CN104875216A - 一种基于介电高弹体的变形体及基于该变形体的柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电高弹体的变形体，包括层叠的介电高弹体薄膜，任意相邻两层介电高弹体薄膜之间均设有至少两个相对位置相同、且相互隔离的柔性电极；以相对位置相同的柔性电极作为一组，每一组分别对应设有驱动电路，以同一组中任意相邻两个柔性电极作为一对，所述驱动电路为对应组中任意相邻两对柔性电极提供极性相反的驱动电压。本发明采用介电高弹体制作变形体及基于该变形体的柔性机械手，不仅可以让变形体所有结构均为柔性材料，同时对电极部分进行分区供电控制，可以让变形体向任意方向弯曲。且该柔性机械手结构全软，具有很好的弹性，因此即使在大冲击下也不会损坏，解决了现有变形体含有硬部件易损坏待抓取物件的问题。

Description

一种基于介电高弹体的变形体及基于该变形体的柔性机械手

技术领域

本发明涉及物料自动抓取装置技术领域，具体涉及一种基于介电高弹体的变形体及基于该变形体的柔性机械手。

背景技术

变形体是一种可以在特定情况下(如温度，电压，外力)可以产生变形的物体，主要应用在机械手和机器人方面。

现有的变形体的驱动变形的方式多为机械驱动，采用如齿轮，滑轮，皮带等零部件组而成，并用电机驱动，也有利用温度使得物体产生固液相变化从而驱动变形体变形。

近年来还兴起一种形状记忆合金材料(SMA)，其在不同温度下可以产生可恢复的变形，利用SMA可以设计各种变形体。

公开号为102424074A的专利公开了一种圆筒形仿变形虫移动机器人本体结构，包括主支架，其上安设若干带状移动部件和若干带状驱动部件，其带状移动部件通过设在宽滚轮上并环绕宽支架一周的宽皮肤实现翻转运动。

该发明具有结构紧凑、灵活、运动能力强、适用范围广等特点，拓展了移动机器人的运动能力和工作空间，在穿越封闭空间障碍物的应用领域具有很好的实际应用前景。

但是上述的所有变形体中都含有硬部件，没有一个变形体能够做到其所有结构都是柔性的。

例如，日本的一个课题组研究出一种全软的变形体，其将一根软管中间开出三个流道，通过给不同流道充气实现软管的变形。该变形体虽然是全软的，但是由于其通过气压驱动，在某些环境下(如真空)不能使用，因此有一定的局限性。

同样，哈佛大学的Whitesites课题组也设计了一种全软的充气式变形机器人，这种机器人可以通过控制各个脚的充气状态使机器人身体变形，从而进行爬行，但是同样存在要在非真空条件下工作的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于介电高弹体的变形体及基于该变形体的柔性机械手。

一种基于介电高弹体的变形体，包括层叠的介电高弹体薄膜，任意相邻两层介电高弹体薄膜之间均设有至少两个相对位置相同、且相互隔离的柔性电极；

以相对位置相同的柔性电极作为一组，以同一组中任意相邻两个柔性电极作为一对，每一组分别对应设有驱动电路，所述驱动电路为对应组中任意相邻两对柔性电极提供极性相反的驱动电压。

本发明中的变形体需要通过高压驱动，各个驱动电路提供的驱动电压为1～10KV。且为实现对变形体变形方向以及形变量的灵活控制，各个驱动电路提供的驱动电压在该范围内连续可调。在实际应用中，可单独设置控制端电路，以对各个驱动电路输出的驱动电压进行控制调节，实现各组柔性电极间的协同，进而是变形体发生相应的形变。

本发明采用介电高弹体制作变形体，不仅可以让变形体所有结构均为柔性材料，同时对电极部分进行分区供电控制，可以让变形体向任意方向弯曲。将多个变形体进行组合可以制成更多的柔性器件(如柔性机械手)。由于其结构全软，具有很好的弹性，因此即使在大冲击下也不会损坏，解决了现有变形体含有硬部件易损坏的问题。

柔性电极的大小和个数根据实际应用情况、以及制备工艺设定，通常柔性电极的个数越多，控制精度越高，考虑到实际应用和工艺限定，本发明中任意相邻两层介电高弹体薄膜间均设有四个柔性电极。

由于介电高弹体薄膜用于驱动时，需要高压。为实现各个柔性电极间的电气隔离。作为优选，所述柔性电极之间的最短距离为2～5mm，最优为2mm。

进一步，若在介电高弹体薄膜间(包括上、下表面)的柔性电极边缘到介电高弹体薄膜边缘不存在间距，在使用时，由于高压作用，介电高弹体薄膜边缘时可能出现空气被击穿的情况。因此，各个柔性电极边缘到介电高弹体薄膜边缘的最短距离为5～10mm，最优为5mm。

各个柔性电极的大小互不影响，相互独立。此外，不同层介电高弹体薄膜的柔性电极的个数和位置应该保持一致，以使每一层介电高弹体薄膜特定位置产生的形变方向一致，进而能够提供足够的形变。

每一层的介电高弹体薄膜的厚度为0.1～1mm。所述柔性电极的厚度为100nm～2μm。

通常介电高弹体薄膜需要高电压驱动，一般为3kV～20kV，这也是市面上现有的大部分高压电源的电压范围，对于大部分介电高弹体材料，如果厚度大于1mm，即便是20kV的高压也难以驱动，而如果薄膜厚度小于0.1mm，在3kV的电压下就已经很容易击穿，因此选择介电高弹体薄膜的厚度为0.1～1mm，可以确保薄膜在不被击穿的前提下有较好的驱动效果。

而柔性电极通常是利用刷子，滚轮等方法涂在介电高弹体薄膜表面上，因此厚度在微米级别，一般对柔性电极的要求为厚度均匀，避免出现部分位置电极空缺的情况。

所述变形体中介电高弹体薄膜的层数为50～100层。作为优选，所述介电高弹体薄膜的层数为50层。

由于每一层介电高弹体薄膜最大厚度为1mm，为了使整个变形体呈现出条形柱状形状，因此需要至少几十层以上的薄膜，以便使整个结构产生较为明显的弯曲变形，从而借助变形体实现各种功能；而当层数过多时，整个变形体结构会过于狭长，这样虽然可以产生较大的弯曲变形，却不能产生足够的驱动力，从而影响其他功能的实现。因此要求介电高弹体薄膜的层数为50～100层。

本发明还提供了一种柔性机械手，包括至少两个如上所述的变形体，各个变形体沿圆周均匀分布。

实际应用时，柔性机械手包括的变形体的个数和分布方式根据实际待抓取物件的形状和尺寸设定。当待抓取物件的外周为圆形时，作为优选，所述的机械手包括4个变形体，且4个变形体呈正方形排列，分别位于正方形的四个角上。

与现有技术相比，本发明采用介电高弹体制作变形体及基于该变形体的柔性机械手，不仅可以让变形体所有结构均为柔性材料，同时对电极部分进行分区供电控制，可以让变形体向任意方向弯曲。且该柔性机械手结构全软，具有很好的弹性，因此即使在大冲击下也不会损坏，解决了现有变形体含有硬部件易损坏待抓取物件的问题。

附图说明

图1为本实施例的基于介电高弹体的变形体的结构示意图；

图2为各柔性电极相对于介电高弹体薄膜的分布位置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本实施例的基于介电高弹体的变形体，包括层叠50层的介电高弹体薄膜1，相邻两层介电高弹体薄膜间均设有4个相互隔离的柔性电极2。任意相邻两层间的4个柔性电极的相对于介电高弹体薄膜的分布位置相同。

以相对位置(即相对分布位置)相同的柔性电极作为一组，以同一组中任意相邻两个柔性电极作为一对，每一组分别对应设有驱动电路，驱动电路为对应组中任意相邻两对柔性电极提供极性相反的驱动电压。

本实施例中每个驱动电路提供的驱动电压在1～10kV之间连续可调，各个导电区域之间为并联。

为使驱动电路为相邻一对柔性电极提供的驱动电压极性相反，将该组中的柔性电极通过导线交替连接到驱动电路的正、负极即可。

本实施例中每一层的介电高弹体薄膜为圆形，直径为15mm，厚度为1mm，柔性电极的厚度为1μm。

本实施例中各柔性电极在介电高弹体薄膜上的分布位置如图2所示，两层之间有四个柔性电极，分别对应图中a、b、c、d对应的阴影区域，四个柔性电极2的形状相同，均为1/4扇形，且在介电高弹体薄膜1上呈轴对称分布。

由于该变形体实现变形是基于介电高弹体薄膜在高压作用下的形变实现。因此，为保证各个柔性电极之间不导通(即电气隔离)，相邻柔性电极之间的最短距离为2mm。

此外，为避免介电高弹体薄膜边缘时可能出现空气被击穿的情况。因此，各个柔性电极边缘到介电高弹体薄膜边缘的最短距离为5mm。

本实施例中采用该变形体制备一种柔性机械手来抓取杯子，该杯子为圆柱形，直径为80mm，高度为100mm。

该柔性机械手包括4个上述的变形体，且四个变形体按照正方形排列，分别位于正方形的四个角上，正方形的对角线长度为80mm。即每个变形体和其不相邻的变形体之间的间距为80mm。

此外，为增大机械手与杯子之间的摩擦力，本实施例中变形体的外边缘成锯齿状。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于介电高弹体的变形体，其特征在于，包括层叠的介电高弹体薄膜，任意相邻两层介电高弹体薄膜之间均设有至少两个相对位置相同、且相互隔离的柔性电极；

以相对位置相同的柔性电极作为一组，每一组分别对应设有驱动电路，以同一组中任意相邻两个柔性电极作为一对，所述驱动电路为对应组中任意相邻两对柔性电极提供极性相反的驱动电压。

2.如权利要求1所述的基于介电高弹体的变形体，其特征在于，任意相邻两层介电高弹体薄膜间均设有四个柔性电极。

3.如权利要求1所述的基于介电高弹体的变形体，其特征在于，所述柔性电极之间的最短距离为2～5mm。

4.如权利要求1所述的基于介电高弹体的变形体，其特征在于，各个柔性电极边缘到介电高弹体薄膜边缘的最短距离为5～10mm。

5.如权利要求1所述的基于介电高弹体的变形体，其特征在于，每一层介电高弹体薄膜的厚度为0.1～1mm。

6.如权利要求5所述的基于介电高弹体的变形体，其特征在于，所述柔性电极的厚度为100nm～2μm。

7.如权利要求6所述的基于介电高弹体的变形体，其特征在于，所述变形体中介电高弹体薄膜的层数为50～100层。

8.一种柔性机械手，其特征在于，包括至少两个如权利要求1～7中任意一项所述的变形体，各个变形体沿圆周均匀分布。

9.如权利要求8所述的柔性机械手，其特征在于，包括4个变形体，且4个变形体呈正方形排列，分别位于正方形的四个角上。