CN115781734A - 一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指及其驱动方法。该多关节柔性夹持指包括弯曲驱动机构、夹持指主体和伸直驱动机构。所述的夹持指主体包括柔性支撑体和关节板。三块关节板均固定在柔性支撑体的内侧，且沿着柔性支撑体的长度方向依次间隔排列。相邻的两块关节板的连接处形成夹持指主体的弯曲关节位置。柔性支撑体的外侧设置有与两个弯曲关节位置分别对齐的两个安装槽。弯曲驱动机构包括由内至外依次层叠并固定的柔性关节铰链、内侧电极组、第一介电液驱动袋和外侧电极组。伸直驱动机构包括伸直电极片和第二介电液驱动袋。本发明能够通过向不同的电极对施加电压，实现夹持指两个关节的任意弯曲控制。
Description
技术领域
本发明属于多关节柔性驱控技术领域，具体涉及一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指及其驱动方法。
背景技术
软体机器人由于其内在高度的灵活性、良好的顺应性、出色的适应性和自然安全的可交互性，在医疗、教育、服务、救援、探索、可穿戴设备等领域越来越受到重视，并展示出巨大的发展潜力。然而目前的柔性机械手领域仍存在难以小型化，驱动机构繁琐，运动灵活性不足的问题。此外，现有的柔性机械手的每个关节大多都需要一个独立的驱动气路或液路，这大大提高了柔性机械手的复杂度；因此需要设计一种不需要外部气源或液源，能够使用同一个动力元件同时驱动多个关节的柔性机械手。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指及其驱动方法。
本发明一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，包括弯曲驱动机构、夹持指主体和伸直驱动机构。所述的夹持指主体包括柔性支撑体和关节板。三块关节板均固定在柔性支撑体的内侧，且沿着柔性支撑体的长度方向依次间隔排列。相邻的两块关节板的连接处形成夹持指主体的弯曲关节位置。柔性支撑体的外侧设置有与两个弯曲关节位置分别对齐的两个安装槽。
所述的弯曲驱动机构包括由内至外依次层叠并固定的柔性关节铰链、内侧电极组、第一介电液驱动袋和外侧电极组。相邻两块关节板之间通过柔性关节铰链连接。内侧电极组包括三块内侧电极片。三块内侧电极片与三块关节板分别固定。三块关节板均与第一介电液驱动袋内侧固定。
所述的外侧电极组包括三块外侧电极片。三块外侧电极片均与第一介电液驱动袋的外侧面固定。三块外侧电极片沿着夹持指主体依次排列。位于中间的外侧电极片与位于中间的内侧电极片对齐。位于两端的内侧电极片和位于两端的外侧电极片与两个弯曲关节位置分别对齐。向相互对应的内侧电极片与外侧电极片之间施加电压时，相互对应的内侧电极片与外侧电极片吸合。
所述的伸直驱动机构包括伸直电极片和第二介电液驱动袋。两个伸直电极片与柔性支撑体上对应的安装槽的两个侧壁分别粘接固定。第二介电液驱动袋设置在两个伸直电极片之间。
作为优选，所述的夹持指主体的外端固定有夹持垫。夹持垫的外侧面设置有防滑条纹。
作为优选，所述的柔性支撑体包括条形囊体和堵塞颗粒。条形囊体内部填充有堵塞颗粒。条形囊体上设置有连接负压发生装置的抽气口。
作为优选，所述的外侧电极片和内侧电极片均采用平纹导电布。
作为优选，三块外侧电极片沿着夹持指主体依次间隔排列。相邻两块内侧电极片之间的连接处与对应的弯曲关节位置对齐。
作为优选，所述的介电驱动袋的材质为PET。
作为优选，所述的柔性关节铰链采用弹性薄膜。柔性关节铰链的厚度0.5mm～1mm。
作为优选，所述的第一介电液驱动袋和第二介电液驱动袋内均填充有介电液体。
作为优选，所述的伸直电极片的材质为铜。
作为优选，所述的介电液体采用二甲基硅油。
作为优选，三片内侧电极片与三片外侧电极片分别对应，组成三个电极对。三个电极对与高压发生器通过继电器连接，能够独立控制；高压发生器的输出电压8000V～10000V。
该基于静电驱动的多关节柔性夹持指的驱动方法，具体如下：
当需要控制夹持指主体的两个弯曲关节位置同时弯曲，三个内侧电极片均接地，位于中间的外侧电极片接入正电压，位于两端的外侧电极片均不接正电压时，第一介电液驱动袋的中部被挤压，介电液体被推向第一介电液驱动袋的两端，带动夹持指主体的两个弯曲关节位置弯曲。
当需要控制夹持指主体的其中一个弯曲关节位置产生弯曲时，三个内侧电极片均接地，位于中间和其中一个端部的外侧电极片接入正电压，另一端的外侧电极片不接正电压时，第一介电液驱动袋的中部和其中一端被挤压；不接正电压的外侧电极片与需要弯曲的弯曲关节位置对应。介电液体被推向第一介电液驱动袋内未接正电压的外侧电极片所在的端部，带动夹持指主体的弯曲关节位置弯曲。
本发明的具体有益效果是：
1.本发明以静电驱动为基础，通过非对称电极组和多电极设置，利用液压先导原理，能够通过向不同的电极对施加电压，实现夹持指两个关节的任意弯曲控制，且能够做到3种驱动状态。此外，本发明通过多个夹持指串联，即可实现多关节驱动臂。
2.本发明通过将相邻两个外侧电极片的间隔处与相邻两个内侧的间隔处错开设置，使得位于端部的外侧电极片通电时能够与位于中间的电极片的端部吸附在一起，从而提高多关节柔性夹持指处于伸直地状态时的自锁能力。
3.本发明通过静电力进行驱动，可以通过改变施加电压方式和大小，进而改变关节的驱动状态和弯曲角度，驱动装置灵活高效，可以达到对关节弯曲的精准控制。
4.本发明设置有夹持指主体和伸直驱动机构，夹持指主体在手指弯曲后负压变刚，固定加夹持指弯曲角度用于夹持负载，增加了夹持指的加持稳定性，通过伸直驱动机构的主动回复，将弯曲的手指重新拉直，保障了夹持指回复运动的精度和效率，使夹持指可以更有效率的应用于夹持工作。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2a-2c分别为本发明的三种驱动状态示意图。
图3为本发明弯曲驱动机构示意图。
图4为本发明弯曲驱动机构不同驱动状态驱动原理示意图。
图5为本发明伸直驱动机构驱动原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、2a、2b和2c所示，一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，包括弯曲驱动机构1、夹持指主体2和伸直驱动机构3。夹持指主体2具有两个能够弯曲的关节，并能够通入不同的负压调节自身的刚度。
夹持指主体2包括柔性支撑体2-1、关节板2-2和夹持垫2-3。三块关节板2-2均固定在呈长条形的柔性支撑体2-1的内侧，且沿着柔性支撑体2-1的长度方向依次间隔排列。夹持垫2-3固定在柔性支撑体2-1的外端固定，且覆盖位于最外侧的关节板2-2，用于在夹持物体时保护柔性支撑体2-1并增大摩擦力。相邻的两块关节板2-2之间的间隙，形成夹持指主体2的弯曲关节位置。柔性支撑体2-1的外侧设置有两个用于安装伸直驱动机构3的安装槽。两个安装槽的位置与夹持指主体2的两个弯曲关节位置分别对齐。柔性支撑体2-1采用变刚度结构，包括条形囊体2-4和堵塞颗粒2-5。条形囊体2-4的材质为硅胶，能够任意变形，且内部设置有堵塞颗粒2-5。条形囊体2-4的内端设置有抽气口。抽气口与真空度可调的真空发生器连接。当抽气口接入的负压越大，不同堵塞颗粒2-5之间越紧密，柔性支撑体2-1的刚度越大。
如图3和4所示，弯曲驱动机构1包括由内至外依次层叠的柔性关节铰链1-1、内侧电极组1-2、第一介电液驱动袋1-3和外侧电极组1-4。柔性关节铰链1-1与三块关节板2-2的内侧面均固定，从而保持三块关节板2-2的间距不发生显著变化。外侧电极组1-4采用单面带胶的平纹导电布，内侧电极组1-2采用双面带胶的平纹导电布，在保证低电阻的同时提供了优秀的柔顺性、耐久性、柔韧性和贴服性。内侧电极组1-2和外侧电极组1-4分别粘贴在第一介电液驱动袋1-3袋壁上；由于平纹导电布具有不可拉伸的特性，故将内侧电极组1-2和外侧电极组1-4能够避免第一介电液驱动袋1-3袋壁因液压增加而产生弹性拉伸，提高了静电力向液压力转换的效率。
内侧电极组1-2包括三块内侧电极片。三块内侧电极片均与柔性关节铰链1-1的外侧面固定。三块外侧电极片沿着夹持指主体2依次间隔排列。相邻两块内侧电极片之间的连接处与对应的弯曲关节位置对齐。三块内侧电极片分别为位于中间的中部内电极片1-2-1和位于两端的两片的端部内电极片1-2-2。
外侧电极组1-4包括三块外侧电极片。三块外侧电极片均与第一介电液驱动袋1-3的外侧面固定。三块外侧电极片沿着夹持指主体2依次排列。三块外侧电极片分别为位于中间的中部外电极片1-4-1和位于两端的两片的端部外电极片1-4-2。相邻两块外侧电极片的连接处位于对应的弯曲关节位置靠近中间的关节板2-2的一侧；因此，位于两端的两块外侧电极片与两个弯曲关节位置分别对齐。
三块外侧电极片与三块内侧电极片分别具有对齐的区域，通入不同电压时能够吸合；位于中间的外侧电极片的长度小于位于中间的内侧电极片；当位于中间的外侧电极片与内侧电极片吸合时，第一介电液驱动袋1-3内的介电液被挤压向两端，形成鼓包；该鼓包能够使得位于两端外侧电极片分别带动夹持指主体2在对应的弯曲关节位置发生弯曲。
介电驱动袋1-4采用薄质PET薄膜制成；本实施例中，介电驱动袋1-4的侧壁厚度为0.025mm。介电驱动袋1-4内部填充有一定量的高介电系数、低运动粘度的介电液体。本实施例中，介电液体具体采用低运动粘度二甲基硅油(5cSt)，二甲基硅油具有优良的耐热、耐氧化、耐低温性，可在-50℃～+180℃温度范转内长期使用，同时还具有优异的电气特性，耐击穿电压高、耐电弧、耐电晕、介电耗小。因此5cSt的二甲基硅油可以保证高介电系数的同时，提供较低的运动粘度，便于介电驱动袋内介电液体的流动，减小能量传递损耗，进而形成液压转换。
柔性关节铰链1-1选用低刚性高韧性的弹性薄膜，本实施例中具体选用薄质硅胶薄膜(厚度为0.5mm～1mm)。硅胶薄膜厚度过厚会影响关节的弯折效果，造成不必要的能量损耗。厚度过薄会降低关节的寿命和耐久性。柔性关节铰链1-1用于铰接相邻的两个关节板2-2从而形成关节。
如图5所示，伸直驱动机构3包括伸直电极片3-1和第二介电液驱动袋3-2。两个伸直电极片3-1与柔性支撑体2-1上对应的安装槽的两个侧壁分别粘接固定。第二介电液驱动袋3-2设置在两个伸直电极片3-1之间。当两个伸直电极片3-1分别与直流电源正、负极分别连接时，两块伸直电极片3-1分别吸引，带动安装槽的两个侧壁闭合，进而带动夹持指主体2上对应的弯曲关节位置伸直。
伸直电极片3-1的材质为铜，能够为伸直驱动机构3提供一定的支撑。第二介电液驱动袋3-2内填充有介电液体。第二介电液驱动袋3-2与伸直电极片3-1的相对侧面分别粘接固定，以保证介电液体3-2不在运动过程中脱落，无法持续增大静电力，影响回复效果，保障了夹持指回复运动的精度和效率，使夹持指可以更有效率地应用于夹持工作。
初始状态下，夹持指主体2处于伸直状态；通过向内侧电极组1-2和外侧电极组1-4通入不同的电压信号，使得夹持指主体2变化为三个不同的弯曲状态；三种弯曲状态如图4所示；
工作过程中，三个内侧电极片均接地；当位于中间的外侧电极片接入正电压，位于两端的外侧电极片均不接正电压(8000V～10000V)时，夹持指主体2的两个弯曲关节位置均发生弯曲，夹持指主体2变形为驱动状态二；当位于中间的外侧电极片和其中一个端部的外侧电极片均接入正电压，另一个端部的外侧电极片不接正电压时，夹持指主体2上未接入正电压的外侧电极片对应的弯曲关节位置发生弯曲，夹持指主体2变形为驱动状态一或三。
当外侧电极片通正高压电时，在静电力的作用下，外侧电极片与对应的内侧电极片相互吸合，挤压第一介电液驱动袋1-3内的介电液体。根据库伦定律：
其中，F为静电力，ε为介电液体的介电系数，S为内侧电极片与外侧电极片相互正对部分的面积，U为输入电压，d为内侧电极片与外侧电极片之间的距离。
可知F∝ε，在两电极组之间高介电常数和高击穿强度的介电液体可以进一步增大静电力，介电液体能极大程度地放大静电力。由
当位于端部的外侧电极片通入电压时，外侧电极片与内侧电压在第一介电液驱动袋1-3边缘的距离最近，所受静电力最大率先吸合，而后电极在电场力作用下互相靠近，形成拉链式压缩直至两片电极完全吸合。
由于介电泳液体压缩现象静电力转换为介电液体的液压力，液压力压迫第一介电液驱动袋1-3袋壁，进而形成弯曲。位于端部的外侧电极片略长于位于端部的内侧电极片。当一端内外侧电极片和位于中间的内外侧电极片通电吸合时，吸合的一端外侧电极片可以做到与相对应一端内侧电极片完全吸合的同时与一部分位于中间的内侧电极片相互吸合，从而达到锁定吸合一侧关节的效果，确保锁定关节不发生转动；另一端的关节可以保证有效且稳定的弯曲运动，同时端部外侧电极片较长的电极可以消除弯曲关节处第一介电液驱动袋1-3受液压区域袋壁的弹性，减小能量流失和损耗，进而提高静电力向液压力能量转换效率。
本发明的工作原理如下：将夹持指主体2由外端向内端分为三个关节段，分别为第一关节段、第二关节段和第三关节段。
驱动状态一(第一关节段与第二关节段之间发生弯曲)：内侧电极组接地，位于第三关节段的外侧电极片和位于中间的外侧电极片接通直流高压电(约8000V)，此时静电力挤压介电驱动袋1-4内的介电液体向第一关节段与第二关节段之间关节方向移动。第三关节段外侧电极片与第三关节段内侧电极片以及部分位于中间的内侧电极片相吸合，以达到静电锁定第二关节段与第三关节段之间关节，确保关节不产生转动；由于介电泳液体压缩现象介电驱动袋内的介电液体聚集在第一关节段与第二关节段之间关节处，内外侧电极组产生的静电力转化为液体压力，最终作用在关节上从而产生弯曲，形成第一关节段与第二关节段之间关节的弯曲运动。
驱动状态二(第一关节段与第二关节段、第二关节段与第三关节段之间发生弯曲)：上内侧电极组中间电极通直流高压电(约8000V)，此时在静电力的驱使下介电驱动袋1-4内的介电液体向两侧移动。由于介电泳液体压缩现象介电驱动袋1-4内的介电液体聚集在两侧关节处，上下电极组产生的静电力转化为液体压力，最终作用在两侧关节弯折点上，最终形成第一关节与第二关节的弯曲运动。
驱动状态三(第二关节段与第三关节段之间发生弯曲)：内侧电极组接地，位于第一关节段的外侧电极片和位于中间的外侧电极片接通直流高压电(约8000V)，此时静电力挤压介电驱动袋1-4内的介电液体向第二关节段与第三关节段之间关节方向移动。第一关节段外侧电极片与第一关节段内侧电极片以及部分位于中间的内侧电极片相吸合，以达到静电锁定第一关节段与第二关节段之间关节，确保关节不产生转动；由于介电泳液体压缩现象介电驱动袋内的介电液体聚集在第二关节段与第三关节段之间关节处，内外侧电极组产生的静电力转化为液体压力，最终作用在关节上从而产生弯曲，形成第二关节段与第三关节段之间关节的弯曲运动。
此外，根据库伦定律可知F∝U2，可以通过改变施加电压大小进而改变静电力大小，从而改变介电驱动袋1-4内液压力的大小，进一步控制关节的转动角度。
通过多个本实施例提供的基于静电驱动的多关节柔性夹持指配合即可形成软体手爪，用以抓取各类物体。
Claims (10)
1.一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：包括弯曲驱动机构(1)、夹持指主体(2)和伸直驱动机构(3)；所述的夹持指主体(2)包括柔性支撑体(2-1)和关节板(2-2)；三块关节板(2-2)均固定在柔性支撑体(2-1)的内侧，且沿着柔性支撑体(2-1)的长度方向依次间隔排列；相邻的两块关节板(2-2)的连接处形成夹持指主体(2)的弯曲关节位置；柔性支撑体(2-1)的外侧设置有与两个弯曲关节位置分别对齐的两个安装槽；
所述的弯曲驱动机构(1)包括由内至外依次层叠并固定的柔性关节铰链(1-1)、内侧电极组(1-2)、第一介电液驱动袋(1-3)和外侧电极组(1-4)；相邻两块关节板(2-2)之间通过柔性关节铰链(1-1)连接；内侧电极组(1-2)包括三块内侧电极片；三块内侧电极片与三块关节板(2-2)分别固定；三块关节板(2-2)均与第一介电液驱动袋(1-3)内侧固定；
所述的外侧电极组(1-4)包括三块外侧电极片；三块外侧电极片均与第一介电液驱动袋(1-3)的外侧面固定；三块外侧电极片沿着夹持指主体(2)依次排列；位于中间的外侧电极片与位于中间的内侧电极片对齐；位于两端的外侧电极片与两个弯曲关节位置分别对齐；向相互对应的内侧电极片与外侧电极片之间施加电压时，相互对应的内侧电极片与外侧电极片吸合；
所述的伸直驱动机构(3)包括伸直电极片(3-1)和第二介电液驱动袋(3-2)；两个伸直电极片(3-1)与柔性支撑体(2-1)上对应的安装槽的两个侧壁分别粘接固定；第二介电液驱动袋(3-2)设置在两个伸直电极片(3-1)之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：所述的夹持指主体(2)的外端固定有夹持垫(2-3)；夹持垫(2-3)的外侧面设置有防滑条纹。
3.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：所述的柔性支撑体(2-1)包括条形囊体(2-4)和堵塞颗粒(2-5)；条形囊体(2-4)内部填充有堵塞颗粒(2-5)；条形囊体(2-4)上设置有连接负压发生装置的抽气口。
4.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：所述的外侧电极片和内侧电极片均采用平纹导电布。
5.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：三块外侧电极片沿着夹持指主体(2)依次间隔排列；相邻两块内侧电极片之间的连接处与对应的弯曲关节位置对齐。
6.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：所述的介电驱动袋(1-4)的材质为PET。
7.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：所述的柔性关节铰链(1-1)采用弹性薄膜；柔性关节铰链(1-1)的厚度0.5mm～1mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：所述的第一介电液驱动袋(1-3)和第二介电液驱动袋(3-2)内均填充有介电液体；所述的介电液体采用二甲基硅油。
9.根据权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指，其特征在于：三片内侧电极片与三片外侧电极片分别对应，组成三个电极对；三个电极对与高压发生器通过继电器连接，能够独立控制；高压发生器的输出电压8000V～10000V。
10.如权利要求1所述的一种基于静电驱动的多关节柔性夹持指的驱动方法，其特征在于：当需要控制夹持指主体(2)的两个弯曲关节位置同时弯曲，三个内侧电极片均接地，位于中间的外侧电极片接入正电压，位于两端的外侧电极片均不接正电压时，第一介电液驱动袋(1-3)的中部被挤压，介电液体被推向第一介电液驱动袋(1-3)的两端，带动夹持指主体(2)的两个弯曲关节位置弯曲；
当需要控制夹持指主体(2)的其中一个弯曲关节位置同时弯曲，三个内侧电极片均接地，位于中间和其中一个端部的外侧电极片接入正电压，另一端的外侧电极片不接正电压时，第一介电液驱动袋(1-3)的中部和其中一端被挤压；不接正电压的外侧电极片与需要弯曲的弯曲关节位置对应；介电液体被推向第一介电液驱动袋(1-3)内未接正电压的外侧电极片所在的端部，带动夹持指主体(2)的弯曲关节位置弯曲。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |