CN110386204B - 基于ipmc与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定粘结在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接。该系统结构简单、整体质量轻、关节柔性程度高，可以满足一般四足机器人的奔跑步态与方向调整。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及了一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统。
背景技术
随着人们对机器人技术需求的不断提升，传统工业机器人因其刚性关节能量要求大，携带能源质量重，机构质量冗余等原因已经难以满足人们的需求。在仿生方面，足式机器人所面对的复杂环境如山地，丘陵，城市阶梯与其自身所需要的奔跑，跳跃等动作，都需要腿部关节具有良好的抗冲击，缓冲作用。并且传统足式，跳跃机器人多由电机、活塞、关节、铰链等构件组成，用来完成一些快速、精确、可重复位置或力控制的任务，此类型机器人体积大、重量重、灵活性差、难以完成许多复杂领域的高难度任务。因此研究的特种机器人使用更加仿生的设计方式，能够比原来具有重量轻、体积小、柔顺度高、环境适应力强等特点。在军事等领域，外科手术方面，仿生柔性关节，都有着重要的意义。
离子聚合物金属复合材料Ionic Ploymer Metal Composite，是一种具有电致动活性的复合材料，起初被用于电池的交换膜，但因其能够发生变形，并且变形量优秀被美国和日本的一些机构制作软体机器人，例如软体水母，仿生螳螂等微型足式机器。
IPMC的电极有很多类型，有单一金属(铂、金、银等)电极，也有多极金属电极，如铂银电极等。虽然国内外学者已经展开深入研究，但IPMC驱动器基本都为研究者在实验室所制造，尚没有成熟的IPMC投入量产。这种新型的智能材料，又称电化学驱动器，在仿生机械中是一种最基本的执行器和传感器，具有驱动电压低、质量轻、柔性好、响应迅速等优点。IPMC具有输出力小、稳定性差、精确控制难等缺点。目前国内有哈尔滨工程大学乔东潘(乔东潘.基于IPMC仿生肌肉组合结构的设计及特性研究[D].哈尔滨工程大学,2014.)对其进行了深入的研究，设计出了有多片IPMC组成的肌肉直线驱动单元，能够输出一定的跳跃力，最终能够进行18mm高度的跳跃。此结构利用连杆进行放大，验证了这种智能材料作为人工肌肉的可行性。但其缺点是整体跳跃结构材料质量仍非常大，跳跃高度仍然可以进行优化，即直线驱动单元可以输出更大的力。
目前的足式机器人的柔性关节系统使用的大部分的是弹簧结构进行缓震作用，例如，意大利工学院IITAmir Jafari等人(JafariA,Tsagarakis N G,Caldwell D G.AwAS-II:Anew Actuator withAdjustable Stiffness based on the novel principle ofadaptable pivotpoint and variable lever ratio[C]//Robotics andAutomation(ICRA),2011IEEE International Conference on.IEEE,2011:4638-4643.)2010年研制出的新型变刚度执行器AWAS-2，是通过移动支点的位置来调节刚度,具有较大的运动范围、宽的刚度调节范围以及在较短时间内调节刚度的能力，它还有更大的储能能力。但是其结构仍然为机械零件组成，具有一定的刚度。
发明内容
本发明的目的是克服目前的刚性关节的冲击大、质量大、能耗高的特点，提供了一种结构简单，整体质量轻，关节柔性程度高，可以满足一般四足机器人的奔跑步态与方向调整的IPMC与硅胶结构件与电机混合驱动的多自由度四足机器人单腿系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；其特征在于，
在小腿部分和大腿部分连接位置附近为膝盖，膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；髋关节部分使用力矩电机和两组IPMC曲线驱动器进行混合驱动，力矩电机的输出轴通过联轴器及躯干轴与大腿部分形成旋转副，力矩电机的电机座两侧分别安装一个IPMC曲线驱动器；
每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束，所有肌肉束的两端均通过底盘固定在相应的部件上；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定粘结在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接。
一种IPMC曲线驱动器，包括IPMC片体和硅胶结构件，IPMC片体固定在硅胶结构件上，该驱动器在弯曲状态下能够达到输出力矩的效果，并且在失电之后能在硅胶结构件的帮助下进行回弹。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在低压电的驱动下，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器或膝盖外侧的IPMC曲线驱动器发生弯曲作用，输出扭矩，可以达到驱动小腿部分在轴承旋转副作用下发生转动，在不平坦的地面受到冲击情况下，由于IPMC的材料本身属于柔性体并且结合了硅胶结构件，故可以达到一定的缓冲作用。躯干处的两组躯干IPMC曲线驱动器通过和机器人本体连接，可以达到调整垂直于电机转动的平面的内外侧角度，如果安装了四条腿之后，通过角度调整可达到足式机器人的转弯效果，并且躯干处的IPMC曲线驱动器，同样可以在收到腿部冲击的情况下，由IPMC材料本身的柔性和硅胶结构件达到缓冲和减震的作用。
本发明的有益效果是由IPMC组成曲线肌肉驱动器实现对四足机器人关节的柔性化设计，达到与刚性关节相同了输出扭矩驱动，进而达到四组机器人的跑动步态与方向调整要求，而且使用了此关节，可减少电机数量，具有结构简单，轻便，耗能少等特点，能模拟类似肌肉驱动与收缩的效果。
附图说明
下面是结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明
图1是本发明基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的主视图。
图2是本发明基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的俯视图。
图3是本发明基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的左视图。
图4是本发明基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的大腿部分的大腿打印架的立体结构示意图，两块大腿打印架平行放置之后，可以作为单腿系统的大腿部分。
图5是本发明基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的小腿部分的小腿打印架的立体结构示意图，两块小腿打印架平行放置之后，可以作为单腿系统的小腿腿部分。
图6是本发明基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的腿部与肌肉束底盘的连接板的立体结构示意图。
图7是本发明用来固定四个肌肉束的底盘的立体结构示意图。
图8是本发明专门对力矩电机和肌肉束连接的电机座的立体结构示意图。
图9是本发明中由三个肌肉元组成的一个肌肉束的立体结构示意图。
图10是本发明中由两个肌肉元组成的一个肌肉束的立体结构示意图。
图11是本发明中电机座上安装的IPMC曲线驱动器的整体结构示意图。
图12是本发明中一个肌肉元的结构示意图。
图13是本发明中的一个肌肉元的正视图。
图14是本发明中的组成一个肌肉元的硅胶结构件。
图15是本发明的硅胶结构件的正视图
图16是本发明中的硅胶结构件的另一种方案结构图。
图中，1小腿部分、2连接板、3大腿部分、4膝盖内侧的IPMC曲线驱动器、5躯干IPMC曲线驱动器、6电机座、7膝盖外侧的IPMC曲线驱动器、8力矩电机、9联轴器、10躯干轴
11底盘、12IPMC片体、13硅胶结构件、131圆锥体、132球体、133硅胶圆盘、134IPMC片体插槽、111阵列式接入导线的圆孔插槽、112肌肉束安装槽；
101小腿打印架、302大腿打印架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。附图均为简化的示意图，仅以示意方式展示发明原理和基本机构，因此只显示了有关的基本构件。
本发明基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；
在小腿部分和大腿部分连接位置附近为膝盖，膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；髋关节部分使用力矩电机和两组IPMC曲线驱动器进行混合驱动，力矩电机的输出轴通过联轴器及躯干轴与大腿部分形成旋转副，力矩电机的电机座两侧分别安装一个IPMC曲线驱动器；
每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束，所有肌肉束的两端均通过底盘固定在相应的部件上；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定粘结在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接。
膝盖内、外侧的IPMC曲线驱动器由内环肌肉束和外环肌肉束构成，外环肌肉束的长度大于内环肌肉束长度；髋关节部分的IPMC曲线驱动器所有肌肉束长度相等。
所述小腿部分由两个3D打印的塑料小腿打印架构成，两个小腿打印架1平行放置，靠近大腿部分与小腿部分的旋转副一侧的两个小腿打印架之间的内外侧均固定一个连接板；大腿部分由两个3D打印的塑料大腿打印架构成，两个大腿打印架平行布置，靠近大腿部分与小腿部分的旋转副一侧的两个大腿打印架之间的内外侧也均固定一个连接板；每个连接板连接相应IPMC曲线驱动器的一个底盘。
髋关节部分的电机座两侧也分别安装有一个连接板，电机座上的两个连接板分别连接一个IPMC曲线驱动器的一端，电机座上的IPMC曲线驱动器另一端与四足机器人的躯干部分连接，连接处均使用连接板与IPMC曲线驱动器上的相应底盘进行螺栓连接。
膝盖内、外侧的IPMC曲线驱动器结构相同，电机座上的两个IPMC曲线驱动器结构相同。
膝盖内侧的IPMC曲线驱动器上有四个肌肉束，两个内环肌肉束和两个外环肌肉束，内环肌肉束中肌肉元的数量为三个，外环肌肉束的肌肉元数量为两个。
所述硅胶结构件由弹性硅胶材料3D打印制成，硅胶结构件整体呈沙漏型，包括两端的圆锥体和中间的球体，两端的圆锥体底面固定有硅胶圆盘，圆锥体的圆锥顶点与球体固定，球体的直径小于两个IPMC片体之间的距离，两个IPMC片体的两端固定在硅胶圆盘上，相连两个肌肉元的硅胶圆盘粘结固定在一起。
两个硅胶圆盘上一个硅胶圆盘外侧设有连接凹槽，另一个硅胶圆盘外侧设有连接凸起，连接凹槽与相邻肌肉元上的连接凸起相配合插接后，并通过粘结将相邻两个肌肉元固定在一起，且连接凸起和连接凹槽位置设有通孔。
本发明中髋关节处使用了力矩电机8与两组躯干IPMC曲线驱动器5，既能够进行大腿部分的动力源，也能够进行腿部角度的调整，实现方向的改变。IPMC肌肉元中除了IPMC制作后进行弯曲处理的IPMC片体12，还由3D打印的硅胶结构件13组成。硅胶结构件不仅提供了对IPMC片体的支撑作用，还需要在IPMC片体输出力矩作用之后，产生回弹功效，帮助膝关节的往复运动，保证了IPMC片体在加电之后输出力降低，仅仅由另一侧的IPMC片体肌肉提供输出不足的问题，还可以提供对于腿关节的接触地面之后的缓冲作用。由于使用了IPMC的曲线肌肉束，为了保持弯曲状态，IPMC片体制作之后就进行了弯曲化处理。
本发明中的IPMC曲线驱动器，在弯曲状态下能够达到输出力矩的效果，并且在失电之后可以在硅胶结构件的帮助下进行回弹。同时为了满足大型机器人的要求，设计了阵列式肌肉驱动器，粘接在了底盘上。在多组肌肉元连接并排成阵列的情况下，可以进行更大的力矩输出。
所述大腿部分与髋关节的轴，属于键连接，进行固定。使用力矩电机带动大腿部分的运动。
髋关节的肌肉元，考虑躯干的高度大小，选用含有两个肌肉元的束组成IPMC曲线驱动器，只进行腿部的角度调整，内部的硅胶结构件进行髋关节的连接和支撑作用。
膝关节由于远近膝盖侧曲率不同，分别选用含有两个肌肉元的肌肉束(如图9)和三个肌肉元的肌肉束(如图10)安装在底盘上，底盘11设置有专门的肌肉束安装槽组成阵列式IPMC曲线驱动器，达到扭矩的输出作用，硅胶结构件起到回弹和支撑作用。
膝关节处因为由IPMC作为扭矩输出，同时需要轴的旋转副作为支撑，故选用轴与轴承之间进行运动副连接。大腿部分3和小腿部分1、连接板、电机座6为了减轻重量，使用3D打印的塑料材料制成，且均进行镂空处理。
实施例1
如图1-11，按有整体到局部的顺序展示了一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括膝关节的柔性机构和髋关节的柔性机构；
膝关节的柔性机构为了减轻整体质量，包括大腿部分3和小腿部分1，大腿部分3和小腿部分1均采用两块相同的3D打印得到的塑料板材制成，两块相同的塑料板材构成打印架，两个打印架之间使用3D打印成型的一个连接板连接，并通过螺栓进行固定，大腿部分3和小腿部分1的连接处由轴承和轴进行连接，图1中无法看到的旋转副进行连接，轴承安装在大腿部分的大腿打印架的安装孔中，中间由轴作为支撑(未画出)组成旋转副。膝盖内侧安装了一组膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4一端和小腿部分膝盖内侧的连接板连接，另一端和大腿部分膝盖内侧的连接板连接；膝盖外侧安装了膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7，膝盖外侧的IPMC曲线驱动器一端和小腿部分膝盖外侧的连接板连接，另一端和大腿部分膝盖外侧的连接板连接；上述两个IPMC曲线驱动器(4和7)与连接板的连接处都设置底盘11，底盘11与相应的连接板2使用螺栓固定，用于两个方向的旋转动力源。膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4和膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7均为阵列式驱动器，都由两组三个肌肉元组成的肌肉束(如图9)和两个肌肉元组成的肌肉束(如图10)构成。每个肌肉元的结构如图14和图15所示，包括硅胶结构件和两个IPMC片体，硅胶结构件13包括中间的球体132和球体两侧的圆锥体131及圆锥体底面的硅胶圆盘133，即中间为球体132，球体两侧对称设置圆锥体131形状，圆锥体的尖部紧挨球体，圆锥体的底面连接硅胶圆盘133，在硅胶圆盘的内侧上裁剪出IPMC片体插槽134，两个IPMC片体12的两端分别固定在两个硅胶圆盘的相应IPMC片体插槽134中，并涂抹胶水达到固定作用，增加整体的IPMC肌肉元的稳定性，防止单独一根杆结构发生压杆失稳，并且能够在IPMC掉电失效之后，提供稳定的帮助回弹功能。硅胶结构件为一体化结构，采用硅胶材料为原料，并通过3D打印制作而成。
硅胶结构件13增加球体132结构能帮助回弹，提供更大的回弹力，并且需要大小适中，不与IPMC片体12向干涉，允许有接触。
两个硅胶圆盘上一个硅胶圆盘外侧设有连接凹槽，另一个硅胶圆盘外侧设有连接凸起，连接凹槽与相邻肌肉元上的连接凸起相配合插接后，并通过粘结将相邻两个肌肉元固定在一起，且连接凸起和连接凹槽位置设有通孔，硅胶结构件内部穿接导线，且从该通孔中引出，一个肌肉束上的多个肌肉元的导线依次串联，一个IPMC曲线驱动器上的多个肌肉束的导线串联后连接外部电源。
硅胶结构件13用于IPMC片体12驱动失电之后的回弹，并且能够支撑起每个IPMC肌肉元，具有弯曲作用，还减轻了每个肌肉元的质量，如图12。
髋关节处大腿的顺或逆时针运动，依靠力矩电机8的输出扭矩，通过联轴器9带动大腿部分3进行运动，力矩电机与联轴器均在MISUMI官网上可直接购得。电机座的两侧安装了两个躯干IPMC曲线驱动器5，每个躯干IPMC曲线驱动器5一端通过一个连接板与电机座6的侧面固定，另一端通过底盘11及相应的连接板2连接四足机器人躯干部份；膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4与膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7组成的转动副提供一个平面的运动；力矩电机8与两个躯干IPMC曲线驱动器5，提供了垂直于电机轴旋转面的两个方向转动，因为只需要进行小幅度的角度调整，进行机器人方向调整，故两个躯干IPMC曲线驱动器5上都分别安装了四个相同肌肉束，该肌肉束都为含有两个肌肉元的IPMC肌肉束如图10，组装之后的效果如图11。腿部向身体内侧内跨时，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4加电产生弯曲作用。腿部向身体外跨时，膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7加电产生作用，腿部向身体外侧运动，这样如果组装成整体的四足机器人系统，在四条腿的协同下，可以达到四足机器人步态的方向调整目的。
膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4或膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7的肌肉束由于离膝盖远近所产生的弯曲轨迹不同，大致轨迹按同心圆分布，故分别使用了两组含有三个肌肉元如图9和含两个肌肉元的肌肉束如图10粘接在底盘11上，防止因为离膝盖远近不同处的肌肉书的弯曲运动输出力矩时，出现肌肉束相互干涉的情况。
IPMC曲线驱动器在每个肌肉束如图9的头尾处，都设有接头，接头从头尾的底盘上引出，底盘上设置有肌肉束安装槽112，每个肌肉束安装槽内设置阵列式接入导线的圆孔插槽111，用于接入导线，可以进行插接并涂抹胶水粘接，达到固定的目的。
膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4、膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7和躯干IPMC曲线驱动器5都是由底盘11上安装任意数量的肌肉束组合而成，肌肉束例如图9和图10。肌肉束又是由肌肉元构成，例如图12。
整个单腿系统中，小腿部分1的底端旋转中心(图1中小腿打印架圆孔位置)到膝盖旋转中心(大腿部分和小腿部分连接位置)的距离为250mm，大腿部分3中，膝盖的旋转中心(大腿部分和小腿部分连接位置)到髋关节旋转中心(大腿部分和小腿部分连接位置)距离为280mm，髋关节处的两组躯干IPMC曲线驱动器5全部伸展开来，安装在电机座6的连接板2上的整体宽度为240mm。俯视图中，力矩电机8到大腿部分3的宽度为188mm。侧视图中，小腿部分1，两个小腿打印架101距离宽度为28mm，大腿部分3，两个大腿打印架302距离宽度为56mm。膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7中，大腿部分旋转中心(力矩电机输出轴位置)到小腿部分1外侧连接板中心的力矩施加距离为82mm；膝盖内侧IPMC曲线驱动器中，大腿部分3旋转中心到小腿部分1内侧连接板中心的力矩施加距离为71mm。躯干IPMC曲线驱动器5整体长度为90mm。IPMC片体整体尺寸为：40mmX10mmX0.2mm；硅胶结构件13中，中间的球体132直径为8.6mm，圆锥体131的底面直径为8mm，硅胶圆盘133的直径为16mm，厚2mm。
本发明的一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统工作原理如下：
直线行走或奔跑状态下，力矩电机带动大腿部分3进行转动，膝盖处由IPMC片体组成的柔性IPMC曲线驱动器进行驱动：膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4在低压电下产生阻塞力输出扭矩，膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7不加电但其硅胶结构件提供回弹，帮助其运动，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4驱动小腿逆时针运动，随着膝关节的转动副处进行转动；膝盖外侧的IPMC曲线驱动器7加低压电，IPMC片体12作用，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4失电，IPMC片体12不作用，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器4的硅胶结构件13提供回弹帮助外侧膝盖外侧的IPMC曲线驱动器4运动，小腿部分能够顺时针转动，这样在大腿部分的力矩电机和膝盖处的两个IPMC曲线驱动小腿部分的作用下，达到四足机器人奔跑的目的。
四足机器人转弯情况下，以右腿为例，腿部向身体内侧内跨时，图1中左侧的躯干IPMC曲线驱动器5加电产生弯曲作用，膝关节和力矩电机均保持原来状态，图1中右侧的躯干IPMC曲线驱动器5不作用；腿部向身体外跨时，图1中右侧的躯干IPMC曲线驱动器5加电产生作用，腿部向身体外侧运动，图1中左侧的躯干IPMC曲线驱动器5不作用；一条腿向内或外侧跨出，其他三条腿保持稳定，这样在四条腿的协同下，可以达到四足机器人步态的方向调整目的。
为了保证IPMC输出足够的阻塞力，本发明对IPMC制备按照康奈尔大学的AmmanuelP.Giannelis目前的康奈尔大学与北京大学，北京石油化工大学Lian H,Qian W,Estevez L等人Lian H,Qian W,Estevez L,et al.Enhanced actuation in functionalized carbonnanotube-Nafion composites[J].Sensors and Actuators B-chemical,2011,156(1):187-193.联合研究中同样对IPMC的MCNT进行改性，加入了一定量浓度的硝酸改良了MCNT，并结合了IPMC材料之后，IPMC片体12能够达到20至30gf的阻塞力，远大于了原始的IPMC0.5mN输出力。
实施例2
本实施例基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括了膝关节部分和髋关节部分的柔性IPMC曲线驱动器；膝关节的驱动器包括了两组阵列式的IPMC曲线驱动器，内部包括了四组曲线IPMC肌肉束，IPMC曲线驱动器的两端通过连接板连接大腿部分和小腿部分，负责提供输出扭矩，大腿部分和小腿部分又由轴和轴承作为旋转副支撑；每个肌肉束中包含了3个或2个肌肉元，肌肉元以3D打印的硅胶结构件13作为支撑，IPMC片体安装在硅胶结构件的IPMC片体插槽134内，进行力矩输出；髋关节部分使用了力矩电机和两个躯干IPMC曲线驱动器5，两个躯干IPMC曲线驱动器5一端连接电机座的侧面，另一组连接躯干，负责腿部内外侧的角度调整，力矩电机负责大腿的驱动力输出。如图16，硅胶结构件由两边大中间小的硅胶主体及设置硅胶主体两端的硅胶圆盘构成，硅胶主体为弧形的结构，但是提供的回弹力可能会小。硅胶圆盘外侧上也设置有连接凸起或连接凹槽，内侧设置IPMC片体插槽。
两片IPMC片体材料安装在硅胶结构件的裁剪出的固定的IPMC片体插槽134上，IPMC片体初始安装时即具有一定的弯曲角度，两片IPMC片体与硅胶结构件13构成一个肌肉元，相邻两个肌肉元之间由接头和插槽头尾粘连，可以组成肌肉束，有两个肌肉元构成的肌肉束和也有三个元构成的肌肉束。使用四个肌肉束上的接头安装在底盘上，各个面保持平行，保证所有肌肉元弯曲时输出的扭矩一致。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (6)
1.一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；其特征在于，
在小腿部分和大腿部分连接位置附近为膝盖，膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；髋关节部分使用力矩电机和两组IPMC曲线驱动器进行混合驱动，力矩电机的输出轴通过联轴器及躯干轴与大腿部分形成旋转副，力矩电机的电机座两侧分别安装一个IPMC曲线驱动器；
每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束，所有肌肉束的两端均通过底盘固定在相应的部件上；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定粘结在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接；
膝盖内、外侧的IPMC曲线驱动器由内环肌肉束和外环肌肉束构成，外环肌肉束的长度大于内环肌肉束长度；髋关节部分的IPMC曲线驱动器所有肌肉束长度相等；
所述硅胶结构件由弹性硅胶材料3D打印制成，硅胶结构件整体呈沙漏型，包括两端的圆锥体和中间的球体，两端的圆锥体底面固定有硅胶圆盘，圆锥体的圆锥顶点与球体固定，球体的直径小于两个IPMC片体之间的距离，两个IPMC片体的两端固定在硅胶圆盘上，相邻两个肌肉元的硅胶圆盘粘结固定在一起；
两个硅胶圆盘上一个硅胶圆盘外侧设有连接凹槽，另一个硅胶圆盘外侧设有连接凸起，连接凹槽与相邻肌肉元上的连接凸起相配合插接后，并通过粘结将相邻两个肌肉元固定在一起，且连接凸起和连接凹槽位置设有通孔。
2.根据权利要求1所述的单腿系统，其特征在于，所述小腿部分由两个3D打印的塑料小腿打印架构成，两个小腿打印架平行放置，靠近大腿部分与小腿部分的旋转副一侧的两个小腿打印架之间的内外侧均固定一个连接板；大腿部分由两个3D打印的塑料大腿打印架构成，两个大腿打印架平行布置，靠近大腿部分与小腿部分的旋转副一侧的两个大腿打印架之间的内外侧也均固定一个连接板；每个连接板连接相应IPMC曲线驱动器的一个底盘。
3.根据权利要求1所述的单腿系统，其特征在于，髋关节部分的电机座两侧也分别安装有一个连接板，电机座上的两个连接板分别连接一个IPMC曲线驱动器的一端，电机座上的IPMC曲线驱动器另一端与四足机器人的躯干部分连接，连接处均使用连接板与IPMC曲线驱动器上的相应底盘进行螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的单腿系统，其特征在于，膝盖内、外侧的IPMC曲线驱动器结构相同，电机座上的两个IPMC曲线驱动器结构相同。
5.根据权利要求1所述的单腿系统，其特征在于，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器上有四个肌肉束，两个内环肌肉束和两个外环肌肉束，内环肌肉束中肌肉元的数量为三个，外环肌肉束的肌肉元数量为两个。
6.根据权利要求1所述的单腿系统，其特征在于，所述IPMC曲线驱动器在弯曲状态下能够达到输出力矩的效果，并且在失电之后能在硅胶结构件的帮助下进行回弹。
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