CN113247136A - 一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黏‑脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，涉及仿生机器人技术领域，包括柔性基体，柔性基体包括具有开口的柔性腔体，以及填充在柔性腔体内的电解质溶液和柔性电致动材料；驱动单元，驱动单元设于柔性腔体内，驱动单元包括轴向弯曲驱动件、皮瓣牵拉件和第一电极组件，皮瓣牵拉件设于轴向弯曲驱动件的两侧；黏附单元，黏附单元包括振动皮瓣和第二电极组件，振动皮瓣设于柔性基体的两侧，振动皮瓣的一端伸入柔性腔体内与皮瓣牵拉件远离轴向弯曲驱动件的一端连接。本发明通过柔性电致动材料在电场驱动下的变刚度形变特性，驱动仿生黏附部件产生弯曲形变以包络目标物，并在弯曲黏附时呈现出高刚度特性以提升部件整体的负载性能。

Description

一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，更具体的说是涉及一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件。
背景技术
“仿生机器人”是指模仿生物，从事生物特点工作的机器人，其相比于传统机器人在结构、驱动、功能、感知等方面有显著的改进。通过对自然界中具有优异黏附攀爬能力—大壁虎的研究，设计并研制了一系列性能优异的仿生黏附机器人，该类机器人实现类似于壁虎的全空间攀爬功能的核心是其黏附部件。
但是，现有的黏附部件存在以下缺点：1、现有的黏附部件多采用电机-绳驱动方式，配合刚性或刚柔耦合的本体，结构刚性大且相对笨重、对目标物的适应性低，在结构和功能上与生物仿生黏附部件的黏附性能相差较大；2、近年来随着流体驱动和柔性制造技术的发展，气压或液压驱动的柔性仿生黏附部件研究进展迅速，虽然提升了机器人对目标物的适应性，但柔性结构的低负载特性仍是较大的缺陷，且流体驱动本身噪音大、系统笨重、控制复杂等先天缺陷使仿生机器人的仿生黏附部件无法达到生物黏附部件的结构/驱动/功能轻量一体化的性能水平，限制了仿生黏附机器人的性能发挥；3、黏附性能受接触界面间状态的影响显著，稳定黏附和快速脱附的双向可控实现困难；4、仿生干黏附材料易受目标物表面污染，性能衰减快。
因此，如何实现仿生黏附部件结构/驱动/功能一体化设计、并能够达到良好的接触适应性与优异的负载性能协调统一、且实现黏脱附调控并降低性能衰减，使仿生黏附部件在功能上实现更加接近生物性能水平，为仿生黏附机器人提供性能优异、稳定可靠的末端仿生黏附部件，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，目的在于实现仿生黏附部件结构/驱动/功能一体化设计、良好的接触适应性与优异的负载性能协调统一、黏脱附调控并降低性能衰减，使仿生黏附部件在功能实现上更加接近生物性能水平，为仿生黏附机构/机器人提供性能优异、稳定可靠的末端仿生黏附部件部件。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，包括：
柔性基体，所述柔性基体包括具有开口的柔性腔体，以及填充在柔性腔体内的电解质溶液和柔性电致动材料；
驱动单元，所述驱动单元设于所述柔性腔体内，所述驱动单元包括轴向弯曲驱动件、皮瓣牵拉件和第一电极组件，所述皮瓣牵拉件设有多个，多个所述皮瓣牵拉件设于所述轴向弯曲驱动件的两侧，所述第一电极组件包括第一电极片和多个第二电极片，所述第一电极片设于所述轴向弯曲驱动件上，多个所述第二电极片分别设置在所述皮瓣牵拉件远离所述轴向弯曲驱动件的一端和所述轴向弯曲驱动件上，所述第一电极片和所述第二电极片分别位于所述轴向弯曲驱动件的两侧，设于所述皮瓣牵拉件上的所述第二电极片通过导体依次串联，设于所述轴向弯曲驱动件上的所述第二电极片也通过导体依次串联；
黏附单元，所述黏附单元包括振动皮瓣和第二电极组件，所述振动皮瓣设有多个，多个所述振动皮瓣设于所述柔性基体的两侧，所述振动皮瓣的一端伸入所述柔性腔体内与所述皮瓣牵拉件远离所述轴向弯曲驱动件的一端连接，所述第二电极组件包括设置在所述振动皮瓣两侧的第三电极片，位于所述振动皮瓣同一侧的通过导体依次串联。
进一步地，所述轴向弯曲驱动件为两个并排设置的电致动件，多个所述皮瓣牵拉件对称设置于两个所述电致动件的外侧。
进一步地，所述第一电极片为U型结构，U型结构中相互平行的两个支干分别固定在两个所述电致动件上。
进一步地，该黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件还包括用于将所述振动皮瓣与所述柔性基体连接的固结件。
更进一步地，所述固结件套接在所述振动皮瓣的外周侧，所述固结件的外周侧嵌入所述柔性腔体的下表面。
进一步地，所述振动皮瓣由PVDF压电薄膜制成。
进一步地，还包括黏附层，所述黏附层与所述振动皮瓣远离所述柔性基体的一侧固定连接。
更进一步地，所述第二电极组件还包括交流电机，所述交流电机与所述第三电极片电连接。
更进一步地，所述第一电极组件好包括直流电机，所述直流电机分别与所述第一电极片和第二电极片电连接。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，通过柔性电致动材料在电场驱动下的变刚度形变特性，驱动仿生黏附部件产生弯曲形变以包络目标物，并在弯曲黏附时呈现出高刚度特性以提升部件整体的负载性能；柔性腔体内部的电解质溶液使仿生黏附部件在保持高负载刚度的前提下，柔性基体仍能具有良好的柔性，适应并贴合不同的目标物表面，电解质溶液同时也具备柔性电致动材料的工作介质的功能，其利用压电材料的逆压电效应，使振动皮瓣产生高频低幅的微振动，调控贴附在振动皮瓣下表面的黏附层与目标物表面间的接触黏附力，实现了与目标物的稳定黏附与快速脱附的可控切换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件的结构示意图；
图2附图为本发明提供的黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件的主视图；
图3附图为本发明提供的黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件的侧视图；
图4附图为本发明提供的驱动单元的俯视图；
图5附图为本发明提供的驱动单元的仰视图；
图6附图为本发明提供的图3中A处的柔性基体与固结件的连接结构示意图；
图7附图为本发明提供的第三电极片与导体的连接结构示意图；
图8附图为本发明提供的黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件在另一种状态下的结构示意图。
其中：1为柔性基体；2为驱动单元；3为黏附单元；4为柔性腔体；5为电解质溶液；6为轴向弯曲驱动件；7为皮瓣牵拉件；8为第一电极片；9为第二电极片；10为导体；11为振动皮瓣；12为黏附层；13为固结件；14为第三电极片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
参见图1-8，本发明实施例公开了一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，包括：柔性基体1、驱动单元2和黏附单元3。
柔性基体1包括具有开口的柔性腔体4，以及填充在柔性腔体4内的电解质溶液5和柔性电致动材料，其中，柔性腔体4是有绝缘的柔性软胶制备而成，柔性腔体4整体呈鸭嘴型，靠近开口的一端的截面积略小于远离开口的一端的截面积，柔性腔体4内充满电解质溶液5和柔性电致动材料，优选地，柔性电致动材料为电场敏感水凝胶，在另一些实施例中，柔性电致动材料也可以为其他类似电场敏感水凝胶的材料，通过在柔性腔体4内的填充电解质溶液5和柔性电致动材料，使得柔性基体1具有良好的接触柔顺性，可适应多种形状轮廓目标物，柔性腔体4内部的电解质溶液5既可以作为驱动柔性电致动材料产生形变的工作介质，又能够提升仿生黏附部件整体的柔性。
驱动单元2设于柔性腔体4内，驱动单元2包括轴向弯曲驱动件6、皮瓣牵拉件7和第一电极组件，皮瓣牵拉件7设有多个，多个皮瓣牵拉件7设于轴向弯曲驱动件6的两侧，第一电极组件包括第一电极片8、多个第二电极片9和直流电机，直流电机分别与第一电极片8和第二电极片9电连接，第一电极片8设于轴向弯曲驱动件6上，多个第二电极片9分别设置在皮瓣牵拉件7远离轴向弯曲驱动件6的一端和轴向弯曲驱动件6上，第一电极片8和第二电极片9分别位于轴向弯曲驱动件6的两侧，设于皮瓣牵拉件7上的第二电极片9通过导体10依次串联，设于轴向弯曲驱动件6上的第二电极片9也通过导体10依次串联，第二电极片9为离散型的片状结构设置，第二电极片9的体积小、离散式分布，不影响脚趾的弯曲形变。
优选地，轴向弯曲驱动件6为两个并排设置的电致动件，多个皮瓣牵拉件7对称设置于两个电致动件的外侧，位于电致动件同一侧的皮瓣牵拉件7为间隔设置，第一电极片8为U型结构，U型结构中相互平行的两个支干分别固定在两个电致动件上，其中，第二电极片9为离散型设置，U型结构的第一电极片8初始状态呈上扬弯曲状态，通过柔性腔体4内部的第一电极片8为U型结构设置，U型结构的第一电极片8既有工作电极的作用，又具有支撑和负载作用，初始状态下，可使脚趾整体保持上扬状态；黏附时，在不影响脚趾接触柔顺性的前提下，还能保证脚趾整体的刚度，提升负载性能；脱附时，依靠内部的弹性应力可带动整个脚趾恢复至初始状态。
黏附单元3包括振动皮瓣11和第二电极组件，振动皮瓣11设有多个，多个振动皮瓣11设于柔性基体1的两侧，振动皮瓣11的一端伸入柔性腔体4内与皮瓣牵拉件7远离轴向弯曲驱动件6的一端连接，第二电极组件包括设置在振动皮瓣两侧的第三电极片14和交流电机，交流电机与第三电极片14电连接，位于振动皮瓣同一侧的通过导体10依次串联。
在本实施例中，通过将柔性电致动材料(电场敏感水凝胶)放置在电解质溶液5中，在电场刺激下，电场敏感水凝胶会发生体积或形状变化，实现由电能到机械能的转化。在第一电极片8和第二电极片9之间施加直流电压，能够产生具有特定方向的工作电场。该电场部分沿着轴向弯曲驱动件6的径向穿过，使其产生弯曲形变；该电场部分沿着皮瓣牵拉件7的轴向穿过，使其产生收缩形变；通过改变电场电压的大小，能够改变轴向弯曲驱动件6和皮瓣牵拉件7的弯曲和收缩程度。
在本实施例中，该黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件还包括用于将振动皮瓣11与柔性基体1连接的固结件13和黏附层12，固结件13套接在振动皮瓣11的外周侧，固结件13的外周侧嵌入柔性腔体4的下表面，振动皮瓣11由PVDF压电薄膜制成，黏附层12与振动皮瓣11远离柔性基体1的一侧固定连接，其中振动皮瓣11为离散型的间隔分布，离散间隔分布的振动皮瓣11，能够减少由于局部黏附失效而导致黏附区域大面积失效的现象，可有效提升黏附稳定性；通过交流电机控制与振动皮瓣11相接触的两个界面的第三电极片14间的微振动幅度和频率，可调控界面黏附力的大小，在振动皮瓣11两侧的第三电极片14之间施加高频低幅的交流电，振动皮瓣11(PVDF薄膜)由于逆压电效应，产生高频低幅微振动，使贴合在振动皮瓣11外侧的黏附层12相对于被黏附目标物表面产生相同的微振动。通过改变交流电的振幅和频率，可控制界面间的微振动频率和幅度，来进一步调控界面间的黏附力大小，实现黏附时黏附力增大，脱附时黏附力减小；同时，产生的高频低幅微振动，有利于贴合在振动皮瓣11外侧的黏附层12表面的污染物脱附，实现自清洁功能，长时间保持黏附层12固有的黏附性能。
在本发明中，通过采用与壁虎皮瓣结构类似的片状弧形仿生结构设计，使得振动皮瓣11能够在受皮瓣牵拉件7收缩牵拉过程中，向脚趾空腔的下表面一侧靠近，从而降低振动皮瓣11与柔性基体1底面的接触角度，使振动皮瓣11与目标物表面充分接触；此外，用于连接第一电极片8、第二电极片9和第三电极片14的导体10均为细铜线，具体地，贴合在轴向弯曲驱动件6下侧的第二电极片9依靠细铜线相互串联；贴合在皮瓣牵拉件7和振动皮瓣11接触区域的第二电极片9依靠细铜线相互串联；贴合在振动皮瓣11两侧的第三电极片14，位于振动皮瓣11同一侧的第三电极片14分别依靠细铜线相互串联，串联第三电极片14，可以实现对多个离散电极片的集中控制，降低内部线路和控制电路的复杂程度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，包括：
柔性基体，所述柔性基体包括具有开口的柔性腔体，以及填充在柔性腔体内的电解质溶液和柔性电致动材料；
驱动单元，所述驱动单元设于所述柔性腔体内，所述驱动单元包括轴向弯曲驱动件、皮瓣牵拉件和第一电极组件，所述皮瓣牵拉件设有多个，多个所述皮瓣牵拉件设于所述轴向弯曲驱动件的两侧，所述第一电极组件包括第一电极片和多个第二电极片，所述第一电极片设于所述轴向弯曲驱动件上，多个所述第二电极片分别设置在所述皮瓣牵拉件远离所述轴向弯曲驱动件的一端和所述轴向弯曲驱动件上，所述第一电极片和所述第二电极片分别位于所述轴向弯曲驱动件的两侧，设于所述皮瓣牵拉件上的所述第二电极片通过导体依次串联，设于所述轴向弯曲驱动件上的所述第二电极片也通过导体依次串联；
黏附单元，所述黏附单元包括振动皮瓣和第二电极组件，所述振动皮瓣设有多个，多个所述振动皮瓣设于所述柔性基体的两侧，所述振动皮瓣的一端伸入所述柔性腔体内与所述皮瓣牵拉件远离所述轴向弯曲驱动件的一端连接，所述第二电极组件包括设置在所述振动皮瓣两侧的第三电极片，位于所述振动皮瓣同一侧的通过导体依次串联。
2.根据权利要求1所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，所述轴向弯曲驱动件为两个并排设置的电致动件，多个所述皮瓣牵拉件对称设置于两个所述电致动件的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，所述第一电极片为U型结构，U型结构中相互平行的两个支干分别固定在两个所述电致动件上。
4.根据权利要求1所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，还包括用于将所述振动皮瓣与所述柔性基体连接的固结件。
5.根据权利要求4所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，所述固结件套接在所述振动皮瓣的外周侧，所述固结件的外周侧嵌入所述柔性腔体的下表面。
6.根据权利要求1所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，所述振动皮瓣由PVDF压电薄膜制成。
7.根据权利要求1所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，还包括黏附层，所述黏附层与所述振动皮瓣远离所述柔性基体的一侧固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，所述第二电极组件还包括交流电机，所述交流电机与所述第三电极片电连接。
9.根据权利要求1所述的一种黏-脱附可控的固液混合驱动的仿生黏附部件，其特征在于，所述第一电极组件好包括直流电机，所述直流电机分别与所述第一电极片和第二电极片电连接。
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