CN108274468B - 一种基于介电弹性体的无线操控机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电弹性体的无线操控机器人，包括矩形结构的支撑构件，支撑构件内还设置有两个处于同一平面的弹性驱动元件，支撑构件的两个侧板上分别开设有与驱动元件尺寸相适应的滑槽，驱动元件能够沿滑槽拉伸或收缩，两个驱动元件使用连接组件连接，本发明还公开了无线操控机器人的控制方法，利用连接组件将驱动元件的平面运动转换为旋转运动来驱动机器人的运动；无线加载通过输入红外信号经单片机控制输出方波信号来实现电源的通断，并利用高压驱动模块来实现低压到高压的转换，为驱动元件加载电压。本发明所提出的机器人不仅实现了远程加载与控制，而且方法简单、成本低廉，在无人探测、军事侦察以及仿生机械等领域具有广阔应用前景。

Description

一种基于介电弹性体的无线操控机器人及控制方法

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于介电弹性体的无线操控机器人，还涉及一种基于介电弹性体的无线操控机器人的控制方法。

背景技术

传统的机器人大多由复杂的传动系统以及电机来完成驱动过程，虽然这种刚性驱动具有输出功率大、驱动速度快以及优良的稳定性等特点，但其结构复杂、体积庞大、成本昂贵，缺乏生物亲和性且容易产生额外噪音，从而限制了传统机器人在军事侦察、航空航天以及仿生驱动等领域的应用。介电弹性体(Dielectric elastomer，DE)是一种在外界电激励下可产生大变形，当激励撤销后又能恢复初始形状的新型电活性聚合物材料；这种材料具有变形大、响应快、能量密度高、质轻价廉以及易于成形且不易疲劳损伤等突出优点而又被成为“人工肌肉”，目前在柔性传感与驱动、仿生机器人、能量俘获以及可控光学等领域成为一个研究热点。

目前基于介电弹性体材料的柔性驱动元件或仿生机器人大多直接利用弹性薄膜的面内或者面外变形来实现驱动，这种方式虽然简便易行但驱动力却很小，使得基于介电弹性体驱动结构的应用受到很大限制；此外介电弹性体材料的驱动电压需要上千伏的高压激励，现有的加载方式通常采用TREK610E进行加载，但该设备体积庞大，加载时需要通过导线连接介电弹性体的柔性电极，这使得介电弹性体驱动元件或仿生机器人的活动范围大大降低；因此基于介电弹性体材料开发一款具有结构简单、价格低廉、驱动力大、结构稳定性良好且可以远程操控的仿生机器人是介电弹性体材料未来应用于军事侦探与仿生机械等领域的前期探索与实践。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于介电弹性体的无线操控机器人，解决了现有介电弹性体仿生机器人无线加载成本高的问题。

本发明的目的还在于提供一种基于介电弹性体的无线操控机器人驱动元件的制作方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种基于介电弹性体的无线操控机器人，包括矩形结构的支撑构件，支撑构件的两端具有挡板，支撑构件内还设置有两个处于同一平面的弹性驱动元件，驱动元件的一端固接在支撑构件的挡板上、另一端使用连接组件将两个驱动元件连接，支撑构件的两个侧板上分别开设有与驱动元件尺寸相适应的滑槽，驱动元件能够沿滑槽拉伸或收缩，

连接组件包括曲轴，曲轴横向穿过支撑构件的两侧板，曲轴两端安装有同步带轮，

驱动元件的正下方位置设置有横向穿过支撑构件侧板的驱动轴，驱动轴的两端安装有轮子，

同步带轮与其中一个驱动轴之间通过同步齿形带连接，

支撑构件上远离同步齿形带的一端还设置有无线加载模块，无线加载模块通过导电铝箔与两个驱动元件分别连接。

本发明的特点还在于，

无线加载模块包括无线控制模块，无线控制模块包括信号连接的遥控器和接收模块，接收模块上连接有单片机控制器，单片机控制器上还连接有稳压电路，稳压电路与电源连接，电源上还设置有通断开关，通断开关与单片机控制器相连，电源上还连接有高压驱动模块，高压驱动模块通过导电铝箔与驱动元件连接。

连接组件还包括内连杆和外连杆，内连杆、外连杆均套接在曲轴上，其中一个驱动元件与内连杆相连，另一个驱动元件与外连杆相连。

电源通过高压驱动模块对两个驱动元件加载周期与幅值相同、相位差为180°的阶跃电压。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种基于介电弹性体的无线操控机器人的控制方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1、接通电源，按压遥控器上的数字按钮输出对应频率下的红外控制信号，接收模块在检测到接收信号后将其传递至单片机控制器；

步骤2、单片机控制器接收到红外信号后，对信号进行解码，解码后执行相应的程序，单片机控制器输出端口输出两个周期和频率相同，相位差为180°的方波信号；

步骤3、输出控制接口接收到单片机的输出信号后分别控制两个低压电路的通断实现对两个高压驱动模块交替加载的控制；

步骤4、高压驱动模块通过铝箔电极对驱动元件进行电压交替加载，控制驱动元件的伸张收缩，从而带动曲轴实现连续转动，即完成了介电弹性体机器人的间歇性直线运动。

本发明的有益效果是，本发明的一种基于介电弹性体的无线操控机器人通过两个驱动元件在电压加载下的扩张与收缩变形，利用连杆与曲轴将介电弹性体驱动元件的平面运动转换为旋转运动来驱动机器人的运动；本发明所提出的机器人不仅实现了远程加载与控制，而且方法简单、成本低廉，在无人探测、军事侦察以及仿生机械等领域具有广阔的应用前景，本发明不仅结构简单新颖、可操作性强、价格成本低廉，而且能够实现远程操控以及机器人运动速度的调节，特别对于介电弹性体驱动元件及其仿生机器人的研究和开发具有较强的通用性与可扩展性。

附图说明

图1是本发明一种基于介电弹性体的无线操控机器人的结构示意图；

图2是本发明一种基于介电弹性体的无线操控机器人无线加载模块的原理图；

图3是本发明一种基于介电弹性体的无线操控机器人驱动元件的结构示意图。

图中，1.支撑构件，2.驱动元件，4.同步带轮，5.同步齿形带，6.驱动轴，7.轮子，8.外连杆，9.曲轴，10.内连杆，11.无线加载模块，12.无线控制模块，15.高压驱动模块，16.接收模块，17.遥控器，18.稳压电路，19.单片机控制器，21.柔性电极层，22.介电弹性体基体，23.刚性夹板，24.约束条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种基于介电弹性体的无线操控机器人结构如图1所示，包括矩形结构的支撑构件1，支撑构件1的两端具有挡板，支撑构件1内还设置有两个处于同一平面的弹性驱动元件2，驱动元件2的一端固接在支撑构件1的挡板上、另一端使用连接组件将两个驱动元件2连接，支撑构件1的两个侧板上分别开设有与驱动元件2尺寸相适应的滑槽，驱动元件2能够沿滑槽拉伸或收缩，

连接组件包括曲轴9，曲轴9横向穿过支撑构件1的两侧板，曲轴9两端安装有同步带轮4，

驱动元件2的正下方位置设置有横向穿过支撑构件侧板的驱动轴6，驱动轴6的两端安装有轮子7，

同步带轮4与其中一个驱动轴6之间通过同步齿形带5连接，

支撑构件1上远离同步齿形带5的一端还设置有无线加载模块11，无线加载模块11通过导电铝箔与两个驱动元件2分别连接。

如图2所示，无线加载模块11包括无线控制模块12，无线控制模块12包括信号连接的遥控器17和接收模块16，接收模块16上连接有单片机控制器19，单片机控制器19上还连接有稳压电路18，稳压电路18与电源连接，电源上还设置有通断开关，通断开关与单片机控制器19相连，电源上还连接有高压驱动模块15，高压驱动模块15通过导电铝箔与驱动元件2连接。

连接组件还包括内连杆10和外连杆8，内连杆10、外连杆8均套接在曲轴9上，其中一个驱动元件2与内连杆10相连，另一个驱动元件2与外连杆8相连。

电源通过高压驱动模块15对两个驱动元件2加载周期与幅值相同、相位差为180°的阶跃电压。

遥控器用于发出无线操控机器人前进，停止和调速的信号。

单片机控制器19控制电源为高压驱动模块15提供周期性电压。

如图3所示，驱动元件2包括介电弹性体基体22，介电弹性体基体22上下两端分别粘贴有刚性夹板23，介电弹性体基体22两个表面还对称粘贴有若干对约束条24，介电弹性体基体22两个表面和约束条24外表面覆盖有一层柔性电极层21，导电铝箔粘贴在驱动元件2上下表面的柔性电极层21上。

柔性电极层21的覆盖范围为矩形，柔性电极层21高度为两个刚性夹板23之间的垂直距离，宽度小于约束条24长度，需在约束条两端留出一定的空白区域。

电源模块包括7.2V/1800mA的镍镉电池(用来给无线控制与单片机控制模块供电)和3.6V/450mA的锂电池(用来给高压放大模块供电)；

高压放大模块是用来实现低压到高压的转换，主要为EMCO升压装置，其最大的输出电压为8kV。

一种基于介电弹性体的机器人是将两个规格相同的纯剪切介电弹性体驱动元件一端固定在支撑构件上两侧，另一端分别与内连杆和外连杆相连，为了提高纯剪切弹性体的驱动性能，驱动元件在支撑件上应在纵向保持一定的预拉伸量；内、外连杆与曲轴套接并在曲轴一侧安置同步带轮；当两个驱动元件同时施加幅值相等、周期相同且相位差为180°的方波信号时，在麦克斯韦应力、弹性恢复力以及刚性夹板的影响下两个驱动元件分别将在面内产生纵向伸长与收缩变形，在连杆与曲轴的联合作用下平面运动将转换为连续的旋转运动，通过曲轴外侧的同步带轮并借助齿形带带动驱动轴实现机器人的运动。

一种基于介电弹性体的无线操控机器人的控制方法是无线高压驱动模块是借助红外远程信号来实现单片机控制器的输出调控，以此来实现高压放大模块对驱动元件的加载，具体实现步骤为：

步骤1、接通电源，按压遥控器上的数字按钮输出对应频率下的红外控制信号，接收模块在检测到接收信号后将其传递至单片机控制器；

步骤2、单片机控制器接收到红外信号后，对信号进行解码，解码后执行相应的程序，单片机控制器输出端口输出两个周期和频率相同，相位差为180°的方波信号；

步骤3、输出控制接口接收到单片机的输出信号后分别控制两个低压电路的通断实现对两个高压驱动模块交替加载的控制；

步骤4、高压驱动模块通过铝箔电极对驱动元件进行电压交替加载，控制驱动元件的伸张收缩，从而带动曲轴实现连续转动，即完成了介电弹性体机器人的间歇性直线运动。

本发明所涉及的机器人不仅结构简单新颖、可操作性强、价格成本低廉，而且能够实现远程操控以及机器人运动速度的调节，特别对于介电弹性体驱动元件及其仿生机器人的研究和开发具有较强的通用性与可扩展性。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术在不脱离本发明构思的前提下所作出的任何修改、补充以及简单的推演或替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于介电弹性体的无线操控机器人，其特征在于，包括矩形结构的支撑构件(1)，所述支撑构件(1)的两端具有挡板，所述支撑构件(1)内还设置有两个处于同一平面的弹性驱动元件(2)，所述驱动元件(2)的一端固接在支撑构件(1)的挡板上、另一端使用连接组件将两个驱动元件(2)连接，所述支撑构件(1)的两个侧板上分别开设有与驱动元件(2)尺寸相适应的滑槽，所述驱动元件(2)能够沿滑槽拉伸或收缩，

所述连接组件包括曲轴(9)，所述曲轴(9)横向穿过支撑构件(1)的两侧板，所述曲轴(9)两端安装有同步带轮(4)，

所述连接组件还包括内连杆(10)和外连杆(8)，所述内连杆(10)、外连杆(8)均套接在曲轴(9)上，其中一个所述驱动元件(2)与内连杆(10)相连，另一个所述驱动元件(2)与外连杆(8)相连；

所述驱动元件(2)的正下方位置设置有横向穿过支撑构件侧板的驱动轴(6)，所述驱动轴(6)的两端安装有轮子(7)，

所述同步带轮(4)与其中一个驱动轴(6)之间通过同步齿形带(5)连接，

所述支撑构件(1)上远离同步齿形带(5)的一端还设置有无线加载模块(11)，所述无线加载模块(11)通过导电铝箔与两个驱动元件(2)分别连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的无线操控机器人，其特征在于，所述无线加载模块(11)包括无线控制模块(12)，所述无线控制模块(12)包括信号连接的遥控器(17)和接收模块(16)，所述接收模块(16)上连接有单片机控制器(19)，所述单片机控制器(19)上还连接有稳压电路(18)，所述稳压电路(18)与电源连接，所述电源上还设置有通断开关，所述通断开关与单片机控制器(19)相连，所述电源上还连接有高压驱动模块(15)，所述高压驱动模块(15)通过导电铝箔与驱动元件(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于介电弹性体的无线操控机器人，其特征在于，所述电源通过高压驱动模块(15)对两个驱动元件(2)加载周期与幅值相同、相位差为180°的阶跃电压。

4.一种基于介电弹性体的无线操控机器人的无线控制方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤1、接通电源，按压遥控器上的数字按钮输出对应频率下的红外控制信号，接收模块在检测到接收信号后将其传递至单片机控制器；

步骤2、单片机控制器接收到红外信号后，对信号进行解码，解码后执行相应的程序，单片机控制器输出端口输出两个周期和频率相同，相位差为180°的方波信号；

步骤3、输出控制接口接收到单片机的输出信号后分别控制两个低压电路的通断实现对两个高压驱动模块交替加载的控制；

步骤4、高压驱动模块通过铝箔电极对驱动元件进行电压交替加载，控制驱动元件的伸张收缩，从而带动曲轴实现连续转动，即完成了介电弹性体机器人的间歇性直线运动。

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