CN115648191A - 一种基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软体机器人。目的是提供一种基于柔性离子型驱动器的仿蠕虫软体机器人，该机器人能够仿照蠕虫类生物的运动方式，在平面上运动，并且结构简单、操控方便。技术方案是一种基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，其特征在于：该机器人包括矗立于地面且为缺圆形或Ω形的机器人本体，该机器人本体缺口两侧为接触地面的两个脚；所述机器人本体包括截面形状为缺圆形或Ω形的柔性支撑框架以及贴合在该柔性支撑框架上的柔性离子型驱动器；所述两个脚的脚底面设置了多个伸展方向一致的斜齿或毛刺，并且所述伸展方向往背向着机器人前进方向的一侧倾斜向下伸展。

Description

一种基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人

技术领域

本发明涉及一种软体机器人，具体涉及基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人。

背景技术

现有机器人大多依赖于电动机等刚性驱动器，具有体积大、能耗高、约束多等缺点，难以适应一些复杂环境。蠕虫类生物具有体积小、运动形式简单等特点，得到研究人员的关注。中国专利申请CN202110492265.8公开了一种仿蠕虫软体机器人，该机器人包括套设于柔性外保护套内的多个顺次连接的单元节，每个单元节的中心主轴的两端均滑动设置有套筒且中心主轴上设有驱动套筒的动力组件，相邻单元节通过伸缩槽伸缩配合，伸缩槽内的单元节端部与伸缩槽同侧的套筒连接，且伸缩槽内的单元节端部与伸缩槽同侧的套筒连接同步滑动配合。该机器人能够仿照蠕虫方式运动。中国专利申请CN111806585A公开了一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，该机器人包括躯体系统、放能反应系统及真空系统，所述躯体系统包括左头部外壳、左柔性躯壳、左反应仓、右反应仓、右柔性躯壳及右头部外壳，柔性躯壳内配合安装弹力传动部件，所述放能反应系统包括化学燃料储存单元、放能反应激励装置，所述真空系统包括真空吸盘、真空抽气管及真空泵。该机器人具有较低的制造成本、结构较简单、环境适应性高、驱动简单等优点，且能够进行向前向后的运动。

然而，上述仿蠕虫软体机器人均存在结构复杂、体积较大、动力要求高的缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于柔性离子型驱动器的仿蠕虫软体机器人，该机器人能够仿照蠕虫类生物的运动方式，在平面上运动，并且结构简单、操控方便。

本发明提供的技术方案是：

一种基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，包括驱动控制器；其特征在于：该机器人包括矗立于地面且为缺圆形或Ω形的机器人本体，该机器人本体缺口两侧为接触地面的两个脚；所述机器人本体包括截面形状为缺圆形或Ω形的柔性支撑框架以及贴合在该柔性支撑框架上的柔性离子型驱动器；所述两个脚的脚底面设置了多个伸展方向一致的斜齿或毛刺，并且所述伸展方向往背向着机器人前进方向的一侧倾斜向下伸展。

所述伸展方向与水平面的夹角B小于50度。

所述柔性离子型驱动器包括一层离子型人工肌肉以及分别覆盖在该人工肌肉上下两个表面且连通电源的两个电极层。

所述人工肌肉由羧基化纤维素纳米晶须与纤维素纳米纤维混合物、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐以及石墨烯混合制备而成。

所述柔性离子型驱动器上固定着用于连接导线的两个接线端，两个接线端分别连接所述的电极层。

所述电极层为PEDOT:PSS电极层。

所述驱动控制器包含STM32单片机、5V稳压电源、稳压模块、功率放大模块以及控制开关。

本发明的工作原理是：非工作状态，机器人矗立在平面上，仅是固定脚与移动脚接触着平面；该当闭合控制开关接通电源后，驱动控制器中的单片机产生可调电压周期性交流信号，借助稳压模块和功率放大模块转变成驱动信号，该信号直接作用在机器人的柔性离子型驱动器使其反复产生膨胀形变和收缩形变，两个脚之间的距离就反复变大和缩小，从而在地面上蹒跚前进，实现了机器人的水平方向移动。

与现有的软体机器人相比，该机器人具有以下优势：

1、软体机器人材料采用基于离子型人工肌肉，更加轻便、环保。

2、结构简单并具有操控方便的特点，适合在平面运动。

3、附加传感器后，可在危险和狭窄的环境下工作，具有实用价值。

4、是新型材料在机器人领域的一次突破，拓展了新型材料的使用面，为以后将机器人与材料综合使用打下基础。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中机器人本体与脚底板的结构示意图。

图3为本发明实施例中柔性离子型驱动器三明治结构示意图。

图4为本发明实施例中驱动控制器的电路图。

图5为本发明实施例中机器人运动原理图。

图中标号：1为柔性离子型驱动器，2为柔性支撑框架，3为运动控制器；其中1-1为离子型人工肌肉，1-2为电极层，1-3为导线，1-4为绝缘固定膜，1-5为铜箔；3-1为电源，3-2为STM32单片机，3-3稳压模块，3-4为功率放大模块，3-5为排针，4为斜齿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。特别地，借助以下实施例相关专业人员对本发明将会有更好理解，但不能限制本发明的保护范围。

图1所示的基于离子型人工肌肉驱动器的仿生蠕虫软体机器人；包括缺圆形或Ω形(欧米伽形)的机器人本体，该机器人本体的缺口两端分别背向对方翻折从而形成两个脚；所述机器人本体包括缺圆形或Ω形的柔性支撑框架(优选硅胶)以及贴合粘结在该柔性支撑框架上的柔性离子型驱动器；由图可知：机器人本体应具有一定的宽度，从而可以两个脚触地进行矗立并且移动时不会倾倒。

所述柔性离子型驱动器(中国专利申请CN112409627A)由一个预拉伸(五倍)的纤维素人工肌肉和分别覆盖在该人工肌肉上下两个表面且连通电源的两个电极层形成。柔性离子型驱动器断电时纤维素人工肌肉为自然状态，呈Ω形结构或者缺圆形结构，并由柔性支撑框架支撑；通电时柔性离子型驱动器发生弯曲形变，柔性支撑框架跟随着一起形变。柔性离子型驱动器上固定着用于连接导线1-3的两个接线端。每个接线端由一层绝缘固定膜1-4(优选聚酰亚胺)以及一层铜箔1-5组成，导线固定在绝缘固定膜与铜箔之间。

柔性离子型驱动器结构如图3所示；其中柔性离子型驱动器结构为三明治结构；中间层为离子型人工肌肉1-1(含C-CNC纤维素、CNF-C纤维素、1-乙基-3-甲基离子液体以及石墨烯的混合离子膜)，外两层为电极层1-2(优选非金属柔性PEDOT:PSS电极层，参见CN113462032A)。根据电化学氧化还原反应，导电聚合物致动器的驱动机制称为掺杂/反掺杂过程。导线通过焊接方式固定在铜箔上，铜箔连接驱动器外层的电极，具有保护电极功能。利用聚酰亚胺绝缘固定膜实现链接部分与驱动器部分的整体固定。当激发电压施加于PEDOT:PSS电极层时，电极层之间的电位差通过电化学掺杂过程导致离子对的形成，并导致阳离子的吸收或阴离子离子液体进入电极层，并从另一层排出反离子。因此，CNC&CNF-IL-GN驱动器器的弯曲变形是由于PEDOT:PSS层的电化学掺杂过程导致PEDOT:PSS电极层的膨胀差异造成的。在宏观上，表现为弯曲方向与CNC-IL-GN膜内的离子迁移方向相同。利用该膨胀形变原理作为驱动设计基础(软体机器人通电膨胀时，两个脚之间的距离增大；而后断电时，两个脚之间恢复原有距离)，可实现该机器人的运动。

为了实现该机器人在平面上运动，本发明还在两个脚的脚底面设置了多个斜齿4或毛刺(斜齿或毛刺可采用尼龙之类的高分子材料，或者是金属材料)，使得机器人立在地面时斜齿能够直接抵顶着地面；同时重要的是：两个脚上的所有斜齿的伸展方向一致，并且所述伸展方向是往背向着该机器人前进方向的一侧倾斜向下伸展。本实施例中，机器人前进方向为两个脚的连线的一端(图2中为右端)；从而使得该机器人两个脚接触地面移动时受到的阻力不同。当该机器人通电膨胀时，两个脚具有同时背向对方运动的趋势；但是左脚的斜齿针对着地面产生的摩擦力大，而右脚的斜齿顺着地面产生的摩擦力小，因此左脚不动而右脚则会往右移动若干距离。而随后该机器人断电收缩恢复原状时，两个脚具有同时朝向对方运动的趋势；但此时左脚的斜齿是顺着地面所以产生的摩擦力小，而右脚的斜齿是针对着地面产生的摩擦力大，因此右脚不动而左脚则会往右移动若干距离。这样一个运动循环完成；如此反复循环，离子型驱动器反复通电、断电产生形变循环时，就能使得该机器人能够逐步在地面往前方(右端)移动。

作为推荐，所述斜齿的伸展方向(斜齿后侧面的延长线)与水平面的夹角B小于50度；以使得该斜齿往左运动与往右运动，所产生的摩擦力具有明显不同。

图4所示的电路中(现有技术)，电源3-1(优选电池)输电给单片机与功率放大模块，STM32单片机3-2控制不同频率的信号电压输出，稳压模块3-3实现降压稳定输出，功率放大模块3-4为离子型驱动器的膨胀形变提供足够的功率，导线排针3-5实现驱动控制器与柔性离子型驱动器的链接从而实现驱动。

图5为机器人运动原理与截面示意图。柔性离子型驱动器接通驱动控制器施加的方电压(周期为T的电压V_A)时(此时该驱动器的外侧电极层接通“-”电压，内侧电极层接通“+”电压)即产生膨胀，两个脚之间的距离增大；而后断电，柔性离子型驱动器即进行收缩恢复原状，两个脚之间的距离就缩小。在每一个膨胀收缩循环中，软体机器人水平方向爬行一段距离D_L。驱动控制器通过控制的电源的通断节奏，就可以实现水平运动(方向如图中箭头所示)。仿生蠕虫软体机器人在起始状态下如图中虚线所示：柔性离子型驱动器接通电刺激信号后，柔性离子型驱动器发生膨胀，左脚不动，右脚往右移动一段距离(从C点移动到D点)；接着断电，柔性离子型驱动器恢复原状，右脚不动，左脚往右移动一段距离(从A点移动到C点,仿生蠕虫软体机器人此时为实线)；由此机器人完成一个循环周期的移动。在小样实验测试中，在幅值为1.5V，频率为100Hz正弦波激励信号下，机器人一个周期内水平位移达到6mm。

本发明可以适应危险以及狭窄的工作环境，如狭缝搜救机器人、管道机器人等，并能最大程度地减少对环境的污染，保证人机交互安全性。

以上对本发明的一种实施例作了说明；特别地，相关专业人员可以在权利允许范围内做出变形或修改，这些也应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，包括驱动控制器；其特征在于：该机器人包括矗立于地面且为缺圆形或Ω形的机器人本体，该机器人本体缺口两侧为接触地面的两个脚；所述机器人本体包括截面形状为缺圆形或Ω形的柔性支撑框架(2)以及贴合在该柔性支撑框架上的柔性离子型驱动器(1)；所述两个脚的脚底面设置了多个伸展方向一致的斜齿(4)或毛刺，并且所述伸展方向往背向着机器人前进方向的一侧倾斜向下伸展。

2.根据权利要求1所述基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，其特征在于：所述伸展方向与水平面的夹角(B)小于50度。

3.根据权利要求2所述基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，其特征在于：所述柔性离子型驱动器包括一层离子型人工肌肉(1-1)以及分别覆盖在该人工肌肉上下两个表面且连通电源的两个电极层(1-2)。

4.根据权利要求3所述基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，其特征在于：所述柔性离子型驱动器上固定着用于连接导线的两个接线端，两个接线端分别连接所述的电极层。

5.根据权利要求4所述基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，其特征在于：所述人工肌肉由羧基化纤维素纳米晶须与纤维素纳米纤维混合物、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐以及石墨烯混合制备而成。

6.根据权利要求5所述基于柔性离子型人工肌肉驱动器的仿蠕虫软体机器人，其特征在于：所述电极层为PEDOT:PSS电极层。

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