CN115107005A - 一种基于介电弹性体的并联软体机器人及其一体化成型制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电弹性体的并联软体机器人及其一体化成型制作方法，属于软体机器人领域。并联软体机器人包括支撑框架、弹性薄膜以及柔性电极，弹性薄膜经过双向预拉伸之后粘附在支撑框架上，柔性电极涂覆在电极区范围内弹性薄膜的内外表面。并联软体机器人经过一体化成型后可以分为多个驱动单元，相邻的驱动单元间距相等；并联软体机器人具有三个运动自由度，可以实现任意方向弯曲以及轴向伸长。本发明的介电弹性体驱动单元具有驱动应变大、能量密度大、响应速度快以及无噪声的优点，并联软体机器人具有运动灵活，体积轻小、控制精度高等优点，一体化成型方法制备工艺简便，可以用于基于介电弹性体的并联软体机器人的快速准确制作。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，具有涉及一种基于介电弹性体的并联软体机器人及其一体化成型制作方法。
背景技术
相比于传统的刚性机器人，软体机器人具有更好的适应性、生物相容性以及运动灵活性。然而，软体机器人的柔顺性也会带来机器人负载能力和稳定性的降低。采用并联结构可以显著地提高机器人结构刚度，响应速度，负载能力和控制精度，这在刚性机器人领域已经得到了证明，但是目前并行设计方法尚未推广到软机器人领域。近年来，柔性驱动方式与柔性驱动材料得到了快速发展，这为设计出定位精度高，体积小、质量轻的软体并联机器人奠定了基础。
目前常见的柔性驱动方式有形状记忆合金、响应性水凝胶、气动结构、化学反应室和介电弹性体。形状记忆合金是一种在加热时能够承受大应变的材料，然而温度依赖性使其难以精确控制。响应性水凝胶随着温度、光强、压力、电场和 pH值的变化产生相应的变形，但也存在响应速度慢、驱动力不足等缺点。气动结构需要外部空气压缩机，响应速度通常受到将空气泵入和泵出致动器的能力的限制。基于化学反应的软机器人由于反应室内的反应物难以连续供给，使用寿命较短。介电弹性体是一种电致变形材料，被认为是最有前途的软驱动技术之一，因为它具有驱动应变大、能量密度大、响应速度快以及无噪声的优点，由驱动单元并联组成并联软体机器人具有多自由度，体积轻小、控制精度高等优点。
传统的并联机器人的制作往往是通过先加工单个的驱动单元，再通过上下两端的连接端面将三个或多个驱动单元装配起来实现并联，这种方式做工繁琐，无疑增加了制作成本和制作时间，另一方面，难以保证驱动单元之间的距离相同，降低了并联软体机器人的制作精度。
发明内容
本发明为解决现有的软体机器人运动模式单一，负载能力低，响应速度慢，控制精度差的问题，提出一种基于介电弹性体的并联软体机器人及其一体化成型方法。
本发明解决其技术问题的技术方案为：
本发明的第一个方面，提供了一种基于介电弹性体的并联软体机器人，包括柱形支撑框架、弹性薄膜以及若干柔性电极；
所述的柱形支撑框架是由顶部支撑梁、底部支撑梁、以及连接顶部支撑梁和底部支撑梁的三个中部支撑梁构成的一体化结构，所述的中部支撑梁上设有狭长镂空区，相邻的两个中部支撑梁之间的距离相等；所述的弹性薄膜以双向预拉伸状态贴附在支撑框架的外壁或内壁上；所述的柔性电极位于支撑框架中相邻的两个中部支撑梁之间，贴附在弹性薄膜的内外表面上；所述的柔性电极上连接有用于施加电压的导线装置；
所述的弹性薄膜和位于其内外两侧的一组柔性电极组成一个驱动单元，软体机器人由三个驱动单元并联组成；当对驱动单元两侧的柔性电极施加电压后，柔性电极所处区域的弹性薄膜在厚度方向被压缩，面积向外延伸，使驱动单元的高度增加；
当每一个驱动单元的驱动电压都不相同时，并联软体机器人产生弯曲；当每一个驱动单元的驱动电压相同时，并联软体机器人沿轴向伸长。
作为本发明的优选，所述的支撑框架的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
作为本发明的优选，所述的柔性电极为碳膏，所述的碳膏均匀涂覆在位于每一对相邻的中部支撑梁之间的弹性薄膜的内外表面上。
作为本发明的优选，所述的驱动单元在柱形支撑框架和弹性薄膜的作用下呈内凹的马鞍面形状。
作为本发明的优选，所述的弹性薄膜为丙烯酸介电弹性体薄膜。
作为本发明的优选，所述的顶部支撑梁和底部支撑梁的直径相同。
本发明的第二个方面，提供了一种如上述的基于介电弹性体的并联软体机器人的一体化成型制作方法，包括如下步骤：
步骤S1，运用拉伸装置对弹性薄膜进行双轴拉伸，静置消除预应力；将矩阵结构的支撑框架切割成预设的形状，包括顶部支撑梁、底部支撑梁和中部支撑梁，所述的中部支撑梁上设有镂空区，相邻的中部支撑梁之间形成电极区，支撑框架的两侧切割形成粘接区，粘接区的粘接点上设有粘接标记；
步骤S2，将切割好的支撑框架完全贴附在拉伸后的弹性薄膜上，按压支撑框架，使支撑框架与弹性薄膜充分接触并粘合；
步骤S3，切割离型纸作为电极掩膜，所述的电极掩膜上设有与支撑框架电极区一一对应的孔；将电极掩膜覆盖在支撑框架的正反两面，将碳膏均匀涂覆在位于每一个电极区的弹性薄膜的正反两面；揭下掩膜后得到柔性电极；
步骤S4，将位于支撑框架镂空区处的弹性薄膜剪开一道狭缝，再将整个支撑框架沿着边缘从拉伸装置上剪下，将位于支撑框架两侧的粘接区沿着预设的粘接标记粘合起来；
步骤S5，用铝箔将导线分别粘在支撑框架内外两侧，每一对导线的正负极分别与驱动单元内外两侧的柔性电极导通。
进一步地，步骤S1所述的支撑框架的电极区为设有圆角的正方形孔，所述的镂空区为设有圆角的细长矩形孔，所述的粘接区处设有沿中部支撑梁方向的缺口，当将位于支撑框架两侧的粘接区沿着预设的粘接标记粘合后，两侧粘接区处的缺口形成镂空区。
进一步地，步骤S3所述的电极掩膜上的孔中心与电极区中心重合，孔边缘至孔中心的距离比电极区边缘至电极区中心的距离小1–3mm。
进一步地，步骤S1中运用拉伸装置对弹性薄膜进行双轴拉伸时，拉伸率为 a％×a％，a∈[200-400]。
本发明的有益效果是：本发明的介电弹性体驱动单元具有驱动应变大、能量密度大、响应速度快以及无噪声的优点，由多个介电弹性体驱动单元组成的并联软体机器人解决了现有的软体机器人运动模式单一，负载能力低，响应速度慢，控制精度差的问题。另外，本发明提出并联机器人的一体化成型制作方法，将数个驱动单元的加工和装配集成起来，克服了传统制作方法带来的制作成本高、工序繁琐、制作精度低等缺点，对于制作结构紧凑、体积轻小，加工和控制精度高的并联软体机器人具有一定的指导意义。
附图说明
图1是本发明实施例示出的基于介电弹性体的并联软体机器人的展开结构示意图；
图2是本发明实施例示出的并联软体机器人在没有加载电压时的整体示意图；
图3是本发明实施例示出的驱动单元的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例示出的并联软体机器人在加压后产生弯曲的示意图；
图5是本发明实施例示出的并联软体机器人在加压后产生轴向伸长的示意图；
图6是本发明实施例示出的并联软体机器人的一体化成型制作流程示意图；
附图标记说明：1-支撑框架；11-电极区；12-镂空区；13-粘接区；14-铝箔； 2-弹性薄膜；3-柔性电极。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。
以下结合附图1说明本发明提出的基于介电弹性体的并联软体机器人的结构组成，包括支撑框架1、弹性薄膜2以及柔性电极3。支撑框架1由透明的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)裁剪而成，以图1为例，包括电极区11、镂空区 12以及粘接区13，可通过在每个粘接区设置细小的粘接标记确定粘接点。
在本发明的一项具体实施中，弹性薄膜2为丙烯酸介电弹性体薄膜 VHB4910，经过双向预拉伸之后粘附在支撑框架1上。柔性电极3为碳膏，均匀涂覆在位于电极区11内的弹性薄膜的内外表面。
上述的基于介电弹性体的并联软体机器人是一体化成型制作的，如图6所示，一体化成型制备方法包括：
步骤S1，运用拉伸装置对弹性薄膜2实现三倍的双轴拉伸(拉伸率为 300％×300％)，将弹性薄膜放在超净台中静置6h左右以消除预应力。运用激光切割机将支撑框架1加工成预设的形状，包括电极区11、镂空区12和粘接区13。
本步骤中，所述的支撑框架的电极区为设有圆角的正方形，镂空区为设有圆角的细长矩形，粘接区上设有划线作为粘接标记，用于确定粘接位置。
所述的粘接区13处还设有沿中部支撑梁方向的缺口，当将位于支撑框架两侧的粘接区13沿着预设的粘接标记粘合后，两侧粘接区13处的缺口形成镂空区 12。
步骤S2，将切割好的支撑框架1贴附在拉伸后的弹性薄膜2的中间位置，按压支撑框架，使支撑框架与弹性薄膜充分接触，排出气泡，紧密粘合，避免在后续的实验过程中由于大的变形而脱落。
步骤S3，运用激光切割机切割离型纸作为电极掩膜，将电极掩膜覆盖在支撑框架1上，将碳膏涂覆在位于电极区的弹性薄膜的正反两面，揭下掩膜之后，得到形状标准的柔性电极3。
本步骤中，所述的电极掩膜设有三个电极区，掩膜电极区的中心与支撑框架电极区的中心重合，但是掩膜电极区的边缘与中心的距离比支撑框架电极区边缘与中心的距离小2mm左右。
步骤S4，首先将图1中所示的支撑框架的2个镂空区12内的弹性薄膜沿镂空区的位置剪开，然后再将整个支撑框架沿着边缘从拉伸装置上剪下，将支撑框架的粘接区13沿着预设的标记粘合起来。
本步骤中，将支撑框架1的左右两边按照预设的划线连接粘接区后，围成一个柱形体，弹性薄膜2和涂覆其内外两侧的一组柔性电极3构成一个驱动单元，相邻的驱动单元间隔相等，在弹性薄膜与支撑框架的相互作用下，每一个驱动单元都形成了类似马鞍面的形状。
步骤S5，将0.6mm的PE导线由铝箔14分别粘在支撑框架内外两侧，铝箔和位于支撑框架电极区11的柔性电极3之间涂抹碳膏实现电路的导通。
本步骤中，共计3组导线，每一组导线用于单独控制一处驱动单元，每一组导线的正负极分别连通驱动单元内外两侧的柔性电极。
经过上述制备方法制备得到的并联软体机器人结构如图2所示，包括柱形支撑框架1、弹性薄膜2以及三个柔性电极3；所述的柱形支撑框架1是由顶部支撑梁、底部支撑梁、以及连接顶部支撑梁和底部支撑梁的中部支撑梁构成的一体化结构，所述的中部支撑梁上设有狭长镂空区12，相邻的两个中部支撑梁之间的距离相等；所述的弹性薄膜2以双向预拉伸状态贴附在支撑框架1的外壁或内壁上，弹性薄膜2在支撑框架1的狭长镂空区12处设有狭缝；所述的柔性电极 3安装在支撑框架1中相邻的两个中部支撑梁之间，贴附在弹性薄膜2的内外表面上。
并连软体机器人在结构上可视为由三个驱动单元并联组成，每个驱动单元的剖面结构示意图如图3所示(仅用于展示不同结构之间的位置关系，绘图比例不代表实物比例)，弹性薄膜2紧密粘附在支撑框架1上，从高压电源正极延伸的导线通过铝箔14粘贴在支撑框架顶部支撑梁的内侧(此处铝箔实际粘附在支撑框架和弹性薄膜的复合结构内侧，但是弹性薄膜的厚度可以忽略不计，真正起固定作用的是支撑框架，所以本发明中都描述为粘贴在支撑框架上)，与内侧的柔性电极通过涂抹碳膏实现连通；从高压电源负极延伸的导线通过铝箔14粘贴在支撑框架底部支撑梁的外侧，与外侧的柔性电极通过涂抹碳膏实现连通。
本发明的基于介电弹性体的并联软体机器人的工作原理为：当其中某个驱动单元的两端施加电压后，该驱动单元内的弹性薄膜在厚度方向被压缩，面积向外延伸，使驱动单元的高度增加(宽度方向增加的部分本发明并不关注)。本发明提出的并联软体机器人具有三个自由度：当三个驱动单元的驱动电压不相同时，机器人可以产生任意方向的弯曲，如图4所示；三个驱动单元的驱动电压相同时，机器人将轴向伸长，如图5所示。本实施例中，在驱动单元的两端施加的电压一般为高压，不低于4KV。
本发明的介电弹性体驱动单元具有驱动应变大、能量密度大、响应速度快以及无噪声的优点，由多个介电弹性体驱动单元组成的并联软体机器人解决了现有的软体机器人运动模式单一，负载能力低，响应速度慢，控制精度差的问题。另外，本发明提出并联机器人的一体化成型制作方法，将数个驱动单元的加工和装配集成起来，克服了传统制作方法带来的制作成本高、工序繁琐、制作精度低等缺点，对于制作结构紧凑、体积轻小，加工和控制精度高的并联软体机器人具有一定的指导意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于介电弹性体的并联软体机器人，其特征在于，包括柱形支撑框架(1)、弹性薄膜(2)以及若干柔性电极(3)；
所述的柱形支撑框架(1)是由顶部支撑梁、底部支撑梁、以及连接顶部支撑梁和底部支撑梁的三个中部支撑梁构成的一体化结构，所述的中部支撑梁上设有狭长镂空区(12)，相邻的两个中部支撑梁之间的距离相等；所述的弹性薄膜(2)以双向预拉伸状态贴附在支撑框架(1)的外壁或内壁上；所述的柔性电极(3)位于支撑框架(1)中相邻的两个中部支撑梁之间，贴附在弹性薄膜(2)的内外表面上；所述的柔性电极(3)上连接有用于施加电压的导线装置；
所述的弹性薄膜(2)和位于其内外两侧的一组柔性电极(3)组成一个驱动单元，软体机器人由三个驱动单元并联组成；当对驱动单元两侧的柔性电极(3)施加电压后，柔性电极(3)所处区域的弹性薄膜(2)在厚度方向被压缩，面积向外延伸，使驱动单元的高度增加；
当每一个驱动单元的驱动电压都不相同时，并联软体机器人产生弯曲；当每一个驱动单元的驱动电压相同时，并联软体机器人沿轴向伸长。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的并联软体机器人，其特征在于，所述的支撑框架的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的并联软体机器人，其特征在于，所述的柔性电极为碳膏，所述的碳膏均匀涂覆在位于每一对相邻的中部支撑梁之间的弹性薄膜(2)的内外表面上。
4.根据权利要求3所述的基于介电弹性体的并联软体机器人，其特征在于，所述的驱动单元在柱形支撑框架(1)和弹性薄膜(2)的作用下呈内凹的马鞍面形状。
5.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的并联软体机器人，其特征在于，所述的弹性薄膜为丙烯酸介电弹性体薄膜。
6.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的并联软体机器人，其特征在于，所述的顶部支撑梁和底部支撑梁的直径相同。
7.一种如权利要求3所述的基于介电弹性体的并联软体机器人的一体化成型制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，运用拉伸装置对弹性薄膜(2)进行双轴拉伸，静置消除预应力；将矩阵结构的支撑框架(1)切割成预设的形状，包括顶部支撑梁、底部支撑梁和中部支撑梁，所述的中部支撑梁上设有镂空区(12)，相邻的中部支撑梁之间形成电极区(11)，支撑框架的两侧切割形成粘接区(13)，粘接区的粘接点上设有粘接标记；
步骤S2，将切割好的支撑框架(1)完全贴附在拉伸后的弹性薄膜上，按压支撑框架，使支撑框架与弹性薄膜充分接触并粘合；
步骤S3，切割离型纸作为电极掩膜，所述的电极掩膜上设有与支撑框架电极区(11)一一对应的孔；将电极掩膜覆盖在支撑框架的正反两面，将碳膏均匀涂覆在位于每一个电极区的弹性薄膜的正反两面；揭下掩膜后得到柔性电极(3)；
步骤S4，将位于支撑框架镂空区(12)处的弹性薄膜剪开一道狭缝，再将整个支撑框架(1)沿着边缘从拉伸装置上剪下，将位于支撑框架两侧的粘接区(13)沿着预设的粘接标记粘合起来；
步骤S5，用铝箔(14)将导线分别粘在支撑框架内外两侧，每一对导线的正负极分别与驱动单元内外两侧的柔性电极(3)导通。
8.根据权利要求7所述的并联软体机器人的一体化成型制作方法，其特征在于，步骤S1所述的支撑框架的电极区(11)为设有圆角的正方形孔，所述的镂空区(12)为设有圆角的细长矩形孔，所述的粘接区(13)处设有沿中部支撑梁方向的缺口，当将位于支撑框架两侧的粘接区(13)沿着预设的粘接标记粘合后，两侧粘接区(13)处的缺口形成镂空区(12)。
9.根据权利要求7所述的并联软体机器人的一体化成型制作方法，其特征在于，步骤S3所述的电极掩膜上的孔中心与电极区(11)中心重合，孔边缘至孔中心的距离比电极区(11)边缘至电极区(11)中心的距离小1–3mm。
10.根据权利要求7所述的并联软体机器人的一体化成型制作方法，其特征在于，步骤S1中运用拉伸装置对弹性薄膜(2)进行双轴拉伸时，拉伸率为a％×a％，a∈[200-400]。
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| CN (1) | CN115107005B (zh) |
Citations (6)
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-
2022
- 2022-07-28 CN CN202210899174.0A patent/CN115107005B/zh active Active
Patent Citations (6)
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