CN111002342A - 一种软体驱动器及其软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体驱动器，包括致动层及压力腔；所述致动层包括由可变形材料制成的包裹层，所述包裹层内部为腔体形结构，所述腔体内装有绝缘液体介质；所述包裹层为扁平状结构，所述包裹层的两个相对的扁平面上粘接有至少一对柔性电极对；所述压力腔为腔体形结构，具有至少一个敞口；所述致动层粘接于所述压力腔的敞口处，与所述压力腔形成一个密封腔体，该密封腔体内设有预设压力的气体。本发明所公开的软体驱动器结构简单，制备方便，所选材料易于获得，所制造的软体驱动器可以制作成任何所需要的形状，适应性强，且响应速度快。

Description

一种软体驱动器及其软体机器人

技术领域

本发明涉及柔性驱动器技术领域，尤其涉及一种软体驱动器；本发明还涉及一种软体机器人。

背景技术

随着科学技术的发展，柔性驱动在仿生机器人、软体抓手、医疗康复领域的应用越来越广泛，现有刚性驱动器重量和体积较大，形状规则且单一，驱动结构和控制方法都较为复杂，与软体机器人结合性差，在实际应用中存在着许多问题。

当前的软体驱动器大多采用形状记忆合金、介电弹性体、水凝胶等软物质组成，采用电、气、温度、化学等方式驱动，但是气体驱动需要刚性气源设备以及复杂的阀门进行充气放气，温度驱动同时需要升温与降温装置，化学驱动受化学反应的限制，速度受限且不能长时间进行。

因此，如何解决现有技术中的驱动器响应时间过慢、驱动方式单一、结构复杂的问题，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题之一，本发明公开的一种软体驱动器，结构简单，制备方便，所选材料易于获得，所制造的软体驱动器可以制作成任何所需要的形状，适应性强，且响应速度快。

本发明所公开的软体驱动器是通过以下技术方案实现的：

一种软体驱动器，包括致动层及压力腔；所述致动层包括由可变形材料制成的包裹层，所述包裹层内部为腔体形结构，所述腔体内装有绝缘液体介质；所述包裹层为扁平状结构，所述包裹层的两个相对的扁平面上粘接有至少一对柔性电极对；所述压力腔为腔体形结构，具有至少一个敞口；所述致动层粘接于所述压力腔的敞口处，与所述压力腔形成一个密封腔体，该密封腔体内设有预设压力的气体。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做以下进一步改进。

进一步，所述包裹层为硅胶材质制成，所述液体介质为植物油或变压器油。

进一步，所述压力腔具有多个敞口，所述多个敞口按预设方向开设，每个所述敞口上均粘接有一个所述致动层。

进一步，所述压力腔为多个，每个压力腔具有一个敞口，多个所述软体驱动器首尾相接，形成软体驱动器组。

进一步，所述压力腔包括两个相对设置的支撑侧壁，沿两个所述支撑侧壁之间周向间隔设置多个绝缘层，多个所述绝缘层与两个所述支撑侧壁形成一个具有多个敞口的腔体形结构，多个敞口上均粘接有所述致动层，将该腔体型结构封闭。

进一步，所述支撑侧壁为硬度大于所述致动层的软体材质制成。

进一步，多个所述敞口结构的数量为5至10个，且沿所述压力腔的周向上均匀间隔分布。

进一步，所述软体驱动器还包括控制模块，所述控制模块与所述致动层控制连接。

进一步，所述控制模块包括电容检测装置，所述电容检测装置与所述致动层电路连接，用于实时检测所述致动层上柔性电极对之间的距离并实时反馈到所述控制模块，整个控制回路为闭环控制。

本发明所提供的一种软体驱动器，主要为一种基于固定气压下电控的闭环式软体驱动器，克服了现有技术中的驱动器存在的重量和体积较大，形状规则且单一，驱动结构和控制方法都较为复杂，与软体机器人结合性差等问题。基本方案是基于柔性电极之间的Maxwell力挤压致动层使其产生应变，在固定气压下实现输出位移。

本发明还公开了一种软体机器人，包括上述的任一方式的软体驱动器，由于上述软体驱动器具有的有益技术效果，该软体机器人也具有相应的有益技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明中所述致动层的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种软体驱动器的通电前后状态结构示意图；

图3为本发明所提供的一种软体驱动器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图4为本发明所提供的又一种软体驱动器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图5为本发明所提供的再一种软体驱动器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图6为图5所示的软体驱动器的具体实施方式的工作原理说明示意图；

图7为本发明所提供的软体驱动器的控制原理示意图。

其中，图中的件号表示为：

1、致动层，4、压力腔，5、软体驱动器组，11、包裹层，12、流体介质，13、柔性电极对，7、绝缘层，8、支撑侧壁。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图7，图1为本发明中所述致动层的一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的一种软体驱动器的通电前后状态结构示意图；图3为本发明所提供的一种软体驱动器的另一种具体实施方式的结构示意图；图4为本发明所提供的又一种软体驱动器的另一种具体实施方式的结构示意图；图5为本发明所提供的再一种软体驱动器的另一种具体实施方式的结构示意图；图6为图5所示的软体驱动器的具体实施方式的工作原理说明示意图；图7为本发明所提供的软体驱动器的控制原理示意图。

实施列一，在本发明所公开的一种软体驱动器的具体实施方式中，如图1、图2所示，该软体驱动器包括致动层1及压力腔4；所述致动层1包括由可变形材料制成的包裹层11，可以为硅胶材质。所述包裹层11内部为腔体形结构，所述腔体内装有绝缘液体介质；所述包裹层11为扁平状结构，所述包裹层11的两个相对的扁平面上粘接有至少一对柔性电极对13；所述压力腔4为腔体形结构，具有一个敞口；所述致动层1粘接于所述压力腔4的敞口处，与所述压力腔4形成一个密封腔体，该密封腔体内设有预设压力的气体。

其中，柔性电极对13可以为碳膏涂抹于硅胶上制成，也可以采用离子喷涂于硅胶上或者碳纳米管与硅胶混合而成。

上述的致动层1，即为驱动器产生动力输出位移的层状薄膜(如图1所示，但图中所示仅为放大的示意图，与实际可能有偏差)，实质为多层结构，整体可变形，中间层充入流体介质12，具体可为绝缘液体，如绝缘、耐高压的植物油，或者高压变压器油。使整个致动层1耐击穿，且击穿后可恢复功能，两面覆有柔性电极对13，施加电压后，因受Maxwell力作用，致动层1被挤压，可产生应变。

上述中的压力腔4，可以为一种由软材料制成的空腔，也可以为具有一定刚度如塑料、树脂等制成的腔体形结构，具有单一方向开口，用于与致动层1密封粘接，形成密闭腔体。压力腔4的形状可以为柱形，也可以根据需要设计为异形结构。

在本具体实施例中，软体驱动器可以实现单向线性致动，实现方法是：通过为致动层1两侧的柔性电极对13施加电压，两层柔性电极由于麦克斯韦力相互吸引，从而挤压包裹层11，使致动层1产生应变，面积变大，由于封闭腔体中预设有一定压力的气体，因此在施加电压后，致动层1会在原有基础上凸起一定高度，进而实现单向线性致动目的。

实施例二，将压力腔4制成向特定方向开放的腔体，将致动层1在特定方向上与压力腔4密封粘接，形成内部具有一定压力的密封结构，通过为特定方向上的致动层1施加电压，使该方向上致动层1凸起，实现致动，同时为多个方向上的致动层1施加不同大小的电压，可使驱动器同时在不同方向上产生不同大小的致动位移。也可以在多个方向上将驱动器进行叠加，对多方向上的致动位移进行增大，通过选择性为不同方向上的不同数量驱动器施加电压，实现不同方向上不同大小的致动位移。在图4所示的驱动器实施例中，是具有两个相对的敞口的压力腔4，分别粘接两个相对的致动层1。

实施例三，如图3所示，在实施例一的基础上，将实施例一种的软体驱动器作为一个驱动单元，多个这种驱动单元首尾相接，连接方式可以为粘接，也可以为其它形式，比如，可以通过将一个驱动器的致动层1与另一个驱动器的压力腔4底部粘接，形成软体驱动器组5，将每个软体驱动器单元的致动层1分别施加电压进行控制，当多个制动器单元均产生制动时，便可以实现更大位移的线性致动，如果按不同的控制方式对各驱动单元按一定规则控制，还可以实现类似毛毛虫行走一样的动作。

实施例四，如图5、图6所示，所述压力腔4包括两个相对设置的支撑侧壁8，沿两个所述支撑侧壁8之间周向间隔设置六个绝缘层7，六个所述绝缘层7与两个所述支撑侧壁8形成一个具有六个敞口的腔体形结构，六个敞口上均粘接有所述致动层1，将该腔体型结构封闭，整体形成一个类似六棱柱状的结构。六个绝缘层7不仅起到了绝缘作用，而且具有支撑作用。所述支撑侧壁8为硬度大于所述致动层的软体材质制成。一种优选的实施方式为，绝缘层7和支撑侧壁8均采用硬度大于致动层1的硅胶制成，这样一来，由于硅胶本身也是柔性的，当没有充气的时候，整个装置可以被压缩为很小，便于软体机器人的安装与使用，充气后(气压不需过大，稍高于外界气压即可)，内部形成一定的气压，可以将驱动器鼓起，由于绝缘层7和支撑侧壁8采用硅胶材质制成，其硬度大于致动层1，所以相同气压时，致动层1会产生更大变形，而且当所以当致动层1交替施加电压后，绝缘层7和支撑侧壁8的变形量很小，而且其硬度足够起到支撑作用，真正实现软体驱动的效果，更加适用于软体机器人。

具体的，所述敞口结构的数量为5至10个为宜，且沿所述压力腔4的周向上均匀间隔分布，这样可以更好的实现控制。

具体的，如图5所示，将六个致动层1相互粘接为环状致动层1，相邻致动层1之间用绝缘层7进行粘接，两侧通过支撑侧壁8进行密封粘接，形成内部具有一定压力的密封腔体，如图6所示各个致动层1单元1a,1b,1c,1d,1f,1e之间互相绝缘，且能单独进行控制，在为单个与地面接触的致动层1单元9施加电压时，致动层1单元1a凸起，使滚动驱动器重心向前偏移，滚动一定角度，为多个致动层1单元依次施加电压，从而实现制动器的滚动致动。

在上述各种实施例中，软体驱动器均包括控制模块，该控制模块与每一个致动层1均控制连接，可以单独控制每一个致动层1。

现有驱动器多为开环输出，即仅控制驱动器进行驱动，无法获知驱动器输出位移的大小，并实时进行调整，为了解决这个问题，本发明还提供了一种对驱动器进行闭环控制驱动的技术方案。可实现输出位移后进行感知，获知输出位移大小，并实时进行调整，增大输出精度。

具体方案为，所述控制模块还包括电容检测装置，所述电容检测装置与所述致动层1电路连接，用于实时检测所述致动层1上柔性电极对13之间的距离并实时反馈到所述控制模块，整个控制回路为闭环控制。可以理解的是，当致动层1为多个时，控制模块与每一个致动层1均控制连接，以便对每一个致动层1实现单独的闭环控制。

实现闭环控制致动的方式为：致动层1与两侧柔性电极形成电容器结构，当为致动层1两侧电极施加电压时，致动层1产生应变，柔性电极对13之间距离改变，在驱动器输出位移的同时，电容器电容大小随之变化，根据电容变化情况，利用电容检测装置实时获知位移输出情况。

控制原理如图7所示，当给定输出位移量时，外接高压放电装置施加相应电压，驱动器致动层1发生应变，电容变化，输出位移，通过外接电路中的电容检测装置可实时测量电容大小，并将所测电容转换成位移大小，与原始量进行比较，实现闭环精确控制输出位移。

结合以上技术方案，本发明所公开的软体驱动器，其有益效果是：

(1)本发明公开的软体驱动器采用电压控制致动层的应变从而产生致动，响应速度快；同时，结构柔软、简单，易于布置和加工制造。

(2)本发明公开的软体驱动器可制成各种所需形状，能适应各种环境下的驱动，适用性更好。

(3)本发明公开的软体驱动器的致动层由简单的变形层和液腔层组成，无需刚性材料固定，也无需提前预拉伸，结构简单。

(4)本发明公开的软体驱动器致动层结构为变形层内部充入绝缘液体的多层结构，能起到其他介电弹性体材料的功能特性，且相比而言耐击穿，击穿后可恢复，可重复利用。

(5)本发明公开的软体驱动器致动层施加电压时形成了可变电容，可通过检测致动层电容大小，获知驱动输出位移的大小，从而进行调整，形成闭环驱动。

(6)本发明公开的软体驱动器仅由带有致动层的密封腔体以及相应的电源与控制电路组成，结构简单，致动方式多样。

本发明还提供了一种软体机器人，该软体机器人包括如上文所述的任意一种软体驱动器。对于具体的应用方式、连接方式，结合现有技术，本发明所提供的软体驱动器可以有多种应用方式、连接方式，在此不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种软体驱动器，其特征在于，包括致动层及压力腔；

所述致动层包括由可变形材料制成的包裹层，所述包裹层内部为腔体形结构，所述腔体内装有绝缘液体介质；所述包裹层为扁平状结构，所述包裹层的两个相对的扁平面上粘接有至少一对柔性电极对；

所述压力腔为腔体形结构，具有至少一个敞口；

所述致动层粘接于所述压力腔的敞口处，与所述压力腔形成一个密封腔体，该密封腔体内设有预设压力的气体。

2.根据权利要求1所述的一种软体驱动器，其特征在于，

所述包裹层为硅胶材质制成，所述液体介质为植物油或变压器油。

3.根据权利要求1所述的一种软体驱动器，其特征在于，

所述压力腔具有多个敞口，所述多个敞口按预设方向开设，每个所述敞口上均粘接有一个所述致动层。

4.根据权利要求1所述的一种软体驱动器，其特征在于，所述压力腔为多个，每个压力腔具有一个敞口，多个所述软体驱动器首尾相接，形成软体驱动器组。

5.根据权利要求3所述的一种软体驱动器，其特征在于，所述压力腔包括两个相对设置的支撑侧壁，沿两个所述支撑侧壁之间周向间隔设置多个绝缘层，多个所述绝缘层与两个所述支撑侧壁形成一个具有多个敞口的腔体形结构，多个敞口上均粘接有所述致动层，将该腔体型结构封闭。

6.根据权利要求5所述的一种软体驱动器，其特征在于，所述支撑侧壁为硬度大于所述致动层的软体材质制成。

7.根据权利要求6所述的一种软体驱动器，其特征在于，所述敞口结构的数量为5至10个，且沿所述压力腔的周向上均匀间隔分布。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种软体驱动器，其特征在于，所述软体驱动器还包括控制模块，所述控制模块与所述致动层控制连接。

9.根据权利要求8所述的一种软体驱动器，其特征在于，所述控制模块包括电容检测装置，所述电容检测装置与所述致动层电路连接，用于实时检测所述致动层上柔性电极对之间的距离并实时反馈到所述控制模块，整个控制回路为闭环控制。

10.一种软体机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的软体驱动器。

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