一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人的制作方法

本发明涉及软体爬行机器人，特别是涉及一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人。

背景技术：

1、随着社会的发展，城区的改建，上世纪建设的电线杆供电、蛛网式拉线等高低空架线，由于影响市容及用电安全的考虑，逐渐改建为地底电缆，地下电缆具有占地小、输电可靠的优点，成为人们改建的首选。但是随着世纪初，城镇建设规划的不完整性，导致老城区的地底电缆存在着布线乱、巡检难、环境差等多种问题，布线杂乱常规巡检机器人更无法代替人工巡检，并且40％的地底电缆巡检空间直径不超过50cm，人工无法深入，地底电缆还可能存在着腐烂动物尸体、漏电、有毒气体等，而且随着时间的增长，电路老化问题逐渐频繁和严重，老城区的地下电缆巡检越加频繁。

2、目前最常用的地下电缆问题检修方法主要是人工爬入狭小的空间进行巡检，这种方法存在着一定的危险性，由于地底情况未知，巡检工人需要长时间在狭小的空间内作业，以及地底动物尸体腐烂等等，导致巡检工人在巡检电缆过程中，存在着诸多生命安全风险问题。另一种方法采用将电缆拖拉出来进行检修，或者整根替换检修，但是该方法仍存在着巡检过程的成本投入较大、时间成本花费较多，巡检的时长可达两倍不止。因此，针对老城区的地下电缆巡检作业，亟需一种智能化、便携式，可应对老城区地底复杂环境的巡检机器人，代替人工巡检，降低巡检成本。

3、现存的巡检机器人大多数针对新建成的地底电缆巡检，例如综合管廊巡检机器人、波士顿动力四足机器人等机器人，都需要较大平缓的空间进行运动巡检，无法通过狭小的地方去进行巡检，在遇到老城区的交错纵横的地下电缆，更是无法正常进行巡检作业，并且刚性机器人在遇到复杂的地底环境下，刚性结构会限制机器人应对例如漏电、缠线、绊线等特殊情况。目前也存在少部分的软体机器人，但是，大多数的软体管道巡检机器人只能针对特定的场所进行巡检，例如光滑管道内壁、特定爬行管道等，并且其软体驱动器多数只能实现单维度的运动，少数实现多维度运动的驱动器多为添加了刚性结构或限制层，但也只能做单一的自由度运动，总而言之，目前不论刚性巡检机器人或者软体巡检机器人，均无法应对未知的老城区地底电缆的复杂情况，更无法完成正常的巡检作业。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人，解决了无法应对未知的老城区地底电缆的复杂情况，更无法完成正常的巡检作业的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人，包括：折纸软体驱动器、可活动刚柔卡爪和环抱式硅胶软脚，所述折纸软体驱动器的两端通过涂抹硅胶分别与卡设在前套筒中的前软体垫片和卡设在后套筒中的后软体垫片固定连接，所述前套筒和所述后套筒分别通过前固定销和后固定销与前z字底座和后z字底座固定连接，所述前z字底座和所述后z字底座分别通过弧形前底座和弧形后底座与前转轴和后转轴过盈连接，所述前转轴和所述后转轴分别与前卡槽和后卡槽固定连接，所述前卡槽内套设有前红外摄像头，所述后卡槽内套设有后红外摄像头，所述前z字底座和所述后z字底座下方两侧均扣设有可活动刚柔卡爪，所述弧形前底座和所述弧形后底座下方两侧均连接有环抱式硅胶软爪。前红外摄像头和后红外摄像头用于黑暗环境下对前后电缆情况的观察和录像，帮助巡检工人发现内部情况和电缆破损情况。弧形前底座和弧形后底座采用弧形设计，方便贴合电缆的圆形结构，增大接触面积，防止机器人爬行过程中倾倒，并且通过弧形前后底座的上圆环宽度设计。前套筒和后套筒采用了四孔镂空设计，能够保证结构强度的情况下，较少耗材使用，并可以穿过硅胶气管。

3、优选的，所述折纸软体驱动器包括右折纸软体气囊、左折纸软体气囊和上折纸软体气囊，所述右折纸软体气囊、所述左折纸软体气囊和所述上折纸软体气囊等距排布且均与所述前软体垫片和所述后软体垫片固定连接。利用折纸软体的特性，膨胀时最大程度纵向伸长和弯曲，而不是横向膨胀损失长度，和气液驱动控制，对折纸软体进行充吸气，并搭配前左软脚和前右软脚、后左软脚和后右软脚的组合控制，来固定机器人的位置，实现折纸软体机器人的伸缩和抬升、弯转等效果。所述右折纸软体气囊、所述左折纸软体气囊和所述上折纸软体气囊外表面均为吉村折纸结构，内表面均为管状折纸结构，所述吉村折纸结构为三角构型，每层三角构型错位角度为60°。吉村折纸结构具有折叠比高，伸缩能力强，承压能力强；利用吉村折纸的高折叠比、实现优秀的伸缩和弯转能力，但是单一的吉村折纸软体只能够实现伸缩的单一自由度，因此将一个吉村折纸软体等分成三个腔室，在吉村折纸软体内部加上内表面结构，该内表面需要具备和吉村折纸软体相同的折叠效果，并且能够具有弯曲的形变，而管状折纸结构则具有优良的折叠性能，并且能够完成弯曲运动，利用被管状折纸结构所区分成三部分并为中心对称的吉村折纸与管状折纸耦合的气囊，完成伸缩与弯转运动。

4、优选的，所述可活动刚柔卡爪包括前右卡爪、前左卡爪、后右卡爪和后左卡爪，所述前右卡爪和所述前左卡爪均与所述前z字底座扣设连接，所述后右卡爪和所述后左卡爪均与所述后z字底座扣设连接。能够保证相互固定，通过开合运动方式，搭配脚步内侧设计的圆角结构，达到初步自适应电缆上部外径效果。

5、优选的，所述前左卡爪和所述前右卡爪组成前刚性开合式脚部结构，所述后左卡爪和所述后右卡爪组成后刚性开合式脚部结构。

6、优选的，所述环抱式硅胶软脚包括前右软脚、前左软脚、后右软脚和后左软脚，所述前右软脚和所述前左软脚均与所述弧形前底座固定连接，所述后右软脚和所述后左软脚均与所述弧形后底座固定连接。当软脚进行充气时，发生弯曲，通过充气时的气压大小控制，对弯曲的角度和范围将进行控制，实现两侧软脚对不同直径的电缆进行适配环抱，进一步贴合与电缆外径的圆形结构，使步态规划中，脚部部位需要进行与电缆的固定时更加牢固，并且能适配不同外径的电缆；当软脚进行抽气时，将发生向外侧的微小弯曲，使脚部与电缆进行分离，取消两者之间的接触，避免了因接触产生的摩擦力因素，在抬头以及前进过程中，对于需要进行位移的脚部而言，能避免摩擦力对位移的阻碍，使运动效果更加灵活。

7、优选的，所述前左软脚、所述前右软脚、所述后左软脚和所述后右软脚均为分节式气囊结构。前左软脚、前右软脚、后左软脚和后右软脚为四个气囊，同一端的两个气囊可看作一个腔室，对两个气囊同时进行充气和抽气操作以及气压控制，即可实现脚部与电缆之间的不同接触类型，通过接触类型的变化，来适应不同的运动姿态需求以及不同直径的需巡检电缆。

8、一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人的折纸软体驱动器制作工艺，包括以下步骤：

9、s1、折纸软体驱动器的设计，吉村折纸与管状折纸采用一一相对的方式；吉村折纸向外突出对应的管状折纸向内凹陷，吉村折纸向内凹陷对应的管状折纸向外突出；对两个折纸结构进行三维模型的设计，再通过两个折纸结构模型拟合剪切，完成折纸软体气囊的模型设计，再通过三个折纸软体气囊依次旋转120°，实现三合一，完成折纸软体驱动器设计；

10、s2、制作工艺，采用硅胶配方和模块化模具设计完成折纸软体的一体成型，保证硅胶软体的承压可达到0.5mpa，漏气概率不到1％；

11、s21、硅胶配比制作工艺，采用posilicone硅胶材料，软度为20％，a胶39.1g，b胶39.2g，质量误差在0.5g内，通过ab胶同时加注至干净容器，同时加注可以提高ab胶混合程度，降低硅胶制作时，部分区域无法配比合理，之后逆时针搅拌2分钟，顺时针搅拌2分钟，搅拌过程中，将容器倾斜45°，需要触及杯底进行搅拌，以此达到最佳混合状态，再将硅胶放置真空容器中，保持温度在20℃-25℃，防止硅胶过热凝固，抽真空5分钟，将硅胶中的气泡抽出；

12、s22、折纸软体浇筑模具制作工艺，通过相交剪切的方式，利用长方形和原模型相交，将原模型剪切，完成初版模具的设计，通过推拉操作，将模具壁厚减小1.5mm，再采用模块化设计思维将外壁模具拆分成左吉村外壁模具、右吉村外壁模具、管状外壁模具、折纸中间模具，在硅胶成型之后，可以通过快速拆卸实现快速脱模，完成折纸软体气囊的一体成型，模具采用3d打印，材料为pla聚乳酸，底床温度50℃，挤出温度170℃，完成模具打印之后，将模具进行拼接，拼接倾斜度不超过0.5°，拼装完成后，对底座进行热熔胶封底，外围采用密封胶带缠绕；

13、s23、折纸软体气囊浇筑工艺，浇筑过程中，进行单边浇筑，并且要保证其余边有出气口，保证温度在20℃-25℃，硅胶挤出速率不超过10ml/min，在完成所有浇筑之后，将该模具放入恒温箱中，温度设定60℃，时间设置在4小时，将模具取出；

14、s24、模块化模具拆卸及软体封装工艺，首先拆除外层的密封胶及底座热熔胶，之后将底座拆除，在通过模具缝隙，将左吉村外壁模具、右吉村外壁模具拆除，最后拆除管状外壁模具，再通过反向剥离的方法，抽出折纸中间模具，通过对外围修剪，得到一体成型的折纸软体气囊一个，再重复操作两次，完成三个折纸软体气囊的制作，之后将三个折纸软体气囊沿着接触面进行拼接，利用硅胶胶水的粘连，将三个折纸软体气囊进行固定，得到初版的折纸软体驱动器，再通过硅胶封底，将折纸软体驱动器进行密封，再进行气管插管和密封，得到四自由度的折纸软体驱动器。

15、一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人的并行气液驱动控制多腔室，包括：12个电磁阀，12个所述电磁阀的上表面的一端均设置有气接口2，12个所述电磁阀的下表面均设置有气接口1和气接口3，且所述气接口1和所述气接口3平行等距排列。采用的电磁阀为两位三通、常闭、单稳态电磁阀，以电控方式实现气液路变更，复位方式为弹簧复位，流向有限可逆，工作电压为24v dc，接口型号为qs-4，分别有三个通孔，常闭状态下气接口2与气接口3实现气流\液体通路，通电后气接口2与气接口1实现气流\液体通路，可适应的气流工作压力在-0.9mpa～0.8mpa，液体工作压力在0～0.7mpa。

16、优选的，12个所述电磁阀分别为正气源\液压输入控制、前软脚充抽气体\液体状态控制、后软脚充抽气体\液体状态控制、上折纸软体气囊充抽气体\液体状态控制、左折纸软体气囊充抽气体\液体状态控制、右折纸软体气囊充抽气体\液体状态控制、前软脚形变状态维持控制、后软脚形变状态维持控制、上折纸软体气囊形变状态维持控制、左折纸软体气囊形变状态维持控制、右折纸软体气囊形变状态维持控制和负气源\液压输入控制。

17、一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人的仿鳞翅目幼虫蠕动式四自由度运动的步态规划，包括第1次爬行周期、停止状态、循环爬行状态和抬头状态。将前右软脚、前左软脚、后左软脚、后右软脚分别与前右卡爪、前左卡爪、后左卡爪、后右卡爪的凹槽进行配合，模拟鳞翅目幼虫足部情况；搭配由右折纸软体气囊、左折纸软体气囊、上折纸软体气囊三气囊并行复合的四自由度的双折纸耦合软体驱动器，模拟鳞翅目幼虫9个环节躯体，实现仿生蠕动爬行的步态规划结构基础。

18、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

19、本发明提供了一种用于地底电缆巡检的四自由度折纸软体机器人，通过折纸结构耦合设计，减小原有软体的横向膨胀，增加纵向膨胀度，并提高软体的耐压值，通过双折纸结构的耦合，可以实现折纸软体气囊的伸缩和弯曲，再将三个折纸软体气囊粘合，完成折纸软体驱动器设计，该折纸软体驱动器具有伸缩、上抬下放、左抬右放，右抬左放的四种自由度。通过刚性卡爪和软体脚部相结合，改进刚性卡爪固定方式，通过中间转轴的旋转连接，可以实现两个刚性卡爪相对转动，实现折纸软体机器人适配20mm-60mm电缆直径，而不需要另外更换脚部。通过并行控制算法设计和多腔室气液驱动控制，可以实现通过冲气液或吸气液的方式，达到折纸软体机器人的不同运动效果。通过仿照鳞翅目幼虫爬行过程中的运动效果，利用脚部气囊和中间折纸软体驱动器的相互配合，可以实现机器人的蠕动式爬行，及各种运动效果实现。