CN105598959B - 基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，包括依次相连接的多个纵肌和环肌，每个纵肌的四角设置有四个延伸部位，所述延伸部位连接所述纵肌两侧的环肌，每个环肌的两侧固定一组刚毛和一组配重。本发明在任一段增加一个纵肌和一个环肌，就可以增加一个环节，重复增加和减少，就可以灵活控制仿生变形环节机器人的长度。本发明模仿蚯蚓的运动方式，通过在每一环节的纵肌和环肌分别加上周期相同相位不同的高电压，当一个环肌与地面摩擦力最大时，另一个环肌与地面摩擦力最小，同时纵肌纵向舒张，达到环节机器人向固定方向运动的目的。

Description

基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域的仿生变形环节机器人，具体地，涉及一种基于电活性聚合物的软体仿生环节机器人。

背景技术

近来，为解决复杂的工程学问题，人类不断模仿自然界的智慧，仿生学正日益发展。作为生物界中最早能在陆地上灵活运动的动物之一，蚯蚓等环节动物的波动运动方式在生物学上正受到广泛关注，然而对于这种简单而有效的运动方式的仿生学研究还处于起步阶段。环节动物的同律分节显著提高了其运动能力且有利于仿生机器人的模块化。环节动物通过环肌与纵肌的舒张配合运动，其柔软的身体使得在极端环境中的运动成为可能。基于这些运动特点，仿生环节机器人适合在救灾机器人及工业检测领域的应用，已经成为当前研究的一个重要方向。

经过现有技术的文献搜索发现，意大利比萨圣安娜高等学校的A.Menciassi等人在其论文“A SMA Actuated Artificial Earthworm”中介绍了一种基于记忆合金(SMA)驱动器的仿生环节机器人，其制作通过在弹簧骨架中嵌入多个由SMA驱动器组成的运动环节来完成。预制的骨架限制了机器人环节的数量，使得在实际应用中无法通过减少环节的方式以运动速度换取更小的体积。SMA驱动器本质是合金，其刚性特征限制了机器人在极端环境中缩小体积穿越障碍的能力。SMA驱动器的反应时间较长，使机器人的移动速度最高只能达到0.22mm/s。此外，在硅胶囊中植入SMA微弹簧制作SMA驱动器的过程需要精细加工，增加了机器人的制备难度。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明的提供一种基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，模仿蚯蚓运动，使其能够在实际应用中灵活增减环节，身体有一定的缩放限度可改变体积穿越障碍物，具有较高的移动速度，且制备更为简便。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，包括依次相连接的多个纵肌和环肌，每个纵肌的四角设置有四个延伸部位，所述延伸部位连接所述纵肌两侧的环肌，每个环肌的两侧固定一组刚毛和一组配重。

所述纵肌和环肌均为可径向运动的8字形电活性聚合物驱动器，利用8字形结构能够在高电压下发生明显的形变特性，实现纵肌的轴向运动；所述环肌的四角设置有和纵肌的延伸部位相契合的缺口，在电压驱动下，发生高度变化；所述刚毛为两簇竖直向下的刷毛，固定在环肌两侧，其长度为在环肌舒张到最低点时正好触地为准；所述配重固定在环肌四角缺口旁边，利用其自身重量使环肌不会在纵肌舒张时发生转动。

在所述纵肌和环肌上分别加上周期相同相位不同的高电压，当一个环肌与地面摩擦力最大时，另一个环肌与地面摩擦力最小，同时纵肌纵向舒张，使得机器人向固定方向运动。

所述配重为四个螺钉，用VHB的粘性固定。

所述8字形电活性聚合物驱动器采用两侧涂有碳粉的介电弹性体提供舒张动力，外侧极薄的亚克力板框架提供支撑和拮抗力的电活性聚合物肌肉。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：采用8字形电活性聚合驱动器，可以得到高效稳定的形变；采用环肌和纵肌组合的结构，保证和蚯蚓结构的一致性，可以稳定的向固定方向运动，同时可以灵活调节机器人的长度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所提供的机器人任一环节结构示意图；

图2为图1中纵肌结构示意图；

图3为图1中环肌及刚毛、配置结构示意图；

图4为本发明所提供的环节机器人整体三维模拟图。

图中：1为纵肌，2为环肌，3为配重，4为刚毛，5为8字形电活性聚合物驱动器，6为纵肌延伸部位，7为环肌缺口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1～图4所示，本发明提供一种仿生变形环节机器人，包括依次相连接的多个纵肌和环肌。每个纵肌1的四角设置有四个纵肌延伸部位6，四个纵肌延伸部位6连接纵肌两侧的环肌2，每个环肌2的两侧固定一组刚毛4和一组配重3。

单个环节中纵肌1材料为可径向运动的8字形电活性聚合物驱动器，其四角有四个纵肌延伸部位6，利用8字形结构可在特定方向有明显的形变，充当纵肌，实现纵肌的轴向运动。单个环节中环肌2材料同样为8字形电活性聚合物驱动器，在四角有和纵肌1相契合的环肌缺口7，在电压驱动下，会发生高度变化。每组刚毛4材料为两簇长度特定的刷毛，固定在环肌2两侧，其长度为在环肌2舒张到最低点时正好触地为准。每组配重3为四个螺钉，固定在环肌2四角缺口旁边，利用其自身重量使环肌2不会在纵肌1舒张时发生转动。

单个环节环肌2材料同样为8字形电活性聚合物驱动器5，在四角有和纵肌结构相契合的环肌缺口7。用VHB的粘性将配重3固定在环肌2四角的四个环肌缺口7旁边，利用其自身重量使环肌2不会在纵肌1舒张时发生转动；刚毛4利用VHB固定在环肌2两侧，垂直向下，保证其长度为在环肌2舒张到最低点时正好触地。

如图4所示，环节机器人可以在任意一端多连接一个纵肌和环肌，达到增加一个环节的目的。重复增加环节，达到机器人多环节的目的，就可以灵活控制仿生变形环节机器人的长度。

本发明模仿蚯蚓的结构，纵肌1、环肌2和刚毛4分别对应蚯蚓单个环节中的纵肌，环肌和刚毛。利用8字形电活性聚合物驱动器5在高电压下在特定方向有明显形变的特征，实现纵肌1在轴向方向的运动。利用8字形电活性聚合物驱动器5在高电压下发生形变后高度的变化，配合特定长度的刚毛4，实现环肌2增减与地面摩擦力的目的。本发明模仿蚯蚓的运动方式，在每一环节的纵肌1和环肌2分别加上周期相同相位不同的高电压，当一个环肌2与地面摩擦力最大时，另一个环肌2与地面摩擦力最小，同时纵肌1纵向舒张，达到环节机器人向固定方向运动的目的。

环节机器人单个环节中，8字形电活性聚合物驱动器采用两侧涂有碳粉的介电弹性体在高电压下提供舒张动力，外侧极薄的亚克力板框架提供支撑和拮抗力的电活性聚合物肌肉。介电弹性体是一类可在高电压下产生高强度电场并在自身电场作用下扩大面积的电活性聚合物。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，其特征在于，包括依次相连接的多个纵肌和环肌，每个纵肌的四角设置有四个延伸部位，所述延伸部位连接所述纵肌两侧的环肌，每个环肌的两侧固定一组刚毛和一组配重，所述纵肌和环肌均为可径向运动的8字形电活性聚合物驱动器，所述8字形结构能够在电压下发生明显的形变特性，实现纵肌的轴向运动。

2.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，其特征在于，所述环肌的四角设置有和纵肌的延伸部位相契合的缺口，在电压驱动下，发生高度变化；所述刚毛为两簇竖直向下的刷毛，固定在环肌两侧，其长度为在环肌舒张到最低点时正好触地为准；所述配重固定在环肌四角缺口旁边，利用其自身重量使环肌不会在纵肌舒张时发生转动。

3.根据权利要求2所述的基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，其特征在于，在所述纵肌和环肌上分别加上周期相同相位不同的电压，当一个环肌与地面摩擦力最大时，另一个环肌与地面摩擦力最小，同时纵肌纵向舒张，使得机器人向固定方向运动。

4.根据权利要求2所述的基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，其特征在于，所述配重为四个螺钉，用VHB的粘性固定。

5.根据权利要求2所述的基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人，其特征在于，所述8字形电活性聚合物驱动器采用两侧涂有碳粉的介电弹性体提供舒张动力、外侧亚克力板框架提供支撑和拮抗力的电活性聚合物肌肉。