CN114941764B - 一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其通过在Kresling折纸结构的两侧对称设有旋转式介电高弹体驱动器和介电高弹体锚定器，旋转式介电高弹体驱动器和介电高弹体锚定器粘连后连接在Kresling折纸结构的两侧，位于Kresling折纸结构一侧的介电高弹体锚定器上安装有微型电源与微型高压放大器，并与每个旋转式介电高弹体驱动器和介电高弹体锚定器电连接。该机器人通过介电高弹体锚定器的伸展与收缩实现锚定和解锚，从该改变与管壁的接触面积，其爬行方式采用旋转式介电高弹体驱动器与Kresling折纸机构配合使整个机器人完成伸展与收缩运动，通过微型电压和微型高压放大器不仅可提供高压电，还可实现无绳拖拽，避免机器人在运动过程中发生牵绊后脱落损坏。

Description

一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人
技术领域
本发明涉及爬行机器人技术领域，尤其是涉及一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人。
背景技术
在大型工厂和大型机器中，为了输送或排放等功能而设计安装的管道数量种类繁多，交错复杂，且大多数管道由于安装条件和安装环境的限制，常规的检修工作变得十分困难，进而难以针对所存在的问题进行部分维修和替换。若不进行定期检查会存在安全隐患，严重的甚至可导致出现重大安全事故，严重威胁生命和财产安全。且一次性大规模更换管道往往不太现实，因此爬行机器人开始被广泛应用到管道检修等领域，称之为管道爬行机器人。
传统管道爬行机器人由于其机械结构的限制，存在难以小型化和轻质化，如需要长时间工作，需携带大型锂电池，且结构复杂可靠性差等问题，难以适用于小径及精密管道。近年来发展的折纸机器人具有大体积伸展比、少组装、轻质、少自由度和易驱动等优点，在该方面具有较大的应用潜能，气驱动是折纸机器人的主要驱动形式，但存在诸如需近距离操控、密封性能要求高、需携带气压泵导致笨重等系列问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，在实现爬行工作的同时，降低制作成本并实现轻量化的设计。
本发明提供一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，包括Kresling折纸结构，所述Kresling折纸结构的两侧对称设有旋转式介电高弹体驱动器和介电高弹体锚定器，所述旋转式介电高弹体驱动器和所述介电高弹体锚定器粘接后连接在所述Kresling折纸结构的两侧，位于所述Kresling折纸结构一侧的所述介电高弹体锚定器上安装有微型电源与微型高压放大器，所述微型电源和所述微型高压放大器均与每个所述旋转式介电高弹体驱动器和所述介电高弹体锚定器电连接，所述介电高弹体锚定器包括第一介电高弹体薄膜，所述第一介电高弹体薄膜的上下两侧对称粘接有第一内刚性框架和第一外刚性框架，所述第一内刚性框架的外径小于所述第一外刚性框架的内径，所述第一介电高弹体薄膜上在所述第一内刚性框架与所述第一外刚性框架之间设有第一柔性电极区，第一柔性电极区上连接有第一铝箔电极，所述旋转式介电高弹体驱动器包括第二介电高弹体薄膜，所述第二介电高弹体薄膜的上下两侧对称粘接有内齿轮和第二内刚性框架，所述第二介电高弹体薄膜上在所述内齿轮与所述第二内刚性框架之间设有三个均匀布置的第二柔性电极区，每个所述第二柔性电极区上均连接有第二铝箔电极。
进一步的，所述第一外刚性框架包括四个完全相同的圆弧形框架。
进一步的，所述Kresling折纸结构包括若干个依次粘接的Kresling折纸三维单元，位于两端的所述Kresling折纸三维单元端面的中心位置均设有外齿轮。
进一步的，所述Kresling折纸三维单元包括首尾相连的Kresling折纸二维单元，所述Kresling折纸二维单元的上下两侧均固定有刚性面板，所述外齿轮固定在所述刚性面板的中心位置。
进一步的，所述Kresling折纸二维单元包括若干个交替排列的第一面板和第二面板，若干个所述第一面板和所述第二面板之间交替设有谷折线和山折线，所述第一面板和所述第二面板一体成型。
进一步的，所述第一介电高弹体薄膜和所述第二介电高弹体薄膜的材料均为VHB胶带。
进一步的，所述第一内刚性框架、第二内刚性框架、第一外刚性框架、内齿轮、外齿轮和刚性面板的材料均为PLA。
进一步的，所述Kresling折纸二维单元由PET或亚克力材料制成。
本发明的技术方案通过提供了一种基于基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，该机器人的爬行方式采用旋转式介电高弹体驱动器与Kresling折纸机构配合使整个机器人完成伸展与收缩运动，该机器人通过介电高弹体锚定器的伸展与收缩实现锚定和解锚，从该改变与管壁的接触面积，通过在机器人上安置微型电压和微型高压放大器不仅可提供高压电，还可实现无绳拖拽，避免机器人在运动过程中发生牵绊后机器人脱落损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中介电高弹体锚定器的爆炸图；
图3为本发明中介电高弹体锚定器组装状态的结构示意图；
图4为本发明中旋转式介电高弹体驱动器爆炸图；
图5为本发明中旋转式介电高弹体驱动器组装状态的结构示意图；
图6为本发明中Kresling折纸三维单元的拆解结构示意图；
图7为本发明中Kresling折纸机构的拆解示意图；
图8为本发明Kresling折纸二维单元的展开结构示意图；
附图标记说明：1-介电高弹体锚定器、101-第一介电高弹体薄膜、102-第一内刚性框架、103-第一外刚性框架、104-第一柔性电极区、105-第一铝箔电极、2-旋转式介电高弹体驱动器、201-第二介电高弹体薄膜、202-内齿轮、203-第二内刚性框架、204-第二柔性电极区、205-第二铝箔电极、3-Kresling折纸结构、301-Kresling折纸二维单元、302-刚性面板、303-外齿轮、4-微型电源、5-微型高压放大器、6-第一面板、7-第二面板、8-谷折线、9-山折线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-图8所示，一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，包括Kresling折纸结构3，Kresling折纸结构3的两侧对称设有旋转式介电高弹体驱动器2和介电高弹体锚定器1，旋转式介电高弹体驱动器2和介电高弹体锚定器1粘接后连接在Kresling折纸结构3的两侧，位于Kresling折纸结构3一侧的介电高弹体锚定器1上安装有微型电源4与微型高压放大器5，微型电源4和微型高压放大器5通过导线与每个旋转式介电高弹体驱动器2和介电高弹体锚定器1实现电连接，微型电源4提供电压后经微型高压放大器5升压后为两个介电高弹体锚定器1和两个旋转式介电高弹体驱动器2提供0~30kV的高压电。
介电高弹体锚定器1包括第一介电高弹体薄膜101，第一介电高弹体薄膜101的上下两侧对称粘接有第一内刚性框架102和第一外刚性框架103，第一内刚性框架102的外径小于第一外刚性框架103的内径，第一外刚性框架103由四个完全相同的圆弧形框架组成。第一介电高弹体薄膜101经预拉伸后可以更好地提高驱动器的性能，除了可以降低电致变形的电压，预拉伸后第一介电高弹体薄膜101的稳定性也显著提高；由于第一介电高弹体薄膜101具备粘性，第一介电高弹体薄膜101经过预拉伸后可粘附于上下内刚性框架和外刚性框架之间；内刚性框架以内的第一介电高弹体薄膜101被去除；第一介电高弹体薄膜101上在第一内刚性框架102与第一外刚性框架103之间设有第一柔性电极区104，第一柔性电极区104上连接有第一铝箔电极105，最后通过导线与微型高压电源连接。
旋转式介电高弹体驱动器2包括第二介电高弹体薄膜201，第二介电高弹体薄膜201的上下两侧对称粘接有内齿轮202和第二内刚性框架203，第二介电高弹体薄膜201经过预拉伸处理，粘附于上、下两个第二内刚性框架203之间，上下两个内齿轮202分别粘附于第二介电高弹体薄膜201两面，并相互对称；内齿轮202以内的第二介电高弹体薄膜201被去除；内齿轮202和第二内刚性框架203之间的第二介电高弹体薄膜201区域被设计成三块相同的扇形结构的第二柔性电极区204，每块两个相邻的第二柔性电极区204之间有不涂抹电极的过渡区域将其隔开，每个第二柔性电极区204上均连接有第二铝箔电极205，在设计区域上涂抹第二柔性电极区204后与第二铝箔电极205粘接，最后通过导线与微型高压电源电连接。
Kresling折纸结构3包括若干个依次粘接的Kresling折纸三维单元，位于两端的Kresling折纸三维单元端面的中心位置均固定有外齿轮303，外齿轮303用于与旋转式介电高弹体驱动器2的内齿轮202啮合传递转矩，外齿轮303的角速度必须大于内齿轮202的角速度，从而使Kresling折纸结构3受驱动而旋转；其中Kresling折纸三维单元包括首尾相连形成闭环的Kresling折纸二维单元301，Kresling折纸二维单元301的上下两侧均固定有刚性面板302，外齿轮303固定在刚性面板302的中心位置。刚性面板302用于与其他Kresling折纸三维单元和部件连接；本实施例中：Kresling折纸二维单元301包括八个交替排列的第一面板6和第二面板7，若干个第一面板6和第二面板7之间交替设有谷折线8和山折线9，即：首端的第一面板6与第二面板7之间设有谷折线8，第二面板7与下一个第一面板6之间设有山折线9，如此循环，第一面板6和第二面板7一体成型。
其中连接关系为：旋转式介电高弹体驱动器2上靠近介电高弹体锚定器1一侧的第二内刚性框架203与介电高弹体锚定器1上的第一内刚性框架102粘接，第一内刚性框架102和第二内刚性框架203完全相同。旋转式介电高弹体驱动器2上靠近Kresling折纸结构3一侧的第二内刚性框架203与刚性面板302粘接连接。
第一介电高弹体薄膜和第二介电高弹体薄膜的材料均为VHB胶带；第一内刚性框架102、第二内刚性框架203、第一外刚性框架103、内齿轮202、外齿轮303和刚性面板302的材料均为PLA（聚乳酸）；Kresling折纸二维单元301由PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）或亚克力材料制成。
工作原理：
爬行机器人的锚定与解锚：介电高弹体锚定器1通电后第一介电高弹体薄膜101推动第一外刚性框架103向外扩张，第一外刚性框架103与管壁间的摩擦力增大，从而实现锚定作用；断电后第一介电高弹体薄膜101恢复，第一外刚性框架103与管壁间摩擦力减小，锚定器实现解锚。位于爬行机器人两端的两个介电高弹体锚定器1在周期信号下可实现两端周期性的锚定与解锚。
爬行机器人的爬行：旋转式介电高弹体驱动器2单个电极区域通电后推动内齿轮202向圆心运动，断电后将内齿轮202拉回。由于三个第二柔性电极区204呈120度分布，在周期信号控制下各个区域交替通、断电，并在与外齿轮303啮合约束下做旋转运动，从而带动Kresling折纸结构3旋转。Kresling折纸三维单元结构具有伸缩、旋转耦合特性和双稳态特性，在被带动做旋转运动的同时其自身同时也会进行伸缩，且由于折纸结构所具有的双稳态特性，在其达到稳态后不需要驱动器一直提供动力就能保持本身结构状态，可减少耗能并提高稳定性，从而更简单地实现机器人的爬行。
本发明的一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人的具体爬行过程为：在旋转式介电高弹体驱动器2作用下，可实现机器人Kresling折纸结构3的收缩与伸长；介电高弹体锚定器1在通电状态下扩张，实现锚定，断电状态下回复，实现解锚。其爬行动作共分为五个状态（此处为了便于进行指代说明，将Kresling折纸结构前端的命名为：第一旋转式介电高弹体驱动器和第一介电高弹体锚定器；将Kresling折纸结构后端的命名为：第二旋转式介电高弹体驱动器和第二介电高弹体锚定器。）：第一状态为第一旋转式介电高弹体驱动器断电静止，第一介电高弹体锚定器通电锚定，第二介电高弹体锚定器断电解锚；第二状态为第二旋转式介电高弹体驱动器通电旋转驱动，由Kresling折纸结构3将旋转转化为收缩运动，致使机器人向前受拉爬行；第三状态为第二旋转式介电高弹体驱动器断电静止，第二介电高弹体锚定器通电锚定，第一介电高弹体锚定器断电解锚；第四状态为第一旋转式介电高弹体驱动器通电旋转驱动，由Kresling折纸结构3将旋转转化为伸长运动，致使机器人向前受推爬行；第五状态为第一旋转式介电高弹体驱动器断电静止，第一介电高弹体锚定器通电锚定，第二介电高弹体锚定器断电解锚，此时回到第一状态，一个爬行周期结束。在按这五个状态顺序的连续切换下即可实现机器人的爬行运动。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，包括Kresling折纸结构，所述Kresling折纸结构的两侧对称设有旋转式介电高弹体驱动器和介电高弹体锚定器，所述旋转式介电高弹体驱动器和所述介电高弹体锚定器粘接后连接在所述Kresling折纸结构的两侧，位于所述Kresling折纸结构一侧的所述介电高弹体锚定器上安装有微型电源与微型高压放大器，所述微型电源和所述微型高压放大器均与每个所述旋转式介电高弹体驱动器和所述介电高弹体锚定器电连接，所述介电高弹体锚定器包括第一介电高弹体薄膜，所述第一介电高弹体薄膜的上下两侧对称粘接有第一内刚性框架和第一外刚性框架，所述第一内刚性框架的外径小于所述第一外刚性框架的内径，所述第一介电高弹体薄膜上在所述第一内刚性框架与所述第一外刚性框架之间设有第一柔性电极区，第一柔性电极区上连接有第一铝箔电极，所述旋转式介电高弹体驱动器包括第二介电高弹体薄膜，所述第二介电高弹体薄膜的上下两侧对称粘接有内齿轮和第二内刚性框架，所述第二介电高弹体薄膜上在所述内齿轮与所述第二内刚性框架之间设有三个均匀布置的第二柔性电极区，每个所述第二柔性电极区上均连接有第二铝箔电极。
2.根据权利要求1所述的基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，所述第一外刚性框架包括四个完全相同的圆弧形框架。
3.根据权利要求1所述的基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，所述Kresling折纸结构包括若干个依次粘接的Kresling折纸三维单元，位于两端的所述Kresling折纸三维单元端面的中心位置均设有外齿轮。
4.根据权利要求3所述的基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，所述Kresling折纸三维单元包括首尾相连的Kresling折纸二维单元，所述Kresling折纸二维单元的上下两侧均固定有刚性面板，所述外齿轮固定在所述刚性面板的中心位置。
5.根据权利要求4所述的基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，所述Kresling折纸二维单元包括若干个交替排列的第一面板和第二面板，若干个所述第一面板和所述第二面板之间交替设有谷折线和山折线，所述第一面板和所述第二面板一体成型。
6.根据权利要求1所述的基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，所述第一介电高弹体薄膜和所述第二介电高弹体薄膜的材料均为VHB胶带。
7.根据权利要求4所述的基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，所述第一内刚性框架、第二内刚性框架、第一外刚性框架、内齿轮、外齿轮和刚性面板的材料均为PLA。
8.根据权利要求5所述的基于介电高弹体驱动的管道爬行折纸机器人，其特征在于，所述Kresling折纸二维单元由PET或亚克力材料制成。
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