CN111098944A - 基于eap驱动的弹跳机构及其弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于EAP驱动的弹跳机构及其机器人，包括：预载荷部、介电弹性体薄膜、传动部和弹跳部，介电弹性体薄膜设置于预载荷部的底面上，传动部与预载荷部的底面通过介电弹性体薄膜动力输出连接；预载荷部与介电弹性体薄膜产生的合力驱动弹跳部。该弹跳机构采用柔性球体结构和弹跳式运动模式，这样能够适应星球表面高障碍物、陡坡等复杂地形，使其具有较强的几何通过性和跨越障碍的能力。本申请的又一方面还提供了包含该弹跳机构的弹跳机器人。

Description

基于EAP驱动的弹跳机构及其弹跳机器人

技术领域

本申请涉及一种基于EAP驱动的弹跳机构及其弹跳机器人，属于弹跳机器人领域。

背景技术

目前地面移动机器人的运动方式主要有轮履运动方式、爬行运动方式或步行运动方式。轮履移动方式主要用于机器人移动，例如防爆、消防、战场及星际探索等领域的移动机器人上。采用这种移动方式的机器人只能在相对平坦的地势上运动，或者只能翻越具有具体形状的障碍，如楼梯等，一旦遇到尺寸较大、形状不定的障碍物时，其运动将受到很大限制，越障能力还受制于机器人本身的尺度。

爬行或步行运动方式的机器人主要是从仿生角度研制、用于一些特殊场合，如蛇形机器人、仿壁虎机器人等。步行或爬行机器人翻越障碍物的能力与轮履运动方式相比稍强，但其运动自由度较多，大量的关节支撑部使其控制过程复杂，而且当障碍物尺寸大于机器人自身尺寸时，该类机器人很难顺利翻越。

弹跳式机器人可翻越高度数倍于自身尺寸的障碍物，解决轮履、步行或爬行类机器人的活动范围受限问题，能满足复杂地形的运动需要，该类机器人可以应用于星球探索中。

星球探测机器人是一种用于在星球表面未知环境中，执行探测任务的机器人，月球车、火星车都属于星球探测机器人。崎岖多障碍的外星球表面，要求机器人遇到沟壑、石头等障碍时要能顺利跨越，显然弹跳是一种理想的翻越障碍的运动方式。同时在月球、火星等微重力环境下，弹跃更是一种高效使用能量的运动方式。

目前弹跳机器人的驱动方式主要为电机、燃气和气动驱动。采用这些传统实现技术，机器质量大结构复杂，能量利用率低。

介电型EAP(Electricoactive polymer)是一种超弹性智能材料，依靠自身形变完成电能向机械能的转换，具有结构简单、重量轻、所需零件少、无相对摩擦等多种优点。

EAP智能软材料的电致柔性大变形特性使其在空间探测、武器装备、新能源、康复医疗等多个领域具有广泛的应用前景，但将其作为动力输出直接运用，仍然存在许多不确定性，现有技术中也缺乏有效的使用方式。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种基于EAP驱动的弹跳机构及其弹跳机器人，该探测器采用柔性球体外壳结构实现保护和降低控制重心的作用，运动方式将弹跳方式和柔性间歇驱动相结合，避免了现有技术中弹跳运动回落时所承受的较大冲击力，有利于保护探测器。

所述基于EAP驱动的弹跳机构，包括：预载荷部、介电弹性体薄膜、传动部和弹跳部，所述介电弹性体薄膜设置于所述预载荷部的底面上，所述传动部与所述预载荷部的底面通过所述介电弹性体薄膜动力输出连接；

所述预载荷部与所述介电弹性体薄膜产生的合力驱动所述弹跳部。

可选地，所述弹跳部包括弹力绳，所述弹力绳的两端分别与所述传动部、所述弹跳部相连接；

所述预载荷部产生朝向所述弹跳部的第一推力，所述介电弹性体薄膜产生超向所述预载荷部的第二推力，所述第一推力与所述第二推力的合力带动所述弹力绳缠绕收拢或释放，所述弹跳部随所述弹力绳的缠绕收拢或释放发生弹跳。

可选地，包括：支撑部，所述预载荷部容纳设置于所述支撑部内。

可选地，所述支撑部包括：第一板、杆体、第二板和驱动片内圆，所述第一板和所述第二板分别连接于所述杆体的两端；

所述驱动片内圆设置于所述第二板面内，或所述驱动片内圆设置于所述第二板面的下/上方；

所述介电弹性体薄膜填充于所述第二板与所述驱动片内圆的间隙中。

可选地，所述预载荷部包括：回弹件和预载荷件，所述预载荷件的一端与所述支撑部的顶面转动连接，另一端与所述传动部转动连接；所述回弹件设置于所述预载荷件内，使预载荷件产生所述第一推力。

可选地，所述传动部包括：盘体、摇杆和转轴；所述摇杆的一端与所述盘体的底面转动连接；所述摇杆的另一端设有转轴，所述弹力绳的一端缠绕于所述转轴上；所述转轴随所述合力进行顺时针转动，对所述弹力绳进行缠绕收拢。

可选地，所述传动部还包括：棘轮、棘爪和滚针轴承，所述转轴通过所述滚针轴承安装于所述遥杆内；

所述棘轮套设于所述转轴上，随所述传动部沿所述弹跳机构的纵向运动转动；

所述棘爪固定于所述盘体上，抵接于转动后的所述棘轮上。

可选地，所述摇杆包括第一摇杆和第二摇杆，所述第一摇杆和所述第二摇杆分设于所述盘体两相对侧，所述第一摇杆和所述第二摇杆的一端分别与所述盘体的底面相连接，所述转轴的两端分别设置于所述第一摇杆和所述第二摇杆的另一端上。

可选地，所述弹跳部包括弹跳腿和底座，所述弹跳腿的一端连接于所述支撑部底面上，另一端转动连接于所述底座上；

所述弹力绳的另一端与所述底座相连接。

本申请的又一方面提供了一种弹跳机器人，包括：如权利要求1～9中任一项所述的基于EAP驱动的弹跳机构。

本申请的有益效果包括但不限于：

(1)本申请所提供的基于EAP驱动的弹跳机构，探测器采用柔性球体外壳结构，能实现保护和降低控制重心的作用，运动方式为弹跳方式和柔性间歇驱动方式结合。该探测器具有较好的机动性、越障性、爬坡能力，能够适应星球表面高障碍物、陡坡等复杂地形，从而采集到更多的有用数据。

(2)本申请所提供的基于EAP驱动的弹跳机构，通过通断电，对介电弹性体薄膜的回弹力进行控制，使其抵消预载荷产生的回弹力而使回弹机构沿其轴线进行上、下运动，通过棘轮带动轴进行单向转动，而不断压缩弹跳部件，再通过释放棘轮存储的回转力，在短时间内释放弹跳部件，从而为弹跳机构整体提供脱离重力的运动势能，从而完成弹跳。该机构弹跳过程控制简便，易于实现，预载荷仅需通过弹簧、弹力绳等结构即可有效利用介电弹性体薄膜的回弹力，从而完成弹跳动作。且弹跳高度可通过对棘轮积蓄量进行控制，便于根据障碍物尺寸对弹跳高度进行控制。

3)本弹跳机构采用间歇运动弹跳的运动方式。传统的连续运动方式耗能较多且需要在弹跳过程中保持姿势，且介电型EAP的响应速度和输出力不足以实现连续驱动弹跳，需通过多次重复往返运动不断拉伸或者压缩机构中的弹性元件实现储能并最终释放。

4)本弹跳机构采用柔性球体结构和弹跳式运动模式，这样能够适应星球表面高障碍物、陡坡等复杂地形，使其具有较强的几何通过性和跨越障碍的能力。

附图说明

图1是本申请优选实施例中基于EAP驱动的弹跳机构立体示意图；

图2是本申请优选实施例中基于EAP驱动的弹跳机构局部立体示意图；

图3是本申请优选实施例中基于EAP驱动的弹跳机构主视示意图；

图4是本申请又一优选实施例中基于EAP驱动的弹跳机构立体示意图。

部件和附图标记列表：

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

参见图1，本申请提供的基于EAP驱动的弹跳机构，包括：预载荷部200、介电弹性体薄膜、传动部400和弹跳部500，所述介电弹性体薄膜设置于所述预载荷部200的底面上，所述传动部400与所述预载荷部200的底面通过所述介电弹性体薄膜动力输出连接；

所述预载荷部200与所述介电弹性体薄膜产生的合力驱动所述弹跳部500。

通过预载荷部200与所述介电弹性体薄膜产生的合力驱动传动部400沿其纵向进行上下往复运动，对弹性部蓄积势能，待需要进行弹跳时，释放势能即可发生弹跳运动。

单纯的EAP薄膜所能提供的驱动力是比较小的，为获得较大输出驱动力，还需要为其设置一定的预载荷，本结构在介电型EAP驱动器中加入了菱形预载荷机构。

传动机构：本申请中，通过EAP驱动器薄膜上下运动带动摇杆机构从而带动其内穿插有单向轴承的轴单向转动，本传动结构中的棘轮440、棘爪450机构起到的作用是逆向卡死轴防止运动过程中轴回转，起到位移积累的效果。

弹跳机构：本申请中，随着驱动器运动带动轴不断单向旋转，轴上绕绳和弹簧腿底座连接，使整个机构重心下移弹簧腿弯曲储能。当所需能量达到时，棘爪通过舵机控制从棘轮上移开，此时不再卡死轴，弹簧腿储存的能量释放通过绕绳带动轴回转，整个机构被弹起,绕绳和弹簧腿恢复初始状态。

本申请中，基于EAP软材料的柔性驱动器作为整个机构的总输入端，仍存在很多不确定性，相关的驱动技术、动能与弹性势能的转化、能量储存等关键技术需要逐步突破，现有技术中还存在如下问题：

1、EAP驱动单次变形能量有限，为储存足够高的能量进行跳跃，需在短时间内多次连续变形；

2、EAP驱动单元变形为周期性、往返式变形，因此需通过传动机构将输出变形量转化为单一方向变形，并在能量储存完成后机构能够快速解锁释放能量；

3、为保证跳跃的连续性，需对落地姿态进行实时调整，具有很大的挑战性。

针对上述问题，本申请通过材料增强、结构优化设计等方式开展了的高输出性能的EAP驱动器件研究、传动与能量快速释放技术研究、落地姿态控制与二次弹跳技术研究等，经大量实验验证及理论分析，基于EAP柔性驱动器的球形机构具有良好的弹跳性能，相关成果可为弹跳式球形探测器的应用研究奠定重要基础。

可选地，所述弹跳部500包括弹力绳530，所述弹力绳530的两端分别与所述传动部400、所述弹跳部500相连接；

所述预载荷部200产生朝向所述弹跳部500的第一推力，所述介电弹性体薄膜产生超向所述预载荷部200的第二推力，所述第一推力与所述第二推力的合力带动所述弹力绳530缠绕收拢或释放，所述弹跳部500随所述弹力绳530的缠绕收拢或释放发生弹跳。

通过采用弹力绳530对弹跳部500进行势能蓄积，便于进行控制，结构简单。

可选地，还包括：支撑部100，所述预载荷部200容纳设置于所述支撑部100内。

参见图1，本申请提供的基于EAP驱动的弹跳机构，包括：支撑部100、预载荷部200、介电弹性体薄膜、传动部400和弹跳部500。预载荷部200容纳设置于支撑部100内。预载荷部200与传动部400动力输出连接。介电弹性体薄膜设置于支撑部100和预载荷部200相接的底面上。预载荷部200与传动部400通过介电弹性体薄膜相连接。介电弹性体薄膜向预载荷部200输出驱动力。随弹跳部500与支撑部100固定连接，二者之间可发生挤压。弹跳部500与传动部400通过弹力绳530相连接，弹跳部500根据传动部400输出的动力方向，发生压缩、回弹运动。

预载荷部200包括回弹件220和预载荷件210，预载荷件210的一端与支撑部100中的第一板110转动连接，另一端与传动部400转动连接，进行传动，预载荷部200容纳于支撑部100中。回弹件220设置于预载荷件210内，使预载荷件210产生朝向弹跳部500的力。

参见图1，在一实施例中，预载荷件210包括4根首尾相接的杆件，杆件围成菱形。预载荷件210所围菱形的上、下两端分别与支撑部100和传动部400相连接。预载荷件210所围菱形的左、右两端为活动连接。回弹件220为弹簧，弹簧拉伸后两端分别与活动连接的端相连接。使用时，弹簧自然产生恢复原形的动力，拉动菱形预载荷件210的左右两端向中心运动，从而使预载荷件210产生向弹跳部500的合力。

支撑部100包括第一板110、杆体120、第二板130和驱动片内圆230。第一板110和第二板130分别连接于杆体120的两端。第一板110、杆体120和第二板130围成具有支撑强度的结构，预载荷部200容纳于该支撑结构中。弹跳部500连接于第二板130的下方。驱动片内圆230设置于第二板130面内，或驱动片内圆230设置于第二板130面的下/上方。第二板130和驱动片内圆230二者之间可发生纵向相对移动。介电弹性体薄膜填充于第二板130和驱动片内圆230的间隙中。

在一实施例中第一板110与第二板130为直径不同的圆环体。第一板110的直径小于第二板130。第一板110与第二板130轴线重合。杆体120的两端分别支撑设置于第一板110与第二板130之间。杆体120在本实施例中起到支撑第一板110的作用。支撑部100的结构也可以为其他能发挥支撑作用的结构。第二板130的下端设置弹跳腿。弹跳腿结构可为各类在两端受力时接受挤压发生弯曲的结构。例如片体结构。

介电弹性体薄膜(图中未示出，EAP材料)填充于支撑部100的底面。介电弹性体薄膜还与预载荷部200相连接。介电弹性体薄膜是一种薄膜材料。在通电时，该薄膜刚度会发生改变，有静电压力作用下，刚度下降，停止作用则刚度上升。

当介电弹性体薄膜存在静电压力时，介电弹性体薄膜刚度下降，此时预载荷部200产生的向下的力大于介电弹性体的回复力，驱动片内圆230产生向弹跳部500的线性位移并输出力。

当静电压力消失时，介电弹性体的应变恢复(即材料本身的刚度上升)，此时预载荷部200产生的向下的力小于介电弹性体的回复力，驱动片内圆230反向产生线性位移和输出力。

断电时，EAP材料分子间作用力恢复，此时预载荷件210下端点和支撑部100下半部分内圆相连接的平衡状态重新恢复，此时带动驱动片内圆230产生向上的竖直位移，支撑部100重新回到起始状态。

采用介电弹性体薄膜后，即可控制传动部400中驱动片内圆230根据需要产生上、下线性位移。

参见图2和4，可选地，所述传动部400还包括：棘轮440、棘爪450和滚针轴承460，所述转轴470通过所述滚针轴承460安装于所述遥杆内；所述棘轮440套设于所述转轴470上，随所述传动部400沿所述弹跳机构的纵向运动转动；所述棘爪450固定于所述盘体420上，抵接于转动后的所述棘轮440上。

传动部400包括：盘体420、遥杆、棘轮440、棘爪450、滚针轴承460和转轴470。遥杆设置于盘体420的底面上。遥杆的一端与盘体420转动连接，遥杆绕盘体420的底面转动。弹力绳530的一端缠绕于转轴470上。摇杆下部安装孔内内嵌滚针轴承460再与转轴470相连接，此处滚针轴承460的功能为：转轴470发生顺时针转动时，滚针轴承460卡住不动，转轴470发生逆时针随轴旋转。此处滚针轴承460为单向滚针轴承。

参见图3～4，摇杆包括分设于盘体420两相对侧的第一摇杆431和第二摇杆432。第一摇杆431和第二摇杆432结构相同，现仅描述第一摇杆431，第一摇杆431包括第一段和设置于第一段一端的第二段，第二段的一端绕第一段的一端转动。第二段的另一端穿设转轴470。

第一摇杆431和第二摇杆432平行设置，二者的另一端沿其横向贯穿插设转轴470。棘轮440套设于转轴470上，并设置于第一摇杆431和第二摇杆432之间。棘爪450以盘体420为支持点，固定后与棘轮440啮合。棘爪450能阻止棘轮440逆时针转动，转轴470带动棘轮440时，只能进行顺时针转动，随着转轴470单向转动，即可将弹跳部500中的弹力绳530拉紧收缩。

棘爪450与盘体420底面的连接方式可以为现有各类连接方式。

参见图2～3，可选地，所述弹跳部包括弹跳腿和底座540，所述弹跳腿的一端连接于所述支撑部100底面上，另一端转动连接于所述底座540上；所述弹力绳530的另一端与所述底座540相连接。

弹跳部可以包括多个弹跳腿，弹跳腿结构可以为各种能受力发生形变的结构或材料制成。仅需能实现挤压后，随着释放发生弹跳即可。

弹跳部500包括连接部、弹跳腿、弹力绳530和底座540。弹跳腿的一端通过连接部与支撑部100的底面相连接。弹跳腿的另一端与底座540相连接。弹力绳530的一端与传动部400相连接，另一端与底座540相连接。随着传动部400中转轴470的转动，弹力绳530缩短，并对底座540产生拉力，随着拉力的增大，弹跳腿挤压弯曲发生形变。当传动部400中的棘轮440释放弹力绳530后，弹力绳530恢复原始形态，完全变形的弹力腿恢复初始形貌，并释放势能推动弹跳机构整体向上跳起。

参见图2～3，弹跳部500包括第一连接部511、第二连接部512、第一弹跳腿521、第二弹跳腿522。第一连接部511和第二连接部512为L型连接件。第一连接部511的一端连接于第二板130的底面上，另一端与第一弹跳腿521的一端转动连接。第一弹跳腿521的另一端与底座540转动连接。

第二连接部512的一端连接于第二板130的底面上，并与第一连接件相对称，另一端与第二弹跳腿522的一端转动连接。第二弹跳腿522的另一端与底座540转动连接。第一连接部511和第一弹跳腿521、第二连接部512和第二弹跳腿522相对该弹跳机构整体的中轴线对称设置。

参见图1，底座540包括底板、第一轴、第二轴和第三轴。第一轴与第一弹跳腿521第一端转动连接。第二轴与弹力绳530缠绕，并固定于底座540内。第三轴与第二弹跳腿522转动连接。

本申请的又一方面还提供了一种弹跳机器人，包括上述基于EAP驱动的弹跳机构。

该机构在运用时，可以根据需要将控制组件和任务执行部件安装于支撑部100顶部，通过对EAP材料通断电的控制，实现根据需要跳跃。例如在一实施例中，包括控制组件和执行机构，所述控制组件安装于所述支撑部100的下部。执行机构安装于支撑部100的顶面上。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，包括：预载荷部、介电弹性体薄膜、传动部和弹跳部，所述介电弹性体薄膜设置于所述预载荷部的底面上，所述传动部与所述预载荷部的底面通过所述介电弹性体薄膜动力输出连接；

所述预载荷部与所述介电弹性体薄膜产生的合力驱动所述弹跳部。

2.根据权利要求1所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，所述弹跳部包括弹力绳，所述弹力绳的两端分别与所述传动部、所述弹跳部相连接；

所述预载荷部产生朝向所述弹跳部的第一推力，所述介电弹性体薄膜产生超向所述预载荷部的第二推力，所述第一推力与所述第二推力的合力带动所述弹力绳缠绕收拢或释放，所述弹跳部随所述弹力绳的缠绕收拢或释放发生弹跳。

3.根据权利要求1所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，包括：支撑部，所述预载荷部容纳设置于所述支撑部内。

4.根据权利要求3所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，所述支撑部包括：第一板、杆体、第二板和驱动片内圆，所述第一板和所述第二板分别连接于所述杆体的两端；

所述驱动片内圆设置于所述第二板面内，或所述驱动片内圆设置于所述第二板面的下/上方；

所述介电弹性体薄膜填充于所述第二板与所述驱动片内圆的间隙中。

5.根据权利要求3所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，所述预载荷部包括：回弹件和预载荷件，所述预载荷件的一端与所述支撑部的顶面转动连接，另一端与所述传动部转动连接；所述回弹件设置于所述预载荷件内，使预载荷件产生所述第一推力。

6.根据权利要求2所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，所述传动部包括：盘体、遥杆和转轴；所述遥杆的一端与所述盘体的底面转动连接；所述遥杆的另一端设有转轴，所述弹力绳的一端缠绕于所述转轴上；所述转轴随所述合力进行顺时针转动，对所述弹力绳进行缠绕收拢。

7.根据权利要求6所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，所述传动部还包括：棘轮、棘爪和滚针轴承，所述转轴通过所述滚针轴承安装于所述遥杆内；

所述棘轮套设于所述转轴上，随所述传动部沿所述弹跳机构的纵向运动转动；

所述棘爪固定于所述盘体上，抵接于转动后的所述棘轮上。

8.根据权利要求6所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，所述遥杆包括第一遥杆和第二摇杆，所述第一摇杆和所述第二摇杆分设于所述盘体两相对侧，所述第一摇杆和所述第二摇杆的一端分别与所述盘体的底面相连接，所述转轴的两端分别设置于所述第一摇杆和所述第二摇杆的另一端上。

9.根据权利要求3所述的基于EAP驱动的弹跳机构，其特征在于，所述弹跳部包括弹跳腿和底座，所述弹跳腿的一端连接于所述支撑部底面上，另一端转动连接于所述底座上；

所述弹力绳的另一端与所述底座相连接。

10.一种弹跳机器人，其特征在于，包括：权利要求1～9中任一项所述的基于EAP驱动的弹跳机构。

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