CN110919631A - 一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人 - Google Patents
一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110919631A CN110919631A CN201911135405.5A CN201911135405A CN110919631A CN 110919631 A CN110919631 A CN 110919631A CN 201911135405 A CN201911135405 A CN 201911135405A CN 110919631 A CN110919631 A CN 110919631A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dielectric elastomer
- rigid
- minimum energy
- connecting rod
- robot based
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229920002595 Dielectric elastomer Polymers 0.000 title claims abstract description 50
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 23
- 239000004519 grease Substances 0.000 claims description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 230000009193 crawling Effects 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 229920001746 electroactive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 235000001968 nicotinic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/0009—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases
- B25J9/0012—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases making use of synthetic construction materials, e.g. plastics, composites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
Abstract
本发明公开了一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,包括弓形可弯折的支撑元件,所述支撑元件的下方设置有两边施加电压后可变形的驱动元件,所述驱动元件连接有控制电路,驱动元件的两端分别从支撑元件的前侧面和后侧面伸出后通过销固定,支撑元件的前侧面设置有前轴连杆,所述前轴连杆连接有前执行元件,支撑元件的后侧面设置有后轴连杆,所述后轴连杆连接有后执行元件。该基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人解决了现有软体机器人存在速度缓慢、驱动力不足、运动不稳定、整体变形程度低的问题。
Description
技术领域
本发明属于柔性机器人技术领域,特别是涉及一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人。
背景技术
传统的刚性机器人大多是由钢铁、硬塑料、陶瓷等硬度大的材料制成,且通常包含复杂的传动系统、电机、齿轮等结构,具有结构复杂、体积庞重、噪声大、成本高等缺陷,大大限制了其在非结构化环境、人机交互、智能仿生等领域的应用。
介电弹性体(Dielectric elastomer,DE),是一种在外界电压激励下能够产生大变形的新型电活性聚合物材料,具有变形大、响应速度快、能量密度高、机电转化效率高、质轻价廉等优点,由于其刚度和动物肌肉很相近,因此又被称为“人工肌肉”,目前在仿生机器人、智能驱动器、柔性电子、援助和康复、能量俘获等领域具有广泛的应用。
当前介电弹性体作为柔性驱动材料,通常是直接利用薄膜在加电和撤电时产生的可重复伸缩变形来实现驱动目的,采用该驱动结构的机器人动作缓慢,驱动力小,且其往往需要刚性框架作为介电弹性体膜的支撑,使得机器人的柔性程度降低,整体变形能力也随着下降,这种方式虽然简单易行,但是基于以上不足,使得类似的柔性驱动结构的应用受到很大限制。
因此基于介电弹性体材料开发一种通过简单的结构实现所需要的复杂运动、且动作敏捷、驱动力大、性能稳定、柔性程度高的爬行机器人,是未来仿生机器人和侦查探测等领域的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,解决现有软体机器人存在速度缓慢、驱动力不足、运动不稳定、整体变形程度低的问题。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是,一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,包括弓形可弯折的支撑元件,所述支撑元件的下方设置有两边施加电压后可变形的驱动元件,所述驱动元件连接有控制电路,驱动元件的两端分别从支撑元件的前侧面和后侧面伸出后通过销固定,支撑元件的前侧面设置有前轴连杆,所述前轴连杆连接有前执行元件,支撑元件的后侧面设置有后轴连杆,所述后轴连杆连接有后执行元件。
本发明的技术方案,还具有以下特点:
所述驱动元件包含介电弹性体薄膜,所述介电弹性体薄膜的外部套设有离型纸,介电弹性体薄膜的边沿铺设边纤维条,介电弹性体薄膜的中部铺设中间纤维条,介电弹性体薄膜表面涂覆有导电油脂,所述边纤维条的侧部设置有插条,所述插条上设置有销孔,边纤维条上还设置有两个与导电油脂相通的导线接口,两个所述导向接口分别与控制电路的正负极通过导线连接。
所述控制电路由单片机、低压电路和高压放大器依次连接而成。
所述前执行元件包含前轴,所述前轴上通过单向轴承安装有前轮,所述前轴连杆与前轴固定连接。
所述后执行元件包含后轴,所述后轴通过单向轴承安装有后轮,所述后轴连杆与后轴固定连接。
所述前轴连杆和/或所述后轴连杆粘贴在所述前侧面或所述后侧面上。
本发明的有益效果是:本发明的一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,其中介电弹性体薄膜在驱动信号激励下的往复变形是该机器人的动力源,通过新颖的结构设计,该机器人可以把介电弹性体薄膜的简单变形转化为整体结构往复伸缩,从而实现爬行运动;通过选择不同的初始拉伸比或采用多层介电弹性体薄膜堆栈结构可以大幅度提升驱动元件的初始拉力,提高机器人的驱动力;该机器人具有体积小、速度快、结构简单、运动稳定、无噪声、成本低廉等优点,未来在智能驱动器、仿生机器人、侦查探测等工程领域将具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人的结构示意图;
图2是图1的主视图;
图3是图1中驱动元件的结构示意图;
图4是图1中控制电路的工作原理图。
图中:1.支撑元件,2.前轴连杆,3.前执行元件,4.驱动元件,41.介电弹性体薄膜,42.中间纤维条,43.导线接口,44.导电油脂,45.边纤维条,5.后执行元件,6.后轴连杆,7.销,8.前轴,9.单向轴承,10.后轴。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
如图1所示,本发明的一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,包括弓形可弯折的支撑元件1,支撑元件1的下方设置有两边施加电压后可变形的驱动元件4,驱动元件4连接有控制电路,驱动元件4的两端分别从支撑元件1的前侧面和后侧面伸出后通过销7固定,支撑元件1的前侧面设置有前轴连杆2,前轴连杆2连接有前执行元件3,支撑元件1的后侧面设置有后轴连杆6,后轴连杆6连接有后执行元件5。
驱动元件4与支撑元件1之间是通过多个销7进行拆装的,当驱动元件4接收到交变驱动信号时,驱动元件4不断地扩张和收缩,带动支撑元件1往复伸缩变形,通过前执行元件3、后执行元件5转化为单向轴承9的转动,从而实现向前爬行。
如图2所示,在本发明的一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人中,前执行元件3包含前轴8,前轴8上通过单向轴承9安装有前轮,前轴连杆2与前轴8固定连接。后执行元件5包含后轴10,后轴10通过单向轴承9安装有后轮,后轴连杆6与后轴10固定连接。
如图1所示,在本发明的一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人中,前轴连杆2和/或后轴连杆6粘贴在所述前侧面或后侧面上。
如图3所示,在本发明的一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人中,驱动元件4包含介电弹性体薄膜41,介电弹性体薄膜41的外部套设有离型纸,介电弹性体薄膜41的边沿铺设边纤维条45,介电弹性体薄膜41的中部铺设中间纤维条42,介电弹性体薄膜41表面涂覆有导电油脂44,边纤维条45的侧部设置有插条,插条上设置有销孔,边纤维条45上还设置有两个与导电油脂相通的导线接口43,两个导向接口43分别与控制电路的正负极通过导线连接。
介电弹性体薄膜41被中间纤维条42和边纤维条45夹在中间,两边纤维条45和中间纤维条42不同,边纤维条45有插条和插孔设计,便于组装;支撑元件1左右两侧各开三个方形孔,用于配合销7便捷安装和固定驱动元件4,且支撑元件1两侧的方孔可满足驱动元件4的定位要求。前、后执行元件通过前、后轴连杆和支撑元件4固结在一起,以保证运行的稳定性;执行元件为机器人的前脚和后脚,前脚和后脚的轴上均有单向轴承9,单向轴承9两侧使用限位环对其进行定位;当驱动元件4接收到交变驱动信号时,驱动元件4不断地扩张和收缩,带动躯干往复伸缩变形,通过执行元件转化为单向轴承9的转动,从而实现向前爬行。
介电弹性体薄膜41选用美国3M公司生产的VHB4910薄膜,通过拉伸装置对初始薄膜进行预拉伸后固定在预先切割的矩形刚性框架中,完成后在空气中静置几个小时,以减少其粘弹性;通过离型纸模具将中间纤维条42、边纤维条45均匀贴附在介电弹性体薄膜41上下表面,中间纤维条和边侧纤维条均由厚度为1mm的PMMA板材切割而成;为了避免介电弹性体薄膜41上下表面绕过薄膜边界产生局部放电现象,在涂覆导电油脂时应在薄膜两侧预留一定的安全区域,柔性电极选用风腾科技生产的导电油脂(FORTURN ConductiveGrease);把导电铝箔剪成条状粘贴在驱动元件4两侧,一端连接薄膜上下表面的柔性电极,另一端连接导引线;使用刀片或剪刀将整个结构从矩形刚性框架上裁剪下来,即可完成驱动元件4的制作。
本发明一种基于最小能量结构原理的介电弹性体爬行机器人设计主要是通过纯剪切介电弹性体驱动元件、支撑元件、执行元件、销、轴连杆等结构组成,当驱动元件接收到交变驱动信号时,会相应的产生伸缩变形,从而带动组装在一起的支撑元件产生往复伸缩运动,继而通过执行元件把驱动元件的伸缩转化为软体机器人的爬行运动。通过给驱动元件施加不同的驱动信号,例如:方波、正弦波、三角波等,可以实现不同的运动效果,且可以通过调节驱动信号的频率和占空比来控制机器人的运动效果。
如图4所示,在本发明的一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人中,控制电路由单片机、低压电路和高压放大器依次连接而成。
通过单片机控制低压电路的输出,得到不同的交变加载信号,经过EMCO把驱动信号放大之后通过导引线和导电铝箔施加在驱动元件上。
Claims (6)
1.一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,其特征在于,包括弓形可弯折的支撑元件(1),所述支撑元件(1)的下方设置有两边施加电压后可变形的驱动元件(4),所述驱动元件(4)连接有控制电路,驱动元件(4)的两端分别从支撑元件(1)的前侧面和后侧面伸出后通过销(7)固定,支撑元件(1)的前侧面设置有前轴连杆(2),所述前轴连杆(2)连接有前执行元件(3),支撑元件(1)的后侧面设置有后轴连杆(6),所述后轴连杆(6)连接有后执行元件(5)。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,其特征在于,所述驱动元件(4)包含介电弹性体薄膜(41),所述介电弹性体薄膜(41)的外部套设有离型纸,介电弹性体薄膜(41)的边沿铺设边纤维条(45),介电弹性体薄膜(41)的中部铺设中间纤维条(42),介电弹性体薄膜(41)表面涂覆有导电油脂(44),所述边纤维条(45)的侧部设置有插条,所述插条上设置有销孔,边纤维条(45)上还设置有两个与导电油脂相通的导线接口(43),两个所述导向接口(43)分别与控制电路的正负极通过导线连接。
3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,其特征在于,所述控制电路由单片机、低压电路和高压放大器依次连接而成。
4.根据权利要求1所述的基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,其特征在于,所述前执行元件(3)包含前轴(8),所述前轴(8)上通过单向轴承(9)安装有前轮,所述前轴连杆(2)与前轴(8)固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,其特征在于,所述后执行元件(5)包含后轴(10),所述后轴(10)通过单向轴承(9)安装有后轮,所述后轴连杆(6)与后轴(10)固定连接。
6.根据权利要求2所述的基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人,其特征在于,所述前轴连杆(2)和/或所述后轴连杆(6)粘贴在所述前侧面或所述后侧面上。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911135405.5A CN110919631A (zh) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | 一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911135405.5A CN110919631A (zh) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | 一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110919631A true CN110919631A (zh) | 2020-03-27 |
Family
ID=69850322
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201911135405.5A Pending CN110919631A (zh) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | 一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110919631A (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112318488A (zh) * | 2020-11-16 | 2021-02-05 | 之江实验室 | 一种磁驱动双稳态柔性执行器 |
CN113071273A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-06 | 山东大学 | 一种水陆两栖软体机器人 |
CN114944782A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-26 | 西安工程大学 | 基于介电弹性体材料的驱动机构及驱动器的制备方法 |
CN115339538A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-11-15 | 华南理工大学 | 一种基于介电弹性体驱动的仿生蠕动机器人 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009058759A2 (en) * | 2007-10-29 | 2009-05-07 | Humdinger Wind Energy Llc | Energy converter with transducers for converting fluid-induced movements or stress to electricity |
DE112012006175T5 (de) * | 2012-03-30 | 2014-12-11 | Tokai Rubber Industries, Ltd. | Lautsprecher |
CN105598959A (zh) * | 2016-02-19 | 2016-05-25 | 上海交通大学 | 基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人 |
CN107294421A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-24 | 南京航空航天大学 | 基于介电型电活性聚合物的双波浪形负泊松比结构 |
CN107923371A (zh) * | 2015-08-31 | 2018-04-17 | 皇家飞利浦有限公司 | 基于电活性或光活性聚合物的致动器或传感器设备 |
CN108551276A (zh) * | 2018-03-20 | 2018-09-18 | 西安理工大学 | 一种具有介电弹性体驱动元件的马达及驱动元件制作方法 |
CN110125972A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-08-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种可变刚度的抓取装置及其制备方法 |
-
2019
- 2019-11-19 CN CN201911135405.5A patent/CN110919631A/zh active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009058759A2 (en) * | 2007-10-29 | 2009-05-07 | Humdinger Wind Energy Llc | Energy converter with transducers for converting fluid-induced movements or stress to electricity |
DE112012006175T5 (de) * | 2012-03-30 | 2014-12-11 | Tokai Rubber Industries, Ltd. | Lautsprecher |
CN107923371A (zh) * | 2015-08-31 | 2018-04-17 | 皇家飞利浦有限公司 | 基于电活性或光活性聚合物的致动器或传感器设备 |
CN105598959A (zh) * | 2016-02-19 | 2016-05-25 | 上海交通大学 | 基于电活性聚合物的仿生变形环节机器人 |
CN107294421A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-24 | 南京航空航天大学 | 基于介电型电活性聚合物的双波浪形负泊松比结构 |
CN108551276A (zh) * | 2018-03-20 | 2018-09-18 | 西安理工大学 | 一种具有介电弹性体驱动元件的马达及驱动元件制作方法 |
CN110125972A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-08-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种可变刚度的抓取装置及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
FAN LIU等: "Method towards optimal design of dielectric elastomer actuated soft machines", 《SCIENCE CHINA TECHNOLOGICAL SCIENCES》 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112318488A (zh) * | 2020-11-16 | 2021-02-05 | 之江实验室 | 一种磁驱动双稳态柔性执行器 |
CN112318488B (zh) * | 2020-11-16 | 2022-01-25 | 之江实验室 | 一种磁驱动双稳态柔性执行器 |
CN113071273A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-06 | 山东大学 | 一种水陆两栖软体机器人 |
CN114944782A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-26 | 西安工程大学 | 基于介电弹性体材料的驱动机构及驱动器的制备方法 |
CN114944782B (zh) * | 2022-05-19 | 2024-04-05 | 西安工程大学 | 基于介电弹性体材料的驱动机构及驱动器的制备方法 |
CN115339538A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-11-15 | 华南理工大学 | 一种基于介电弹性体驱动的仿生蠕动机器人 |
CN115339538B (zh) * | 2022-08-19 | 2023-05-23 | 华南理工大学 | 一种基于介电弹性体驱动的仿生蠕动机器人 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110919631A (zh) | 一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人 | |
CN110065619B (zh) | 一种分布式能量收集与智能变形的多功能机翼 | |
CN104309714A (zh) | 柔性智能爬行机器 | |
CN109571453A (zh) | 基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器 | |
Helps et al. | Liquid-amplified zipping actuators for micro-air vehicles with transmission-free flapping | |
CN106081103B (zh) | 一种基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器 | |
CN109533279B (zh) | 一种变体飞机柔性机翼及其变刚度蒙皮结构和制备方法 | |
CN105932905A (zh) | 一种基于双沉浮自由度流致振动的能量采集装置 | |
CN107294422A (zh) | 双向多稳态介电弹性体驱动器 | |
CN105217031A (zh) | 一种基于风扇驱动的微扑翼飞行器 | |
CN103482065B (zh) | 一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器 | |
CN113120219B (zh) | 柔性机翼的控制装置、飞行器和控制方法 | |
CN114104262A (zh) | 一种可变形的机翼组件 | |
CN210490748U (zh) | 一种基于l形柔性铰链的压电粘滑驱动器 | |
CN108551276B (zh) | 一种具有介电弹性体驱动元件的马达 | |
CN210985967U (zh) | 一种屈曲自调节的压电能量回收装置 | |
CN105346721B (zh) | 一种仿生微型扑翼飞行器 | |
CN212423466U (zh) | 一种由电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构 | |
CN108945357A (zh) | 一种软体仿生鱼尾 | |
CN108582057B (zh) | 一种基于介电弹性体的锥形驱动机器人 | |
CN109823502A (zh) | 一种利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法 | |
CN101252325A (zh) | 卷形驱动器 | |
CN203775077U (zh) | 双稳态致动器 | |
CN106143671B (zh) | 一种基于静电自激驱动原理的仿生机械昆虫 | |
CN103482066A (zh) | 一种基于离子聚合物金属复合物驱动的微型扑翼机 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200327 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |