CN112792804A - 一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软体爬行机器人的驱动技术领域，具体涉及一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人。本发明利用独立的模块化驱动单元等结构，利用聚合物螺旋卷绕型人工肌肉作为柔性驱动器，聚合物材料选用尼龙6,6，导电材料选用铜丝，将铜丝均匀地缠绕在螺旋卷绕型尼龙聚合物人工肌肉上，制备成聚合物螺旋卷绕型人工肌肉驱动器。其采用低电压控制，基本实现了软体机器人的运动，并且能够连续运动，具有良好的坏境适应能力和可拓展性。

Description

一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人

技术领域

本发明涉及软体爬行机器人的驱动技术领域，具体涉及一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人。

研究背景

随着近几年智能材料的快速发展，软体机器人的驱动技术成为研究热点。人工肌肉作为一种柔性驱动器，可以在外界激励条件下(电、光、热、磁、湿度以及电化学等)产生可逆的收缩、旋转、弯曲以及它们的组合运动，产生类似于生物肌肉的动力输出，并且能够承受较大负载和变形。与传统的刚性驱动器相比，人工肌肉具有良好的生物相容性、较高的能量密度等优点，因此具有更好的共融机器人的特点。这些优点使得人工肌肉被广泛的运用于医疗、工业、救援等领域。

目前研究较多的人工肌肉驱动器主要包括形状记忆合金(SMA),介电弹性体(DEA)，离子聚合物-金属复合材料(IPMC)，气动人工肌肉，碳纳米管和石墨烯纤维以及半结晶聚合物材料。申请号为201910484637.5中国专利公开申请了一种多运动模式的软体爬行机器人，通过控制气泵充气和放气使得软体机器人三个气囊不断膨胀收缩，从而驱动软体机器人向前爬行，但是其采用气动控制的方式需要笨重的气泵装置，携带不便并且气动控制响应时间较慢，对密封性要求较高，难以小型化。申请号为201711153544.1中国专利公开申请了一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，将形状记忆合金丝均匀缠绕在软体机器人表皮内壁，通过对形状记忆合金进行通断电来控制腔体的收缩伸长，但是形状记忆合金较为昂贵，其大规模应用受到限制，同时形状记忆合金收缩率小迟滞性较大，不易精确控制软体机器人。

发明内容

为了解决现有气动软体爬行机器人存在气动单元、能量密度低、致动器距离受限等问题，以及解决形状记忆合金丝驱动价格昂贵、迟滞性大以及驱动性能较差等问题，本发明利用独立的模块化驱动单元等结构，利用聚合物螺旋卷绕型人工肌肉作为柔性驱动器，聚合物材料选用尼龙6,6，导电材料选用铜丝，将铜丝均匀地缠绕在螺旋卷绕型尼龙聚合物人工肌肉上，制备成聚合物螺旋卷绕型人工肌肉驱动器。其采用低电压控制，基本实现了软体机器人的运动，并且能够连续运动，具有良好的坏境适应能力和可拓展性。

一种聚合物螺旋卷绕型人工肌肉驱动软体爬行机器人由驱动单元、软体躯干以及摩擦腹足组成，驱动单元由两个伸缩驱动单元和两个转向驱动单元组成，每个驱动单元都可以进行独立控制，可以根据需要而增加或删减驱动单元，具有较强的可拓展性和环境适应能力。软体躯干由前后两个伸缩躯干和上下两个转向躯干组成，前、后部伸缩躯干下面都设有一对摩擦腹足，摩擦腹足通过弹簧与伸缩躯干连接。其特征在于，驱动单元由前部伸缩驱动单元、后部伸缩驱动单元、上部转向驱动单元、下部转向驱动单元组成，驱动单元通过在聚合物螺旋卷绕型人工肌肉上均匀缠绕细铜丝并进行初始预拉伸制备而成；软体躯干由前部伸缩躯干、后部伸缩躯干、上部转向躯干和下部转向躯干组成，伸缩躯干采用平行四边形结构，转向躯干采用波纹管结构设计；伸缩驱动单元通过导电凝胶与伸缩躯干连接固定，转向驱动单元通过导电凝胶与波纹管结构的转向躯干连接固定；利用聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的各向异性在通电时产生收缩动作，断电时恢复原长的特性，同时结合聚合物材料的弹性特征，通过控制伸缩驱动单元和转向驱动单元的通断电来实现软体爬行机器人不同类型的运动。

同申请号为201711153544.1的中国专利申请相比，在材料方面，本发明采用了一种聚合物螺旋卷绕型人工肌肉，聚合物选用尼龙6,6，无论是在成本、收缩性能、迟滞性还是响应速度上，本发明的聚合物螺旋卷绕型人工肌肉都要好于上述发明专利所采用的形状记忆合金致动器。在结构方面，本发明使用了平行四边形的伸缩躯干结构以及波纹管状的转向躯干结构，转弯半径小，伸缩变形量大，灵活性增加；然而上述专利基于单胞腔体以及聚合物伸缩连管的变形无法实现小范围的转向，难以实现预期目标。同时本发明由于采用模块化设计，通过增加多个软体驱动单元从而可以增加其环境适应能力。

同申请号为201910484637.5中国专利申请相比，在驱动方式上采用电热驱动，通过给驱动单元一定频率的脉冲信号，控制聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的通断电，实现其伸长和收缩；而上述专利采用气动控制，对各个气囊的封闭性提出了很高的要求。同时本发明的聚合物螺旋卷绕型聚合物人工肌肉在不同电压下的收缩率和收缩力不同，可以对软体爬行机器人的位置进行精确控制，同时其能量密度较高，软体爬行机器人能够以较高的负载爬行运动。

本发明进一步限定的技术方案如下：

前述软体躯干分为平行四边形结构的伸缩躯干和波纹管结构的转向躯干，首先利用由3D打印机打印出模具，再利用Ecoflex00-20A、Ecoflex00-20B的硅胶以质量比为1:1的比例混合浇筑入3D模型中，伸缩躯干与转向躯干一体成型，最后利用脱模剂将成型好的软体躯干取出。

前述聚合物螺旋卷绕型人工肌肉，首先采用通用的加捻方式，将直径d＝0.13mm的尼龙6,6单丝在26MPa负载下加捻，得到弹簧指数为0.98，捻度为1656turns/m的聚合物螺旋卷绕型人工肌肉。

前述伸缩驱动单元和转向驱动单元由直径为0.04mm的铜丝作为导电材料均匀缠绕至上述聚合物螺旋卷绕型人工肌肉并利用拉伸仪拉伸至原长的6％得到。

前述两个伸缩驱动单元前端和后端通过导电凝胶与后部伸缩躯干和前部伸缩躯干的中心孔内壁粘接。

前述两个转向驱动单元的前后两端通过导电凝胶与波纹管状的上部转向躯干和下部转向躯干内壁的前后两端粘接；上部转向躯干和下部转向躯干分别位于四边形结构的伸缩躯干的两侧；上部转向躯干和下部转向躯干的前端与前部伸缩躯干连接，上部转向躯干和下部转向躯干的后端与后部伸缩躯干连接。

前述摩擦腹足设计成一半球形，一半方形，球形界面与地面摩擦较小，方形界面与地面摩擦较大。

前、后部伸缩驱动单元以及上、下部转向驱动单元的铜丝与电源连接。

前述后部伸缩驱动单元通电，此时后部伸缩躯干收缩；再给前部伸缩驱动单元通电，后部伸缩驱动单元断电，此时后部伸缩躯干伸长，前部伸缩躯干收缩，以此循环实现前进运动。前述上部转向驱动单元通电，下部转向驱动单元断电，此时上部软体躯干收缩，下部软体躯干伸长，软体机器人发生弯曲，向左转弯；上部转向驱动单元断电后伸长，下部转向驱动单元通电收缩，软体爬行机器人向右转弯。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用的聚合物螺旋卷绕型人工肌肉，制备简单，成本低廉，收缩率和收缩力较大，可以使用在需要高负载的软体爬行机器人。同时其使用寿命较高，可以实现数万次的往复运动。

2、本发明软体爬行机器人采用模块化设计，每个软体驱动单元各自独立，因此可以通过增加和减少驱动单元的个数来适配不同的工作需求。

3、本发明采用电热控制，通过控制每个伸缩驱动单元和转向驱动单元的通断电实现前进和转向，输入的电压和频率共同决定了其运动速度的快慢，控制简单。

4、本发明软体爬行机器人的软体躯干由采用平行四边形结构的软体伸缩躯干和波纹管结构的软体转向躯干组成，极大的匹配了聚合物螺旋卷绕型人工肌肉收缩率大的特性，可以实现较大范围的运动和较小的转弯半径，实现了整体的灵活性。

5、本发明摩擦腹足部分采用球状和方形两种形状设计，与地面之间接触面的不

同从而控制摩擦力不同，可以实现软体机器人的爬行。

附图说明

图1是本发明所述软体爬行机器人的立体图；

图2是本发明所述软体爬行机器人俯视图；

图3是本发明所述软体爬行机器人主视图；

图4是软体爬行机器人爬行周期示意图；

图5是软体爬行机器人转弯示意图。

图中：1-后部伸缩躯干；2-前部伸缩躯干；3-后部伸缩驱动单元；4-前部伸缩驱动单元；5-上部转向躯干；6-下部转向躯干；7-上部转向驱动单元；8-下部转向驱动单元；9-弹簧连接件，10-摩擦腹足。

具体实施方式

为了充分了解本发明目的、特征以及功效，借由下面具体实施方式，本发明做出详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明一种聚合物螺旋卷绕型人工肌肉驱动的软体爬行机器人，主要组成部分包括后部伸缩躯干1、前部伸缩躯干2，后部伸缩驱动单元3，前部伸缩驱动单元4，上部转向躯干5，下部转向躯干6，上部转向驱动单元7，下部转向驱动单元8，弹簧连接件9，四对摩擦腹足10。

螺旋卷绕型聚合物人工肌肉驱动单元是由两个伸缩驱动单元以及两个转向驱动单元组成。螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的制备首先用通用的加捻方式，在负载26MPa下，将直径d＝0.13mm的尼龙单丝纤维加捻，得到弹簧指数为0.98，捻度为1656turns/m的聚合物螺旋卷绕型人工肌肉，最后将0.04mm的细铜丝均匀缠绕至人工肌肉上并利用拉伸仪拉伸至原长的6％得到螺旋卷绕型聚合物人工肌肉驱动单元。

软体躯干主要是由前、后部伸缩躯干以及上、下部转向躯干组成，通过将硅胶注入3D打印的模具一体化成型得到。前、后部两个伸缩驱动单元通过导电凝胶分别与前、后部两个伸缩躯干连接，用于控制软体爬行机器人的伸缩运动；上、下部两个转向驱动单元通过导电凝胶分别与上、下部两个转向躯干连接，用于控制软体爬行机器人的转向运动。摩擦腹足通过四个弹簧连接件与伸缩躯干连接。

以前进运动为例，如图4所示，一个周期包括两个运动，首先前、后伸缩驱动单元都处于断电状态，接着后部伸缩驱动单元3仍然处于断电，给前部伸缩驱动单元4通电，螺旋卷绕型聚合物人工肌肉由于各向异性的作用，会产生收缩变形，压缩前部伸缩躯干2，此时前部伸缩躯干2连接的摩擦腹足10与地面接触的为方形接触面，摩擦力较大，而后部伸缩躯干1连接的摩擦腹足19与地面接触的为线接触，摩擦力较小，则前部摩擦腹足不动，后部摩擦腹足向前移动；接着对后部伸缩驱动单元3通电，前部伸缩驱动单元4断电时，前部伸缩躯干2会伸长到原长，而后部伸缩驱动单元3会收缩从而压缩后部伸缩躯干1，此时与后部伸缩躯干连接的两个摩擦腹足与地面的摩擦力较大，与前部伸缩躯干连接的两个摩擦腹足所受摩擦力较小，软体爬行机器人又会向前前行。同时，对下部转向驱动单元8通电，上部转向驱动单元7断电时，下部转向驱躯干6会收缩，而上部转向躯干5保持原长，软体爬行机器人会向右转弯。如图5所示。

所以通过对前、后部两个伸缩驱动单元以及上、下部两个转向驱动单元输入一定频率的方波电压，便会控制软体机器人前进和转向，同时调整方波的电压、频率以及占空比都会影响软体爬行机器人的速度。此外，可以通过增加驱动单元和软体躯干的个数，来增加软体爬行机器人的长度从而可以实现蜿蜒爬行等动作，以适应不同的工作环境。

Claims (8)

1.一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，所述软体机器人由驱动单元、软体躯干以及摩擦腹足组成，驱动单元由两个伸缩驱动单元和两个转向驱动单元组成，每个驱动单元都可以进行独立控制，可以根据需要而增加或删减驱动单元，具有较强的可拓展性和环境适应能力，软体躯干由前后两个伸缩躯干和上下两个转向躯干组成，每个伸缩躯干下面设有两对摩擦腹足，摩擦腹足通过弹簧与伸缩躯干连接，其特征在于，驱动单元由前部伸缩驱动单元、后部伸缩驱动单元、上部转向驱动单元、下部转向驱动单元组成，驱动单元通过在聚合物螺旋卷绕型人工肌肉上均匀缠绕细铜丝并进行初始预拉伸制备而成；软体躯干由前部伸缩躯干、后部伸缩躯干、上部转向躯干和下部转向躯干组成，伸缩躯干采用平行四边形结构，转向躯干采用波纹管结构设计；伸缩驱动单元通过导电凝胶与伸缩躯干连接固定，转向驱动单元通过导电凝胶与波纹管结构的转向躯干连接固定；利用聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的各向异性在通电时产生收缩动作，断电时恢复原长的特性，同时结合聚合物材料的弹性特征，通过控制伸缩驱动单元和转向驱动单元的通断电来实现软体爬行机器人不同类型的运动。

2.如权利要求1所述的一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，其特征在于，软体躯干分为平行四边形结构的伸缩躯干和波纹管结构的转向躯干，首先利用由3D打印机打印出模具，再利用Ecoflex00-20A、Ecoflex00-20B的硅胶以质量比为1:1的比例混合浇筑入3D模型中，伸缩躯干与转向躯干一体成型，最后利用脱模剂将成型好的软体躯干取出。

3.如权利要求1所述的一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，其特征在于，所述聚合物螺旋卷绕型人工肌肉，是采用通用的加捻方式，将直径d＝0.13mm的尼龙6,6单丝在26MPa负载下加捻，得到弹簧指数为0.98，捻度为1656turns/m的聚合物螺旋卷绕型人工肌肉。

4.如权利要求1所述的一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，其特征在于，伸缩驱动单元和转向驱动单元由直径为0.04mm的铜丝作为导电材料均匀缠绕至聚合物螺旋卷绕型人工肌肉并利用拉伸仪拉伸至原长的6％得到。

5.如权利要求1所述的一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，其特征在于，前部伸缩驱动单元的前端和后端通过导电凝胶与前部伸缩躯干的中心孔内壁粘接，后部伸缩驱动单元的前端和后端通过导电凝胶与后部伸缩躯干的中心孔内壁粘接。

6.如权利要求1所述的一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，其特征在于，两个转向驱动单元的前后两端分别通过导电凝胶与波纹管状的上部转向躯干和下部转向躯干内壁的前后两端粘接；上部转向躯干和下部转向躯干分别位于四边形结构的伸缩躯干的两侧；上部转向躯干和下部转向躯干的前端与前部伸缩躯干连接，上部转向躯干和下部转向躯干的后端与后部伸缩躯干连接。

7.如权利要求1所述的一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，其特征在于，前述摩擦腹足与地面的接触面设计成一半球形，一半方形，球形界面与地面摩擦较小，方形界面与地面摩擦较大。

8.如权利要求1所述的一种螺旋卷绕型聚合物人工肌肉的软体机器人，其特征在于，前、后部伸缩驱动单元以及上、下部转向驱动单元的铜丝与电源连接。

Images