面与静电吸附膜(3)的上表面相接触，支撑结构(2)底部的球形曲面的曲率与工作壁面的曲率相同，工作壁面是指静电吸附膜(3)进行吸附工作时所吸附的壁面。
4.根据权利要求1所述的柔性静电吸盘，其特征在于：所述的软体吸盘(1)为柔性中空结构，软体吸盘(1)与静电吸附膜(3)之间形成中空区域，支撑结构(2)的底部位于软体吸盘(1)与静电吸附膜(3)之间的中空区域中，软体吸盘(1)的中心开有圆通孔，支撑结构(2)的顶部设有支撑杆，支撑结构(2)顶部的支撑杆竖直向上穿出软体吸盘(1)的圆通孔后与外接设备(9)连接。
5.根据权利要求1所述的柔性静电吸盘，其特征在于：所述的软体吸盘(1)和静电吸附膜(3)均由柔性材料制作而成，支撑结构(2)采用刚性材料制作而成。
6.根据权利要求1所述的柔性静电吸盘，其特征在于：所述的外接设备(9)为两足型机器人、四足型机器人或六足型机器人。
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