CN113232008B - 一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人，包括N个外柔性电极层、内柔性电极层、外弹性层、内弹性层、内部液态电介质层和刚性内部框架，内柔性电极层设置在刚性内部框架外部，内弹性层设置在内柔性电极层外部，内部液态电介质层设置内弹性层外部，外弹性层设置在内部液态电介质层外部，N个外柔性电极层以间隙距离l均匀贴附在外弹性层外表面上；内柔性电极层引出一个内部接口，每个外柔性电极层各引出1个外部接口，N个外部接口并联后与内部接口串联，内部接口与N个外部接口与电路单元连接；与现有技术相比，本发明制造成本低、制造简单、可实现较高的功率密度和较快的响应速度。

Description

一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人
技术领域
本发明属于先进功能材料制造领域，具体涉及一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人。
背景技术
在复杂、动态的多物理场环境中，传统的刚性机器人需要复杂的算法和冗杂的结构，组成其材料本身的局限性导致其难以适应实际作业环境，随着新材料技术、先进制造工业和人工智能等领域的发展，柔性机器人近来引起了巨大的研究兴趣，近来研究证明柔性机器人能够实现传统机器人难以实现的新功能，包括对精巧物体的操纵，在密闭复杂空间的自适应等，然而，现有柔性机器人往往需要冗余的外接设备(气缸、阀门等)以气动/液动的方式驱动，导致其具有庞大的质量和体积，并且，整体驱动力、驱动效率和驱动功率较低，难以实现高危环境下高效作业。
液压放大静电自驱动基于电驱动，脱离了庞大的外接设备的束缚，能量供给可由一个较小体积的电池供应，液压放大自驱动结合了介电原理和液压放大的设计，能够将介电产生的驱动力经液压作用进行二次放大，相比于仅依靠介电弹性体材料制造的驱动单元，能够输出更大的驱动力和功率密度，空心滚动式机器人的设计，能够将该驱动力转化为柔性机器人双向或多向滚动的动力，在滚动传输的过程中可携带一定重量的物体，能够进行复杂环境的勘探和高危物品的运输，在军事、航空航天、科学研究等国家关键领域都有着巨大的应用潜力。
发明内容
本发明提出了一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人。该设计方案集成了介电驱动、液压放大和滚动式一体化设计，突破了冗余外部连接设备的约束，能够在多物理场传感器和控制系统的反馈下，实现复杂环境的自主适应和快速运动，具有制造简单、自主适应、驱动效率高的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人，包括N个外柔性电极层、内柔性电极层、外弹性层、内弹性层、内部液态电介质层和刚性内部框架，内柔性电极层设置在刚性内部框架外部，内弹性层设置在内柔性电极层外部，内部液态电介质层设置内弹性层外部，外弹性层设置在内部液态电介质层外部，N 个外柔性电极层以间隙距离l均匀贴附在外弹性层外表面上；内柔性电极层引出一个内部接口，每个外柔性电极层各引出1个外部接口，N个外部接口并联后与内部接口串联，内部接口与N个外部接口与电路单元连接；
所述电路单元包括交流电源、电压放大器、传感系统和控制器，所述传感系统用于监测速度和图像；
具体的，连接N个外部接口和1个内部接口的电路固定于刚性内部框架上，电路元件包括交流电源、电压放大器、传感系统(图像、速度等)、控制器等，外部接口和内部接口连接柔性导线，绕过半圆环在外侧连接对应电源开关，N 个外部接口在电路连接中相互并联，且均与内部接口串联；
所述内部接口工作时同时与N-1个外部接口联动，使N-1个外柔性电极层覆盖区域同时驱动，从而压缩内部液态电介质层至未驱动外柔性电极层Ni覆盖外弹性层区域Mi，使该区域Mi外部弹性层发生膨胀，膨胀产生的驱动力使该机器人产生受力不平衡，使其向背对膨胀区域Mi的一侧产生滚动，在膨胀区域 Mi恢复的同时，替换未驱动外柔性电极层为Ni+1，同样的机制使覆盖外弹性层区域Mi+1外部弹性层发生膨胀，驱动该机器人向背对区域Mi+1的一侧滚动，重复以上过程，在预编程控制电路逻辑的调控下，该机器人产生无约束的、自发的、连续的滚动。
所述的N和M相等，均为≥3的自然数，N和M值越大，柔性机器人滚动步态越均匀平稳，l为≥0的正值，且l值越小，机器人局部膨胀区域与压缩区域连接越平滑。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明制造成本低、制造简单、可实现较高的功率密度和较快的响应速度。内部搭载电源和控制电路，使该机器人可实现无约束的自驱动。采用传感单元和反馈电路，能够实现对复杂环境的感知、判断和运动的调整。
附图说明
图1为本发明的总体结构主视图和剖面图；
图2为本发明技术原理图；
图3为本发明滚动式运动示意图；
图中：1外柔性电极层、2外弹性层、3内部液态电介质层、4内弹性层、5 内柔性电极层、6外部电极接口、6-N外部电极第N个接口、7内部电极接口、 8刚性内部框架，Ni第i个外柔性电极层、Mi第i个外弹性层区域。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种液压放大静电自驱动滚动式机器人做出详细说明。
如图1至图3所示，一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人，包括N个外柔性电极层1、内柔性电极层5、外弹性层2、内弹性层4、内部液态电介质层3和刚性内部框架8，内柔性电极层5设置在刚性内部框架8外部，内弹性层4设置在内柔性电极层5外部，内部液态电介质层3设置内弹性层4外部，外弹性层2设置在内部液态电介质层3外部，N个外柔性电极层1以间隙距离l均匀贴附在外弹性层2外表面上；内柔性电极层5引出一个内部接口7，每个外柔性电极层1各引出1个外部接口6，N个外部接口6并联后与内部接口 7串联，内部接口7与N个外部接口6与电路单元连接；
具体的，所述内柔性电极层5和外柔性电极层1可以是导电聚丙烯酰胺水凝胶材料，外弹性层2和内弹性层4可以是硅胶材料、PDMS材料，内部液态电介质层3可以是硅油、食用油等材料，刚性内部框架8为高分子塑料，可由 3D打印的方式成型；
本发明所述滚动机器人通过自身局部顺序膨胀，产生受力不平衡进行自滚动，局部顺序膨胀机理为静电驱动液压放大机制，驱动原理见图2，当上下层电极未施加电压时，内部液态电介质层呈现均匀分布状态(图2上)；当局部电极施加电压时(图2下，施加电压电极为Vb、Vc、Vd)，在上下电极层的压缩作用下，内部流体受到挤压，施加电压区域覆盖流体向未施加电压区域流动，使未施加电压区域弹性层膨胀，实现该区域局部驱动。由于介电原理的快速响应特性、液压放大作用、机器人结构和反馈电路的设计，该机器人可实现在不规则路面的高效快速运动；
根据上述原理，该发明将圆形截面沿着圆周方向均匀平分为N等份，间隙距离为l(图3)，N个平分后区域上覆盖N个外柔性电极层1，N个外部接口 6在电路中呈并联状态，分别与内部接口7串联，所述的N为≥3的自然数，N 值越大滚动步态越均匀平稳；l为≥0的正值，且l值越小，机器人局部膨胀区域与压缩区域连接越平滑；
连接N个外电极接口6和1个内电极接口7的电路固定于空心圆柱内部刚性支柱8上，电路元件包括交流电源、电压放大器、传感系统(图像、速度等)、控制器等，正负内外电极的接口连接柔性导线，绕过半圆环在外侧连接对应电源开关，N个外电极接口6在电路连接中相互并联，且均与内电极接口7串联，在内部电路的控制下，N-1个外电极接口6可同时连接内电极接口7，使该N-1 个外柔性电极层1覆盖区域同时驱动，压缩内部液态电介质3至未驱动外柔性电极层1Ni覆盖区域Mi(该区域靠近接触面)，使该区域Mi外弹性层2发生膨胀，由于该机器人截面呈圆形，膨胀产生的驱动力使该机器人受力不平衡，膨胀力推动机器人向与区域Mi相反的一侧滚动，在内部电路的控制下，膨胀区域 Mi恢复的同时，替换未驱动外柔性电极层1和电外电极接口6为Ni+1，同样的机制使相邻区域Mi+1外弹性层2发生膨胀，驱动该机器人向背对区域Mi+1的一侧滚动，调整Mi+1的位置方向，可使该机器人实现顺时针/逆时针滚动，N和M 相等，均为≥3的自然数。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种无约束的液压放大静电自驱动滚动式机器人，其特征在于：包括N个外柔性电极层(1)、内柔性电极层(5)、外弹性层(2)、内弹性层(4)、内部液态电介质层(3)和刚性内部框架(8)，内柔性电极层(5)设置在刚性内部框架(8)外部，内弹性层(4)设置在内柔性电极层(5)外部，内部液态电介质层(3)设置内弹性层(4)外部，外弹性层(2)设置在内部液态电介质层(3)外部，N个外柔性电极层(1)以间隙距离l均匀贴附在外弹性层(2)外表面上；内柔性电极层(5)引出一个内部接口(7)，每个外柔性电极层(1)各引出1个外部接口(6)，N个外部接口(6)并联后与内部接口(7)串联，内部接口(7)与N个外部接口(6)与电路单元连接；
所述电路单元包括交流电源、电压放大器、传感系统和控制器，所述传感系统用于监测速度和图像；
所述内部接口(7)工作时同时与N-1个外部接口(6)联动，使N-1个外柔性电极层(1)覆盖区域同时驱动，从而压缩内部液态电介质层(3)至未驱动外柔性电极层(1)Ni覆盖外弹性层(2)区域Mi，使该区域Mi外部弹性层发生膨胀，膨胀产生的驱动力使该机器人产生受力不平衡，使其向背对膨胀区域Mi的一侧产生滚动，在膨胀区域Mi恢复的同时，替换未驱动外柔性电极层(1)为Ni+1，同样的机制使覆盖外弹性层(2)区域Mi+1外部弹性层发生膨胀，驱动该机器人向背对区域Mi+1的一侧滚动，重复以上过程，在预编程控制电路逻辑的调控下，该机器人产生无约束的、自发的、连续的滚动；
N和M相等，均为≥3的自然数，N和M值越大，柔性机器人滚动步态越均匀平稳，l为≥0的正值，且l值越小，机器人局部膨胀区域与压缩区域连接越平滑。
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