基于智能材料驱动的软体管道探测机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于智能材料驱动的软体管道探测机器人，包括伸长单元和两个锚固单元，伸长单元包括柱状的第一介电弹性体驱动器，第一介电弹性体驱动器施加电压后轴向伸长；两个锚固单元中的一个锚固单元为前部锚固单元且另一个锚固单元为后部锚固单元，两个锚固单元分别位于伸长单元的轴向两端且与伸长单元同轴对接相连；每一锚固单元包括柱状的第二介电弹性体驱动器和两个柔性铰链，两个柔性铰链的多个支链末端一一对应地粘贴相连形成锚固足；当第二介电弹性体驱动器施加电压后，第二介电弹性体驱动器轴向伸长而使得锚固单元的径向尺寸缩小。本发明专利技术结构简单，整体更容易小型化，可实现在狭窄管道内的快速移动。可实现在狭窄管道内的快速移动。可实现在狭窄管道内的快速移动。

【技术实现步骤摘要】
基于智能材料驱动的软体管道探测机器人


[0001]本专利技术涉及管道探测机器人
，尤其是涉及一种基于智能材料驱动的软体管道探测机器人。

技术介绍

[0002]近年来，随着微电子技术、微传感技术、精密加工技术以及新材料的发展，使得机器人领域的一个重要分支—轻小型移动机器人得以蓬勃发展，其中，又以具有柔顺性、安全性、共融性等特征的软体机器人为典型代表。软体机器人由于尺度小、质量轻、运动灵活，因而在军事侦察、大型发动机检测、灾难救援、医学工程等领域具有广阔的应用前景。在软体机器人的众多应用领域中，其柔软大变形的特性特别适合进行管道或人体自然腔道检测。一些大型航空发动机的管道直径只有几毫米，传统的电机加齿轮箱的驱动模式的机器人难以微型化，适用于微型管道检测的机器人设计制造难度极大。
[0003]近年来，应用于管道移动机器人的新型驱动技术被大量开发。根据驱动原理不同，目前研发的新型驱动技术主要包括基于压电材料的驱动、基于形状记忆合金的驱动和气动驱动器等。形状记忆合金响应速度较慢，压电材料易碎，加工制造复杂形状难度大，而气动驱动也通常需要庞大的外部气源及气路系统而受到限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于智能材料驱动的软体管道探测机器人，结构简单，整体更容易小型化，可实现在狭窄管道内的快速移动，可以适应复杂弯曲管道环境探测的需求。
[0005]根据本专利技术实施例的基于智能材料驱动的软体管道探测机器人，包括：
[0006]伸长单元，所述伸长单元包括柱状的第一介电弹性体驱动器，所述第一介电弹性体驱动器施加电压后轴向伸长；
[0007]两个锚固单元，两个所述锚固单元中的一个所述锚固单元为前部锚固单元且另一个所述锚固单元为后部锚固单元，两个所述锚固单元分别位于所述伸长单元的轴向两端且与所述伸长单元同轴对接相连；每一所述锚固单元包括柱状的第二介电弹性体驱动器和两个柔性铰链，每一所述柔性铰链包括基部和多个支链，多个所述支链围绕所述基部的周边阵列分布，多个所述支链均包括支链主体和支链末端，所述支链主体的一端与所述基部的周边之间以及所述支链主体的另一端与所述支链末端的一端之间均采用柔性连接，两个所述柔性铰链的所述基部分别一一对应地与所述第二介电弹性体驱动器的轴向两端相连，两个所述柔性铰链的多个所述支链末端一一对应地粘贴相连形成锚固足，并使得两个所述柔性铰链的多个所述支链与所述第二介电弹性体驱动器的外周面呈锐角布置；当所述第二介电弹性体驱动器施加电压后，所述第二介电弹性体驱动器轴向伸长而使得所述锚固单元的径向尺寸缩小；
[0008]工作时，所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人置于管道中后，由于两个
所述锚固单元的初始直径比所述管道的内直径大，因而两个所述锚固单元在径向方向上会经预压缩后被放置于所述管道中并通过所述锚固足锚固在所述管道的内壁上，由于两个所述锚固单元的所述第二介电弹性体驱动器本身弹力的作用会产生预紧力，当所述前部锚固单元施加电压后而使自身预紧力减小，同时所述伸长单元施加电压后自身轴向伸长，使得所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人前伸一段距离，进而所述前部锚固单元断电而使自身锚固力恢复，将所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人前伸距离锁住，而所述后部锚固单元开始施加电压而使自身锚固力减小，所述伸长单元断电后在弹性力的作用下恢复长度，带动所述后部锚固单元前进，从而使所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人在两个所述锚固单元及所述伸长单元的协调下实现前进运动。
[0009]根据本专利技术实施例的基于智能材料驱动的软体管道探测机器人，一方面采用伸长单元、前部锚固单元和后部锚固单元三段式结构形式，其中伸长单元、前部锚固单元和后部锚固单元均是基于介电弹性体材料驱动，结构柔软，耐冲击，环境适应性好，适应各种复杂弯曲管道环境探测的需求，且介电弹性体材料电响应频率较快、变形大、机电转换效率高，可实现在狭窄管道内的快速移动；另一方面本专利技术实施例的基于智能材料驱动的软体管道探测机器人，结构简单制造方便，整体更容易小型化，可以满足亚厘米级管道探测的需求，应用前景广阔。
[0010]根据本专利技术的一个实施例，所述伸长单元还包括分别嵌设有第一磁铁的两个所述第一连接件以及分别嵌设有第二磁铁的两个同心结构件，两个所述第一连接件分别对应地固定在所述第一介电弹性体驱动器的轴向两端上，两个所述同心结构件的所述第二磁铁与两个所述第一连接件中的所述第一磁铁吸合相连；每一所述锚固单元还包括嵌设有第三磁铁的第二连接件，所述第二连接件固定在所述锚固单元的两个所述柔性铰链的其中一个所述柔性铰链的基部上；两个所述锚固单元分别通过各自的所述第二连接件中的所述第三磁铁与所述伸长单元的相应的所述同心结构件中的所述第二磁铁吸合，以使两个所述锚固单元与所述伸长单元分别对接相连。
[0011]根据本专利技术的一个实施例，所述第一介电弹性体驱动器和所述第二介电弹性体驱动器分别为圆柱状且分别由片状驱动器卷绕而成，所述片状驱动器具有在电压加载下会发生厚度减小且面积扩张的变形行为特性。
[0012]根据本专利技术进一步的实施例，所述片状驱动器由硅橡胶层和碳纳米管电极层依次交替堆叠而成。
[0013]根据本专利技术进一步的实施例，所述第一介电弹性体驱动器中的所述硅橡胶层的材料由第一硅橡胶与第二硅橡胶按照1：1的比例混合而成。
[0014]根据本专利技术进一步的实施例，所述第二介电弹性体驱动器中的所述硅橡胶层的材料由第三硅橡胶与第四硅橡胶按照3：1的比例混合而成。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，所述锚固足的表面上覆盖有用于增加摩擦力的锚固硅橡胶。
[0016]根据本专利技术的一个实施例，每一所述柔性铰链由复合材料切割而成，所述复合材料为柔性薄膜、粘接片和碳纤维板热压后得到，其中，所述柔性薄膜的两侧均设有所述粘接片和所述碳纤维板，所述粘接片将所述碳纤维板与所述柔性薄膜粘结固定，所述粘接片和所述碳纤维板在对应于所述柔性铰链上的所述柔性连接的部位处均设置镂空部。
[0017]根据本专利技术的一个实施例，所述第一介电弹性体驱动器施加的电压为正弦波信号电压，两个所述锚固单元的所述第二介电弹性体驱动器施加的电压为方波电压信号。
[0018]根据本专利技术进一步的实施例，所述前部锚固单元的电压驱动信号相位为0
°
，所述伸长单元的电压驱动信号相位为270
°
，所述后部锚固单元的电压驱动信号相位为180
°
。
[0019]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0020]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0021]图1为本专利技术实施例的基于智能材料驱动的软体管道探测机器人的结构示意图。
[0022]图2为本专利技术实施例的基于智能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于智能材料驱动的软体管道探测机器人，其特征在于，包括：伸长单元，所述伸长单元包括柱状的第一介电弹性体驱动器，所述第一介电弹性体驱动器施加电压后轴向伸长；两个锚固单元，两个所述锚固单元中的一个所述锚固单元为前部锚固单元且另一个所述锚固单元为后部锚固单元，两个所述锚固单元分别位于所述伸长单元的轴向两端且与所述伸长单元同轴对接相连；每一所述锚固单元包括柱状的第二介电弹性体驱动器和两个柔性铰链，每一所述柔性铰链包括基部和多个支链，多个所述支链围绕所述基部的周边阵列分布，多个所述支链均包括支链主体和支链末端，所述支链主体的一端与所述基部的周边之间以及所述支链主体的另一端与所述支链末端的一端之间均采用柔性连接，两个所述柔性铰链的所述基部分别一一对应地与所述第二介电弹性体驱动器的轴向两端相连，两个所述柔性铰链的多个所述支链末端一一对应地粘贴相连形成锚固足，并使得两个所述柔性铰链的多个所述支链与所述第二介电弹性体驱动器的外周面呈锐角布置；当所述第二介电弹性体驱动器施加电压后，所述第二介电弹性体驱动器轴向伸长而使得所述锚固单元的径向尺寸缩小；工作时，所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人置于管道中后，由于两个所述锚固单元的初始直径比所述管道的内直径大，因而两个所述锚固单元在径向方向上会经预压缩后被放置于所述管道中并通过所述锚固足锚固在所述管道的内壁上，由于两个所述锚固单元的所述第二介电弹性体驱动器本身弹力的作用会产生预紧力，当所述前部锚固单元施加电压后而使自身预紧力减小，同时所述伸长单元施加电压后自身轴向伸长，使得所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人前伸一段距离，进而所述前部锚固单元断电而使自身锚固力恢复，将所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人前伸距离锁住，而所述后部锚固单元开始施加电压而使自身锚固力减小，所述伸长单元断电后在弹性力的作用下恢复长度，带动所述后部锚固单元前进，从而使所述基于智能材料驱动的软体管道探测机器人在两个所述锚固单元及所述伸长单元的协调下实现前进运动。2.根据权利要求1所述的基于智能材料驱动的软体管道探测机器人，其特征在于，所述伸长单元还包括分别嵌设有第一磁铁的两个所述第一连接件以及分别嵌设有第二磁铁的两个同心结构件，两个所述第一连接件分别对应地固定在所述第一介电弹性体驱动器的轴向两端上，两个所述同心结构件的所述第二磁铁与两个所述第一连接件中的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧婵，汤超，杜伯源，姜淞文，刘辛军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：