CN114735103A - 一种基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，包括躯体部分、驱动模组部分、电路控制部分和足部；所述驱动模组部分包括若干人工肌肉，所述人工肌肉由离子聚合物‑金属复合材料IPMC与铜丝缠绕加捻而成；所述躯体部分两端通过若干人工肌肉连接，使躯体部分弯曲呈弓型，所述电路控制部分通过给铜丝通电，使人工肌肉产生形变；所述躯体部分底部两侧分别设有足部，所述足部上设有摩擦面，通过电路控制部分周期性的提供铜丝电信号，使驱动模组部分产生周期性的伸缩运动，用于驱动躯体部分移动。本发明可以在复杂的非结构化环境进行移动、转向，并且无需外接电源或者气泵的动力装置，实现真正的无束缚全向自驱动。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，特别涉及一种基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人。
背景技术
现今大多数软体机器人都需要连接到一个气泵(气动软体机器人)或者电源(介电弹形体记忆聚合物)等，从而导致他们行动性下降，简单来说就是“跑不远”。科学家们一直在致力于研究如何去掉限制他们行动的“束缚”，即研发“无系绳”软体机器人来提高软体机器人的实用性。且一些结构简单的软体机器人只能实现单一的运动行为，不具有转向功能。
离子-聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种离子型的电致动材料，通过在离子交换聚合物薄膜的基材表面沉积铂(Pt)、金(Au)等导电金属而获得。同形状记忆合金(SMA)、水凝胶、介电弹性体(DE)等驱动材料相比，IPMC具有质量轻、驱动电压低、位移大、响应快、柔性、驱动能量密度较高等优点，又被称为“人工肌肉”。IPMC人工肌肉可以在几伏电压驱动下产生可控的往复性运动，能够模拟花瓣开合、黄瓜卷须卷曲/解开以及高频蜻蜓翅膀拍打等动植物行为，实现有效的生物运动。其在低压下(0-9V)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。
现有技术公开了一种实现无损抓取的气动软体机器人。该专利利用多腔体型气动软体机器人,其曲率均匀变化、应力集中减弱；制作过程采用先进的3D打印Polyjet技术,可以控制软体机器人的材料刚度,可靠性高,一体成型,便于重复制备。为了实现无损抓取,安装激光测距传感器检测机器人与抓取物体之间距离,使得机器人运动速度与距离成一定比例,既能防止因抓取瞬间碰撞力过大而损坏柔软易碎物体,还可以防止抓取过慢,兼具抓取效率；安装薄膜压力传感器测量接触力的大小,形成稳定的闭环控制,防止在抓取过程中损坏物体。该专利能实现无损抓取柔软易碎物体，虽然防止因抓取瞬间碰撞力过大而损坏柔软易碎物体,还可以防止抓取过慢,兼具抓取效率，但其本身需要通过导管连接气泵，限制了其行动的便捷性。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，可以在复杂的非结构化环境进行移动、转向，并且无需外接电源或者气泵的动力装置，实现真正的无束缚全向自驱动。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，包括躯体部分、驱动模组部分、电路控制部分和足部；
所述驱动模组部分包括若干人工肌肉，所述人工肌肉由离子聚合物-金属复合材料IPMC 与铜丝缠绕加捻而成；所述躯体部分两端通过若干人工肌肉连接，使躯体部分弯曲呈弓型，所述电路控制部分通过给铜丝通电，使人工肌肉产生形变；所述躯体部分底部两侧分别设有足部，所述足部上设有摩擦面，通过电路控制部分周期性的提供铜丝电信号，使驱动模组部分产生周期性的伸缩运动，用于驱动躯体部分移动。
进一步，所述躯体部分由硅胶液体中加入微米级超细二氧化硅粉末后恒温固化而成。
进一步，所述躯体部分两端设有圆形的固定器，用于固定人工肌肉。
进一步，所述固定器材料硬度大于人工肌肉或躯体材料的硬度，用于约束人工肌肉两端的变形。
进一步，所述固定器的材料为PDMS。
进一步，所述人工肌肉的长度为躯体长度的0.5倍，所述人工肌肉的弹性模量大于躯体部分材料的弹性模量。
进一步，当电路控制部分输入人工肌肉电压信号时，所述人工肌肉会发生收缩；当人工肌肉断电后，所述人工肌肉恢复初始长度。
进一步，还包转向控制模组，所述转向控制模组安装在躯体部分上，通过产生振动波使躯体部分改变运动方向。
进一步，所述电路控制部分与转向控制模组连接，用于控制转向控制模组。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，通过电路控制部分来实现使驱动模组部分产生周期性的伸缩运动，从而驱动躯体部分移动，无需外接驱动源，去掉限制机器人行动的束缚，从而提升了机器人的行动性和实用性，使软体机器人的运动范围大大增加。
2.本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，通过电路控制部分输入控制电信号，实现循环步态的精准控制，使软体机器人运动更加稳定，对机器人运动控制更加精确。
3.本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，通过转向控制模组产生振动波，带动机器人实现转向。
4.本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，通过采用人工肌肉和本体弓形结构及足部各向异性摩擦设计的变体结构，可在复杂的非结构化环境进行移动，实现轻质高效的全地形爬行，且软体机器人的承重能力极强，可以搬运重物。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人全观图。
图2为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人前视图。
图3为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人俯视图。
图4为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人侧视图。
图5为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人驱动模组细节图。
图6为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人前肢肢体细节图。
图7为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人后肢肢体细节图。
图8为本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人多模式运动示意。
图中：
1-躯体部分、2-驱动模组部分、3-电路控制部分；4-足部；5-转向控制模组。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，包括躯体部分1、驱动模组部分2、电路控制部分3、足部4和转向控制模组5，所述驱动模组部分2包括若干人工肌肉，所述人工肌肉由离子聚合物-金属复合材料IPMC与铜丝缠绕加捻而成。如图5所示；所述躯体部分1两端通过若干人工肌肉连接，使躯体部分 1弯曲呈弓型，所述电路控制部分3通过给铜丝通电，使人工肌肉产生形变；所述躯体部分1底部两侧分别设有足部4，每侧的所述足部4上设有摩擦面，如图6、图7所示，两侧足部4 的摩擦面的方向不同。通过电路控制部分3周期性的提供铜丝电信号，使驱动模组部分2产生周期性的伸缩运动，用于驱动躯体部分1移动；所述转向控制模组5安装在躯体部分1上，通过产生振动波使躯体部分1改变运动方向。
所述躯体部分1由硅胶液体中加入微米级超细二氧化硅粉末后恒温固化而成。所述躯体部分1两端设有圆形的固定器，用于固定人工肌肉。所述固定器材料硬度大于人工肌肉或躯体材料的硬度，能够在驱驱动模组部分2形变过程中对两端的形变进行约束。所述固定器的材料为PDMS。
所述驱动模组部分2为5根人工肌肉，使用离子聚合物-金属复合材料IPMC与铜丝缠绕加捻而成，所述人工肌肉的长度为躯体长度的0.5倍，所述人工肌肉的弹性模量大于躯体部分1材料的弹性模量，所以当躯体两端与人工肌肉固定之后，躯体被弯曲成弧形，类似于“弓”。当电路控制部分3输入人工肌肉电压信号时，所述人工肌肉会发生收缩；当人工肌肉断电后，所述人工肌肉恢复初始长度。
所述转向模组部分2为微型振动电机，转向动力来自振动波，通过振动电机带动整个机器人肢体产生强烈的振动，当机器人的重量较轻并且支撑不是很平稳的时候，机器人就会发生位置的移动。而通过调整机器人对于地面的支撑方式，可以使得机器人因为振动而产生曲线运动或者圆周运动，通过控制振动电机的工作时间可以调整软体机器人的转向量。
所述电路控制部分3至少一个电路板主体、一个微控制器、红外接收器、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和电池，电路控制部分3分别控制两路电路的通断，一路为驱动模组部分2，一路为转向控制模组5。
实施例如图8所示，展示的是本发明基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人在外加电场的作用下，实现快速前进，转向等多模式运动。首先所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人处于原始状态，当给驱动模组部分2施加电压时，人工肌肉会收缩，软体机器人躯体的跨度减小，躯体两端向中间弯曲，这时由于肢体足部4底面设有各向异性摩擦腹足微结构，前脚固定，后脚向前移动；当电压关闭时，躯体跨度增大，后脚固定，但前脚向前移动，由此软体机器人完成一个周期的步态运动。循环施加的电压会导致机器人的循环变形，软体机器人采用前脚和后脚交替锚定和驱动的方式移动。当机器人需要转向时，例如图8的直角转弯，首先切断驱动模组部分2的电压，然后给转向模组部分2 通入电流，转向震动电机带动机器人旋转，当转到预想的方向时，切断转向模组电压，给驱动模组通电。由此，机器人完成转向运动。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，包括躯体部分(1)、驱动模组部分(2)、电路控制部分(3)和足部(4)；
所述驱动模组部分(2)包括若干人工肌肉，所述人工肌肉由离子聚合物-金属复合材料IPMC与铜丝缠绕加捻而成；所述躯体部分(1)两端通过若干人工肌肉连接，使躯体部分(1)弯曲呈弓型，所述电路控制部分(3)通过给铜丝通电，使人工肌肉产生形变；所述躯体部分(1)底部两侧分别设有足部(4)，所述足部(4)上设有摩擦面，通过电路控制部分(3)周期性的提供铜丝电信号，使驱动模组部分(2)产生周期性的伸缩运动，用于驱动躯体部分(1)移动。
2.根据权利要求1所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，所述躯体部分(1)由硅胶液体中加入微米级超细二氧化硅粉末后恒温固化而成。
3.根据权利要求1所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，所述躯体部分(1)两端设有圆形的固定器，用于固定人工肌肉。
4.根据权利要求3所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，所述固定器材料硬度大于人工肌肉或躯体材料的硬度，用于约束人工肌肉两端的变形。
5.根据权利要求3所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，所述固定器的材料为PDMS。
6.根据权利要求1所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，所述人工肌肉的长度为躯体长度的0.5倍，所述人工肌肉的弹性模量大于躯体部分(1)材料的弹性模量。
7.根据权利要求6所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，当电路控制部分(3)输入人工肌肉电压信号时，所述人工肌肉会发生收缩；当人工肌肉断电后，所述人工肌肉恢复初始长度。
8.根据权利要求6所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，还包转向控制模组(5)，所述转向控制模组(5)安装在躯体部分(1)上，通过产生振动波使躯体部分(1)改变运动方向。
9.根据权利要求8所述的基于电化学人工肌肉的仿弓箭全向无束缚软体机器人，其特征在于，所述电路控制部分(3)与转向控制模组(5)连接，用于控制转向控制模组(5)。
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