CN113443037A - 一种软体仿生机器人以及软体爬行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种软体仿生机器人以及软体爬行器，包括介电弹性体人工肌肉外层、有机硅弹性体内部支撑和两个密封盖；所述的有机硅弹性体内部支撑包括多个圆盘形支撑片，多个圆盘形支撑片依次堆叠在一起形成柱形结构，所述的介电弹性体人工肌肉缠绕在柱形结构的外圈形成柱形外层，柱形外层两端各设有一个密封盖，实现密封。本发明具有极快的响应速度，较小的质量和较高的能量密度，体积小，以薄膜形式存在，可以使机器人产生较大变形；同时，有机硅弹性体作为机器人的支撑，突破了以往软体机器人内依然存在刚性支撑部件的限制，极大的提高了软体机器人的安全性。

Description

一种软体仿生机器人以及软体爬行器
技术领域
本发明涉及软体机器人及材料学领域，具体涉及一种软体仿生机器人以及软体爬行器。
背景技术
目前软体机器人的结构设计主要基于气动驱动方式，实现软体机器人的膨胀变形方式驱动，可以达到较大的驱动力和形变，但其响应速度慢，并且气压通道占据大部分机器人的体积，驱动器占据空间过大，驱动效率较低，影响机器人的运动性能与功能性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种软体仿生机器人以及软体爬行器，该机器人以及爬行器具有极快的响应速度，较小的质量和较高的能量密度，体积小，可以使机器人产生较大变形。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的提供了一种软体仿生机器人，包括介电弹性体人工肌肉外层、有机硅弹性体内部支撑和两个密封盖；所述的有机硅弹性体内部支撑包括多个圆盘形支撑片，多个圆盘形支撑片依次堆叠在一起形成柱形结构，所述的介电弹性体人工肌肉缠绕在柱形结构的外圈形成柱形外层，柱形外层两端各设有一个密封盖，实现密封。
作为进一步的技术方案，所述的圆盘形支撑片的直径略小于介电弹性体人工肌肉外层的内径。
作为进一步的技术方案，所述的有机硅弹性体内部支撑采用多孔材料制作。
作为进一步的技术方案，位于两端的圆盘形支撑片与所述的密封盖粘接在一起。
作为进一步的技术方案，圆盘形支撑片的最外圈的上部和下部为锥形，中间为圆柱形。
作为进一步的技术方案，所述的圆盘形支撑片为一个上下对称结构。
作为进一步的技术方案，在介电弹性体人工肌肉外层的内表面和外表面分别设有柔性电极。
第二方面，本发明的提供了一种软体爬行器，包括所述的软体仿生机器人和驱动结构，所述的驱动结构为介电弹性体人工肌肉外层提供电场。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
1.本发明基于介电弹性体驱动的软体机器人很好的克服了现有技术中存在的缺点，具有极快的响应速度，较小的质量和较高的能量密度，体积小，以薄膜形式存在，可以使机器人产生较大变形；同时，有机硅弹性体作为机器人的支撑，突破了以往软体机器人内依然存在刚性支撑部件的限制，极大的提高了软体机器人的安全性。
2.有机硅弹性体内部支撑采用多孔材料进一步加强其压缩性能，并极大的减轻了其质量；同时将其加工为圆盘形，可以在弯曲过程中避免挤压，加强机器人的弯曲幅度，减小所需驱动力。
3.通过任意增减堆叠的有机硅弹性体单元，改变机器人的长度，适应多种应用场景与需求。
4.圆盘形支撑片的最外圈的上部和下部为锥形，中间为圆柱形；且圆盘形支撑片为一个上下对称结构，使得两个相邻圆盘形支撑片与介电弹性体人工肌肉外层之间形成一个锥状的环形空隙，一方面优化机器人的弯曲运动力学性能，保证支撑片边缘在机器人弯曲时不接触，减小所需的驱动力，另一方面通过减少材料的方式，减小硅弹性体材料在轴向压缩时径向的膨胀变形，影响机器人的结构和运动性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的软体仿生手指结构示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的软体仿生手指结构示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的软体仿生手指结构示意图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
1介电弹性体人工肌肉外层；2有机硅弹性体支撑，3密封盖。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种软体仿生机器人手指，包括介电弹性体人工肌肉外层1、有机硅弹性体内部支撑2和两个密封盖3；其中介电弹性体人工肌肉外层1的两端各设有一个密封盖3，形成柱形结构；所述的有机硅弹性体内部支撑2包括多个圆盘形支撑片，多个圆盘形支撑片堆叠在所述的柱形结构内也形成柱形，位于两端的圆盘形支撑片与所述的密封盖粘接在一起。同时密封盖3与介电弹性体人工肌肉外层1也粘贴在一起，共同形成了圆盘形支撑片的安装空间；圆盘形支撑片的直径略小于介电弹性体人工肌肉外层1的内圈直径，圆盘形支撑片刚好放置在介电弹性体人工肌肉外层1内。
进一步的，优选的，圆盘形支撑片的轴线与介电弹性体人工肌肉外层1的轴线重复，整体均匀受力。
进一步的，需要说明的是圆盘形支撑片的个数根据机器人的长度进行设置，一般情况下，机器人越长，支撑片的个数越多。
进一步的，圆盘形支撑片的厚薄设计原则是：依据机器人的整体运动特性，保证在机器人达到最大弯曲程度时，每层圆盘形支撑片外边缘相互不接触或刚好接触；根据介电弹性体人工肌肉外层的拉伸与收缩特性，设计相邻两径向支撑距离，保证人工肌肉外层不会过度向内回缩或塌陷，产生结构变形或失稳。
进一步的，本实施例中圆盘形支撑片的最外圈的上部和下部为锥形，中间为圆柱形；且所述的圆盘形支撑片为一个上下对称结构，使得两个相邻圆盘形支撑片与介电弹性体人工肌肉外层1之间形成一个锥状的环形空隙；这么设计的主要目的是：优化机器人的弯曲运动力学性能，保证支撑片边缘在机器人弯曲时不接触，减小所需的驱动力；且通过减少材料的方式，减小硅弹性体材料在轴向压缩时径向的膨胀变形，避免影响机器人的结构和运动性能。
进一步，上述密封盖3的材料可以选择常见的塑料材质，这个根据实际需要进行选择即可。
本实施例中采用的介电弹性体材料在外加电场的作用下，由于麦克斯韦应力张量的作用，受到压力产生形变。本实施例提出的软体仿生机器人手指利用该原理，将介电弹性体人工肌肉缠绕在有机硅弹性体支撑外层，利用其形变以及有机硅弹性体受到压缩时的回弹力，实现该机器人在多个方向的弯曲运动或伸缩运动。
进一步的，有机硅弹性体通过合成工艺合成为多孔材料，进一步加强其压缩性能，并极大的减轻了其质量；同时将其加工为圆盘形，可以在弯曲过程中避免挤压，加强机器人的弯曲幅度，减小所需驱动力。可以通过任意增减堆叠的有机硅弹性体单元，改变机器人的长度，适应多种应用场景与需求。
本实施例中有机硅弹性体与介电弹性体材料均为柔性材料，不易受到损伤，也不会在利用场景中对人或物品造成损伤，具有较高安全性。此外，其还可以与其他结构结合，形成软体抓手，软体爬行器等结构。
实施例2
本实施例还公开了一种软体爬行器，包括介电弹性体人工肌肉外层、有机硅弹性体内部支撑、两个密封盖和驱动机构；所述的有机硅弹性体内部支撑包括多个圆盘形支撑片，多个圆盘形支撑片依次堆叠在一起形成柱形结构；介电弹性体人工肌肉缠绕在柱形结构的外圈形成柱形外层，柱形外层两端各设有一个密封盖，实现密封。驱动机构为介电弹性体材料提供外加电场，驱动软体爬行器爬行。
具体的，在介电弹性体人工肌肉外层的内表面和外表面分别设有柔性电极，柔性电极与驱动电压相连，使得介电弹性体材料发生形变，进而实现爬行。
需要说明的是：柔性电极的数量根据实际情况进行设定，每个电极可以单独施加驱动电压，通过控制每个电极对两端的驱动电压的幅值和频率，可以实现不同的变形，进而实现不同的爬行效果。
进一步需要说明的是，柔性电极可以直接涂覆在介电弹性体人工肌肉上，但是厚度尽量均匀。
当然不难理解的，本实施例中的软体爬行器还可以根据需要增加别的结构。
最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种软体仿生机器人，其特征在于，包括介电弹性体人工肌肉外层、有机硅弹性体内部支撑和两个密封盖；所述的有机硅弹性体内部支撑包括多个圆盘形支撑片，多个圆盘形支撑片依次堆叠在一起形成柱形结构，所述的介电弹性体人工肌肉缠绕在柱形结构的外圈形成柱形外层，柱形外层两端各设有一个密封盖，实现密封。
2.如权利要求1所述的软体仿生机器人，其特征在于，所述的圆盘形支撑片的直径略小于介电弹性体人工肌肉外层的内径。
3.如权利要求1所述的软体仿生机器人，其特征在于，所述的有机硅弹性体内部支撑采用多孔材料制作。
4.如权利要求1所述的软体仿生机器人，其特征在于，位于两端的圆盘形支撑片与所述的密封盖粘接在一起。
5.如权利要求1所述的软体仿生机器人，其特征在于，圆盘形支撑片的最外圈的上部和下部为锥形，中间为圆柱形。
6.如权利要求5所述的软体仿生机器人，其特征在于，所述的圆盘形支撑片为一个上下对称结构。
7.如权利要求1所述的软体仿生机器人，其特征在于，在介电弹性体人工肌肉外层的内表面和外表面分别设有柔性电极。
8.一种软体爬行器，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的软体仿生机器人。
9.如权利要求8所述一种软体爬行器，其特征在于，还包括驱动结构，所述的驱动结构为介电弹性体人工肌肉外层提供电场。
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