CN112976012B - 一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，包括本体，所述本体两侧设置有机翼、本体后部设置有机尾、本体下方设置有多个弹射驱动器，本体上还设置有控制机器人状态的控制系统，所述弹射驱动器包括两个围合成环形结构的弹射膜，所述弹射膜使用IPMC材料制作，内侧弹射膜能够在电驱动下产生伸直的趋势，两个弹射膜的活动端部分叠放。本发明的优点在于：在本体下方设置所述弹射驱动器，通过控制系统控制两个弹射膜的电压，使内侧弹射膜相对外侧弹射膜发生运动弹出，接近伸直状态。在该弹射力的作用下，机器人离开地面完成起飞，并借助机尾和机翼的驱动能实现在空中和水中平稳的运动。

Description

一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人

技术领域

本发明涉及智能驱动材料应用技术领域，尤其涉及一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人。

背景技术

机器人可以辅助或代替人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率，提高人类生活水平，扩大或延伸人的活动及能力范围。现有的机器人多以刚性金属材料制造而成，存在刚性强、自由度低、易磨损等局限性。而柔性智能材料在一定程度上可以弥补刚性材料的不足，具有变形大、响应快、可操纵性高、无噪音以及动作灵活等特点，为发展新一代仿生机器人提供了新的思路。

电致动聚合物(EAP)材料是一类新型的高分子聚合物及其复合材料，在施加电压后会产生弯曲、收缩、膨胀等力学响应，可实现驱动和传感功能。EAP根据作用机理可分为电子型和离子型。其中离子型聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种典型的离子型EAP，在低压下(<3V)就能实现大变形，在潮湿的环境中也可以使用，具有生物相容性，在医疗设备、人机交互界面、仿生机器人等领域具有重要的应用价值。

公开号为CN109268621A的发明专利申请公开了一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人，通过电致动材料和单片机实现对整个机器人的驱动，然而该机器人仅能实现在固定管道内的行进，驱动方式较为简单。在现有研究基础上，本发明提出了一种基于EAP的两栖软体机器人结构，可以实现空中和水中的有效运动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于电致动聚合物材料驱动的两栖软体机器人。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，包括本体，所述本体两侧设置有机翼、本体后部设置有机尾、本体下方设置有多个弹射驱动器，本体上还设置有控制机器人状态的控制系统，所述弹射驱动器包括两个围合成环形结构的弹射膜，所述弹射膜使用IPMC材料制作，内侧的弹射膜能够在电驱动产生伸直的趋势，两个弹射膜的活动端部分叠放。

本发明提供的两栖软体机器人底部设置所述弹射驱动器，通过控制系统控制两个弹射膜的电压，使重叠部分内侧的弹射膜向外张开，重叠部分外侧的弹射膜不加电压或者施加使其向内弯曲的电压，在内侧弹射膜的张力作用下，两个弹射膜产生摩擦力，该摩擦力阻止弹射膜运动，在电压作用下，内侧弹射膜内的离子聚集越来越多，弹射力逐渐增大超过摩擦力，内侧弹射膜相对外侧弹射膜发生运动弹出，从而产生弹射力，最终内侧弹射膜接近伸直状态。在该弹射力的作用下，实现机器人从地面到空中的运动，在空中起飞后可以通过机尾和机翼的作用控制姿态、高度和方向，在水中通过机尾控制机器人游动的动力和方向，底部弯曲驱动器提供协助转向的作用。

优选的，所述弹射驱动器还包括设置于本体下方的夹持块，所述夹持块的两端分别固定设置有一个所述弹射膜，所述夹持块两端分别设置有凹口，弹射膜嵌入固定在凹口内，两端弹射膜向夹持块下方弯曲并且端部重叠。

优选的，重叠区域外侧的弹射膜至少外表面设置有开口槽，重叠区域内侧的弹射膜至少内表面设置有开口槽，所述开口槽沿弹射膜的长度方向设置有多个，相邻开口槽的间距不超过弹射膜长度的4％-12％，开口槽深度不超过弹射膜深度的1/3。

优选的，所述夹持块上还设置有控制两个弹射膜电压的控制器，所述控制器与控制系统通信连接。

优选的，所述夹持块沿本体下方的两侧排列设置有多个弹射装置，本体上固定有输出轴处于本体下表面的第一电机，所述夹持块与第一电机的输出轴固定连接。

优选的，所述本体为板体，本体上表面连接有一气囊，所述本体底部设置有与气囊内部连通的充气口。

优选的，所述机翼和机尾均使用IPMC材料制作。

优选的，所述机翼包括与本体侧面连接的折叠板和与折叠板侧边连接的摆动板，所述折叠板和摆动板能够分别通电，所述折叠板在通电状态下能够相对本体转动切换为展开状态或向上翻转叠放在本体上部的状态，所述摆动板能够在不同的通电状态下相对折叠板向上或向下运动。

优选的，所述机尾包括固定板和分处于固定板两侧的活动板，所述活动板能够分别在不同方向电压驱动下相对固定板向不同方向转动。

优选的，所述本体尾部还固定有第二电机，所述第二电机的输出轴与固定板固定连接，实现尾巴的转向运动，实现飞行和游动的不同方向的尾部状态。

本发明提供的基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人的优点在于：在两栖软体机器人底部设置所述弹射驱动器，通过控制系统控制两个弹射膜的电压，使重叠部分内侧的弹射膜向外张开，重叠部分外侧的弹射膜不加电压或者施加使其向内弯曲、小于内侧弹射膜的施加电压，在内侧弹射膜的张力作用下，两个弹射膜产生摩擦力，该摩擦力阻止弹射膜运动，在电压作用下，内侧弹射膜内的离子聚集越来越多，弹射力逐渐增大超过摩擦力，内侧弹射膜相对外侧弹射膜发生运动弹出，从而产生弹射力，最终内侧弹射膜接近伸直状态，在该弹射力的作用下，实现机器人从地面到空中的运动，在空中起飞后可以通过机尾和机翼的作用控制姿态、高度和方向，在水中通过机尾控制机器人游动的动力和方向，底部弯曲驱动器提供协助转向的作用。通过设置开口槽降低弹射膜表面张力，更容易发生弯曲；通过气囊能够平衡机器人重力，机翼和机尾均使用IPMC材料，使整个机器人能够模拟鸟和鱼的结构实现飞行或潜行，使用灵活。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人初始状态的示意图；

图2为本发明的实施例提供的基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人的弹射驱动器的卷曲状态示意图；

图3为本发明的实施例提供的基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人的弹射驱动器的展开状态示意图；

图4为本发明的实施例提供的基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人的在水中使用的状态示意图；

图5为本发明的实施例提供的基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人的飞行状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，包括本体1，所述本体1两侧设置有机翼2，本体1后部设置有机尾3，本体1下方设置有多个弹射驱动器4，本体1上还设置有控制机器人状态的控制系统5，结合图2和图3，所述弹射驱动器包括两个围合成环形结构的弹射膜41，所述弹射膜41使用IPMC材料制作，内侧的弹射膜41能够在电驱动下产生伸直的趋势，两个弹射膜41的活动端部分重叠。

本实施例提供的两栖软体机器人底部设置所述弹射驱动器4，通过控制系统5控制两个弹射膜41的电压，使重叠部分内侧的弹射膜41向外张开，重叠部分外侧的弹射膜41不加电压或者施加使其保持弯曲状态或向内弯曲的电压，在内侧弹射膜41的张力作用下，两个弹射膜41产生摩擦力，该摩擦力阻止弹射膜41运动，在电压作用下，内侧弹射膜41内的离子聚集越来越多，弹射力逐渐增大超过摩擦力和外侧弹射膜的库仑力的合力，内侧弹射膜41相对外侧弹射膜41发生运动弹出，接近伸直状态，即图3所示的状态；从而产生弹射力，在该弹射力的作用下，机器人离开地面完成起飞，在水中机尾3提供游动的主要动力和游动方向的控制。

在后续的运行过程中，可以通过机翼2和机尾3的动作控制整个机器人的飞行姿态、方向，可以通过给多个弹射驱动器4配置不同的弹射时间，使其持续提供驱动力，驱动机器人调整高度，或者通过多个弹射驱动器4提供足够的弹射合力，完成机器人的弹射高度。在飞行过程中，也可以通过撤电和施加反向电压恢复原始状态，再次到施加电压完成弹射过程的反复，也可以使用螺旋桨、旋翼等结构控制机器人的升降，通过弹射驱动器4为机器人提供初始的起飞动力，能够降低准备时间，提高起飞高度。

结合图2和图3，所述弹射驱动器4还包括设置于本体下方的夹持块42，所述夹持块42的两端分别固定设置有一个所述弹射膜41，两端弹射膜41向夹持块4下方弯曲并且端部重叠。

所述夹持块42的两端分别设置有凹口(图未示)，所述弹射膜41嵌入固定在凹口内，所述夹持块1应为绝缘材料，可以选择硬质轻质材料，如3D打印光敏树脂材料形成的两端内凹的结构，将两片IPMC材料嵌入凹口内形成弹射膜41。

所述夹持块41上还固定有控制两个弹射膜41电压的控制器43，所述控制器43与控制系统5通信连接。

重叠区域外侧的所述弹射膜41上至少外表面设置有开口槽44，重叠区域内侧的弹射膜41上至少内表面设置有开口槽44，所述开口槽44沿弹射膜41的长度方向设置有多个，开口槽44深度不超过弹射膜41深度的1/3，以防止弹射膜41断裂，并且能够降低弹射膜41的表面张力，方便弯曲。无论在单侧设置开口槽44还是双侧设置，均需要保持一定间隔，开口槽44的间隔应为弹射膜41长度的4％～12％。

本实施例中，在本体1下表面的两侧分别设置有一排弹射驱动器4，所述本体1上固定有第一电机(图未示)，所述第一电机的输出轴与夹持块42固定连接，从而能够通过第一电机控制夹持块42转动，使弹射驱动器4提供不同方向的弹射力，参考图4，在水中游动时，能够为机器人提供不同方向的驱动力，方便快速改变机器人的运行方式，在水中灵活运动。同样，在图5所示的飞行状态中，也能够通过调整夹持块42的方向调整弹射驱动器4的作用方向，给机器人提供不同方向的弹射力。

结合图1、图4和图5，所述本体1为板体，本体1上表面连接有一气囊11，所述气囊11罩在本体1的上方，气囊的位置可以调节，本体1底部设置有与气囊11内部连通的充气口，通过向气囊11内充入气体，气体的体积量也可以调节，可以通过气囊11的充气量和位置调节机器人在空气中或水中的浮力平衡重力，降低对弹射驱动器4的承载力要求。

所述本体1上还可以根据需要进一步设置摄像装置13及红外探测器14以及雷达等结构，从而能够执行对应的探测任务，本体1或控制系统5上还可以设置定位系统，方便对机器人进行定位，能够及时找回。

进一步的，本实施例中，所述机翼2和机尾3均使用IPMC材料制作，机器人整体呈柔性仿生结构。具体的，所述机翼2包括与本体1侧面连接的折叠板21和与折叠板21侧边连接的摆动板22，所述折叠板21在通电状态下能够相对本体1转动切换为展开状态或向上翻转叠放在本体1上部的状态，所述摆动板22能够在不同的通电状态下相对折叠板21向上或向下运动。所述折叠板21与摆动板22之间通过柔性材料连接，如VHB胶带，从而能够实现弯曲折叠，所述折叠板21和摆动板22分别接入电路能够独立的在控制系统5的作用下改变通电状态、电压大小和方向。

实施例一

参考图5，在飞行状态下，机翼由折叠状态进行打开动作，折叠板21沿着本体1向外旋转大致旋转180°，同时摆动板22相对折叠板21向外旋转大致10°，可以将所述折叠板21、摆动板22和本体1设置为大致共面。折叠板21与摆动板22的供电系统单独存在，通过间断供电或切换电压方向的方式来控制机翼2的摆动状态，从而以类似飞鸟翅膀的姿态利用气流在机翼2上下形成的压力差实现机器人高度和方向的调节。机翼2折叠动作为飞行机翼打开状态的逆动作。

也可以将折叠板21、摆动板22和本体1在自然状态下设置为图1所示的折叠状态，即折叠板21翻转到本体1上方，摆动板22与本体1大致平行的收缩于本体1的投影空间内，从而在收纳机器人时可以关闭电源。

所述机尾3包括固定板31和分处于固定板31两侧的活动板32，所述机尾3在飞行时和游动时两个活动板32可以打开与固定板31基本共面，在自然状态下，活动板32与固定板31呈竖直状态，发生折叠。可以通过施加不同方向和不同频率的电压实现活动板32摆动方向和速度。进一步的，本体1的尾部还设置有第二电机12，所述第二电机12的输出轴与固定板31固定连接，从而能够调整固定板31相对本体1的角度，用于调整尾部在不同运动时的运动状态。

在图5所示的飞行状态中，机翼2和机尾3均处于展开状态，通过控制系统5控制机翼2和机尾3进行摆动调整飞行姿态，需要落地时，可以通过控制机翼2和机尾3的动作使机器人缓慢降落，还可以给气囊11适当放气，从而辅助机器人快速平稳落地。

实施例二

参考图4，在游动状态时主要通过弹射驱动器4和机尾3的动作控制机器人姿态和运动，此时机翼2优选为折叠状态，以减小空气阻力和提高小空间下的通过能力。所述机尾3在第二电机12的作用下转动，使固定板31与本体1大致垂直，两侧的活动板32带动固定板31进行摆动以调整机器人的游动的速度、姿态和方向，同时所述弹射驱动器4可以在第一电机的作用下能够转动调整弹射驱动器4的作用方向，从而能够提供使机器人快速改变方向的动力，方便在游动时方向控制。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：包括本体，所述本体两侧设置有机翼、本体后部设置有机尾、本体下方设置有多个弹射驱动器，本体上还设置有控制机器人状态的控制系统，所述弹射驱动器包括两个围合成环形结构的弹射膜，所述弹射膜使用IPMC材料制作，内侧弹射膜能够在电驱动下产生伸直的趋势，两个弹射膜的活动端部分叠放。

2.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述弹射驱动器还包括设置于本体下方的夹持块，所述夹持块的两端分别固定设置有一个所述弹射膜，所述夹持块两端分别设置有凹口，弹射膜嵌入固定在凹口内，两端弹射膜向夹持块下方弯曲并且端部重叠。

3.根据权利要求2所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：重叠区域外侧的弹射膜至少外表面设置有开口槽，重叠区域内侧的弹射膜至少内表面设置有开口槽，所述开口槽沿弹射膜的长度方向设置有多个，相邻开口槽的间距不超过弹射膜长度的4％-12％，开口槽深度不超过弹射膜深度的1/3。

4.根据权利要求2所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述夹持块上还设置有控制两个弹射膜电压的控制器，所述控制器与控制系统通信连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述夹持块沿本体下方的两侧排列设置有多个，本体上固定有输出轴处于本体下表面的第一电机，所述夹持块与第一电机的输出轴固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述本体为板体，本体上表面连接有一气囊，所述本体底部设置有与气囊内部连通的充气口。

7.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述机翼和机尾均使用IPMC材料制作。

8.根据权利要求7所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述机翼包括与本体侧面连接的折叠板和与折叠板侧边连接的摆动板，所述折叠板和摆动板能够分别通电，所述折叠板在通电状态下能够相对本体转动切换为展开状态或向上翻转叠放在本体上部的状态，所述摆动板能够在不同的通电状态下相对折叠板向上或向下运动。

9.根据权利要求7所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述机尾包括固定板和分处于固定板两侧的活动板，所述活动板能够分别在不同方向电压驱动下相对固定板向不同方向转动。

10.根据权利要求9所述的一种基于电致动聚合物材料的两栖软体机器人，其特征在于：所述本体尾部还固定有第二电机，所述第二电机的输出轴与固定板固定连接。

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