CN108516029A - 基于介电弹性体的自主滚动软体机器人 - Google Patents

基于介电弹性体的自主滚动软体机器人 Download PDF

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李汶柏
张文明
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

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Abstract

一种基于介电弹性体的自主滚动软体机器人，包括：机器人主体、设置于机器人主体内部的控制系统和设置于机器人主体外部的若干介电弹性体驱动器腿足，其中：介电弹性体驱动器腿足包括柔性框架、加强框架以及设置于其间的介电弹性体薄膜。该机器人结构简单、质量轻、控制方便、作动安静，且具有全柔性、抗冲击的良好性能；通过施加电压即可控制每个介电弹性体驱动器腿足动作从而推动机器人快速滚动，并且集成传感器和控制系统可以实现自主滚动。

Description

基于介电弹性体的自主滚动软体机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人领域的技术，具体是一种基于介电弹性体的自主滚动软体机器人。
背景技术
随着人工智能技术、新材料技术以及各方面应用技术的发展，机器人技术正从传统的工业制造领域向医疗服务、环境勘测、军事侦察等领域迅速扩展，机器人的作业环境从简单、固定、可预知的结构化环境变为复杂、动态、不确定的非结构化环境,这就要求机器人研究在结构、感知、控制、智能等方面给出新方法以适应新环境、新任务、新需求。
滚动机器人拥有较高的移动效率和速度，且结构形式一般为球形或封闭链环状，其控制系统和精密元件可以被外壳包裹而受到保护；滚动机器人和地面接触压力较低，这使得它们能够在较软的地面上运动，如砂砾、雪地、浅滩、泥淖或植被。这些优点使得滚动机器人特别适用于科学探测和军事侦察。
发明内容
本发明针对滚动机器人大多是刚性结构，而且结构复杂笨重，抗冲击性较差，控制相对复杂而且制作成本较高等缺陷，提出一种基于介电弹性体的自主滚动软体机器人，通过介电弹性体驱动器推动机器人高速滚动，实现了机器人结构的全柔性化，并集成了控制系统和传感器，可以实现自主滚动，且机器人具有质轻、成本低、控制方便、抗冲击、作动安静等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：机器人主体、设置于机器人主体内部的控制系统和设置于机器人主体外部的若干介电弹性体驱动器腿足，其中：介电弹性体驱动器腿足包括柔性框架、加强框架以及设置于其间的介电弹性体薄膜。
所述的介电弹性体驱动器腿足为介电弹性体最小能量结构驱动器，通过将预拉伸的介电弹性体薄膜粘贴在中心开孔的柔性框架上并贴上加强框架制成；当介电弹性体驱动器腿足制作完成后会自组装成为旋转关节结构，此时的介电弹性体薄膜变为马鞍形，当对介电弹性体薄膜两侧的柔性电极施加电压时，介电弹性体驱动器腿足会绕轴旋转，逐渐展平，并对外输出推力。
所述的介电弹性体薄膜由两面覆盖柔性电极的聚丙烯酸酯、硅胶或天然橡胶薄膜组成，柔性框架和加强框架为不同厚度的PET通过激光切割制作而成；所述的加强框架采用更厚刚度相对更大的PET片材，用来保证介电弹性体驱动器腿足只在一个方向绕轴动作。
所述的介电弹性体驱动器腿足为八个且均匀设置于机器人主体圆周上，每个介电弹性体驱动器腿足在电压作用下单独动作产生推力推动机器人向前滚动，增加介电弹性体驱动器腿足的数量还可以获得更平稳的滚动运动。
技术效果
与现有技术相比，本发明结构简单、质量轻、控制方便、作动安静，制作材料除控制系统外都是柔性软材料，且成本低、易获取，因此制作的机器人具有全柔性、抗冲击的良好性能；通过施加电压即可控制每个介电弹性体驱动器腿足动作从而推动机器人快速滚动，并且集成传感器和控制系统可以实现自主滚动。
附图说明
图1为本发明的总体结构三维视图；
图2为本发明总体结构爆炸图；
图3为本发明的介电弹性体驱动器腿足制作原理图和结构示意图；
图4为本发明的介电弹性体驱动器腿足工作图；
图5为本发明的实施例滚动运动示意图；
图中：1控制系统、2机器人主体、3介电弹性体驱动器腿足、301柔性框架、302介电弹性体薄膜、303加强框架、4光电传感器。
具体实施方式
如图1～2所示，本实施例中包括：机器人主体2、设置于机器人主体2内部的控制系统1和设置于机器人主体外部的若干介电弹性体驱动器腿足3，其中：介电弹性体驱动器腿足3包括柔性框架301、加强框架303以及设置于其间的介电弹性体薄膜302。
所述的介电弹性体驱动器腿足3均匀设置于机器人主体2圆周上。
所述的控制系统1包括：微处理器、多路高压放大模块、PWM波控制模块和A/D转换模块，其中：微处理器与PWM波控制模块相连并传输控制信息，与A/D转换模块相连并接收光电传感器的信息，PWM波控制模块与多路高压放大模块相连并传输电压控制信号，多路高压放大模块与介电弹性体驱动器腿足3相连并传输高压激励信号，使其产生相应的动作。
所述的机器人主体2为圆柱形壳体结构，该壳体结构的中心设有凹槽，凹槽内密封设有控制系统1以提高其可靠性；壳体结构外周上均布若干用于安装介电弹性体驱动器腿足3的狭槽。
所述的机器人主体2采用但不限于聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、酚醛泡沫等轻质泡沫材料制成。
如图3～4所示，所述的介电弹性体驱动器腿足3为介电弹性体最小能量结构驱动器，通过将预拉伸的介电弹性体薄膜302粘贴在中心开孔的柔性框架301上并贴上加强框架303制成，其中：介电弹性体薄膜302由两面覆盖柔性电极的聚丙烯酸酯、硅胶或天然橡胶薄膜组成，柔性框架301和加强框架303为不同厚度的PET通过激光切割制作而成。
所述的加强框架303优选采用更厚刚度相对更大的PET片材，用来保证介电弹性体驱动器腿足3只在一个方向绕轴动作；当介电弹性体驱动器腿足3制作完成后，它会自组装成为一个如图3(b)所示的旋转关节结构，此时的介电弹性体薄膜302变为马鞍形，如图4所示，当对介电弹性体薄膜302两侧的柔性电极施加电压时，介电弹性体驱动器腿足3会绕轴旋转，逐渐展平，并对外输出推力。
如图5所示，本实施例中介电弹性体驱动器腿足3优选为8个且分别设置于所述机器人主体2圆柱外侧的狭槽内，每个介电弹性体驱动器腿足可单独驱动；由于整个机器人的重量主要集中在机器人主体2内的控制系统1上，且滚动运动比较平稳，对重心位置不会有太大的改变，因此只需较小的推力即可实现滚动，介电弹性体驱动器腿足可以在电压作用下快速动作产生推力推动机器人向前滚动，增加介电弹性体驱动器腿足的数量还可以获得更平稳的滚动运动。
每个介电弹性体驱动器腿足3上对称安装两个光电传感器4，该光电传感器4可选用但不限于ST168或ST188，当此滚动软体机器人在地面上滚动时，贴近地面的介电弹性体驱动器腿足上的光电传感器由于靠近地面，所以会产生反馈信号，以使控制系统确定哪个驱动器腿足需要动作，然后控制系统发出控制指令，产生高压PWM信号驱动介电弹性体驱动器腿足动作；在连续滚动过程中，通过光电传感器的这种不断的反馈信号可以确定机器人滚动位移，通过机器人的闭环控制，从而实现自主滚动。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种基于介电弹性体的自主滚动软体机器人，其特征在于，包括：机器人主体、设置于机器人主体内部的控制系统和设置于机器人主体外部的若干介电弹性体驱动器腿足，其中：介电弹性体驱动器腿足包括柔性框架、加强框架以及设置于其间的介电弹性体薄膜；
所述的介电弹性体驱动器腿足为介电弹性体最小能量结构驱动器，通过将预拉伸的介电弹性体薄膜粘贴在中心开孔的柔性框架上并贴上加强框架制成；当介电弹性体驱动器腿足制作完成后会自组装成为旋转关节结构，此时的介电弹性体薄膜变为马鞍形，当对介电弹性体薄膜两侧的柔性电极施加电压时，介电弹性体驱动器腿足会绕轴旋转，逐渐展平，并对外输出推力。
2.根据权利要求1所述的自主滚动软体机器人，其特征是，所述的介电弹性体薄膜由两面覆盖柔性电极的聚丙烯酸酯、硅胶或天然橡胶薄膜组成，柔性框架和加强框架为不同厚度的PET通过激光切割制作而成。
3.根据权利要求1或2所述的自主滚动软体机器人，其特征是，所述的加强框架采用更厚刚度相对更大的PET片材以使得介电弹性体驱动器腿足只在一个方向绕轴动作。
4.根据权利要求1所述的自主滚动软体机器人，其特征是，所述的介电弹性体驱动器腿足为八个且均匀设置于机器人主体圆周上，每个介电弹性体驱动器腿足在电压作用下单独动作产生推力推动机器人向前滚动，增加介电弹性体驱动器腿足的数量还可以获得更平稳的滚动运动。
5.根据权利要求1所述的自主滚动软体机器人，其特征是，所述的机器人主体为圆柱形壳体结构，该壳体结构的中心设有凹槽，凹槽内密封设有所述控制系统；壳体结构外周上均布若干用于安装介电弹性体驱动器腿足的狭槽。
6.根据权利要求1所述的自主滚动软体机器人，其特征是，所述的机器人主体采用聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、酚醛泡沫等轻质泡沫材料制成。
7.根据权利要求1或5所述的自主滚动软体机器人，其特征是，所述的控制系统包括：微处理器、多路高压放大模块、PWM波控制模块和A/D转换模块，其中：微处理器与PWM波控制模块相连并传输控制信息，微处理器与A/D转换模块相连并接收光电传感器的信息，PWM波控制模块与多路高压放大模块相连并传输电压控制信号，多路高压放大模块与介电弹性体驱动器腿足相连并传输高压激励信号并控制其产生相应动作。
8.根据上述任一权利要求所述的自主滚动软体机器人，其特征是，每个介电弹性体驱动器腿足上对称设有两个光电传感器，贴近地面的介电弹性体驱动器腿足上的光电传感器由于靠近地面并产生反馈信号至控制系统以发出控制指令，产生高压PWM信号驱动介电弹性体驱动器腿足动作；在连续滚动过程中，通过光电传感器的这种不断的反馈信号可以确定机器人滚动位移，通过机器人的闭环控制，从而实现自主滚动。
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