CN117262174A - 一种基于hasel的软体驱动结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于HASEL的软体驱动结构。本发明的软体驱动结构包括伞体、驱动模块和回复组件。伞体由硅胶组成，内部分割为多个骨架与多关节。驱动模块为HASEL柔性驱动器，包括双向拉伸聚丙烯薄膜、石墨烯涂层、绝缘油液和高压电源。该软体驱动结构采用水母式游动方式时，通过伞体的周期性收缩与舒张改变内腔体积进行游动，具有噪声小、结构简单、质量轻、易于控制等特点。该软体驱动结构采用软体硅胶结构与柔性驱动，易于制作、成本低廉。同时，硅胶可与柔性机器人皮肤相结合，实现水下的柔性传感与控制。此外，该软体驱动结构采用HASEL进行驱动，可以通过改变电压频率实现较高的运动速率。
Description
技术领域
本发明涉及智能材料和结构领域的一种软体驱动器，具体涉及了一种通过液压放大自愈式静电致动器(HASEL)驱动伞体进行收缩舒张运动的仿生软体驱动结构。
背景技术
海洋关系到人类的生存和发展，伴随着人类认识和开发海洋资源过程中，水下机器人技术不断发展并成为不可或缺的一部分。然而，传统的水下机器人螺旋桨的噪声对水下海洋生物的影响较大且容易被水下监听设备发现。
由于刚性结构难以适应复杂的水体环境，如无法抵抗深海超高压，而软体驱动结构具有柔顺性好、自适应性强、灵活性高等特点，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全，然而目前软体机器人存在驱动力小、动作慢等问题。
液压放大自愈式静电致动器(HASEL)作为人体“肌肉”近年来被人类提出，HASEL致动器不需要外置容器来容纳液体，可以直接使用袋子内的变压器油，这意味着它的反应速度将远超其他的软致动器；然而目前，HASEL致动器作为软体驱动结构应用于水下软体机器人之中的案例相对较少。
发明内容
本发明的目的在于针对现有水下机器人噪声较大，刚性机器人结构复杂、质量大，软体机器人驱动力小、动作慢等问题，提供一种新颖的软体驱动结构，具有噪声小、结构简单、质量轻、易于控制等特点，可用于制备水下软体仿生机器人，如水母、海星等。适用于海洋监测、水下侦查、管道探测等多个领域。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
本发明包括伞体、回复组件和多个驱动模块；伞体的内顶面安装有回复组件，伞体的内侧面沿周向间隔安装有多个驱动模块；驱动模块的驱动，使得伞体收缩以及伞体内回复组件产生形变，驱动模块断电后，形变的回复组件通过自身弹力打开收缩的伞体。
所述驱动模块包括外接导线、导电连接片和多个关节组件，多个关节组件从下到上依次设置在伞体的内侧面上，多个关节组件依次通过对应导电连接片相连后形成多关节弯曲件，多关节弯曲件两端的关节组件分别固定安装在伞体的内侧面上，外接导线与其中一个关节组件电连接；每个关节组件包括第一电极层、第二电极层和弧状变形块，第一电极层固定安装在伞体的内侧面，弧状变形块的第一侧面固定安装在第一电极层上，第二电极层贴附在弧状变形块中靠近第一侧面的弧形侧面上，第一电极层和第二电极层分别与电源正负极连通，弧状变形块的第二侧面可活动地贴附在伞体的内侧面，相邻两个关节组件之间的第一电极层、第二电极层和弧状变形块通过导电连接片连接。
所述导电连接片包括导电铜箔和双向拉伸聚丙烯薄膜片，双向拉伸聚丙烯薄膜片用于连接相邻两个关节组件的弧状变形块；导电铜箔用于连接相邻两个关节组件对应的第一电极层以及对应的第二电极层。
所述弧状变形块为填充有绝缘油液的弧形双向拉伸块。
所述弧形双向拉伸块和双向拉伸聚丙烯薄膜片的材料均为双向拉伸聚丙烯薄膜。
所述第一电极层和第二电极层中包含石墨烯涂层。
所述回复组件由多个交叉布置的弹簧组成，每个弹簧的两端均与在伞体内顶面固定连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述驱动模块，两层双向拉伸聚丙烯薄膜以合适的形状贴于伞体内侧，对应于伞体硅胶关节处的薄膜区域内注入绝缘油液并进行热封，在含油液区域的两层薄膜的同侧均涂抹石墨烯涂层，顶部的石墨烯涂层引出导线与高压电源连接，后续的石墨烯涂层通过导电铜箔完成互连；
2.采用水母式游动方式时，高压电驱动绝缘油液挤压双向拉伸聚丙烯薄膜，石墨烯涂层因此靠近，双向拉伸聚丙烯薄膜的形状变化带动伞体关节的弯曲，伞体内腔体积缩小，促使液体从伞体下端喷出，实现内腔的喷水过程，为柔性软体驱动结构提供向前运动的动力；断开高压电源，驱动力消失，借助回复组件弹簧的回弹力将伞体撑开，使内腔体积增大，促使液体从伞体下端进入腔体的内部，实现内腔的吸水过程。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用HASEL执行器进行驱动，通过控制频率可实现软体结构高频动作。
2.本发明设计的软体驱动结构本体采用硅胶材料，质量轻、体积小、结构简单，避免了对水下遗迹的破坏。
3.本发明采用柔性驱动的方式，能进行更顺滑的运动，环境适应性强，同时具有噪声小、易于控制等特点，可以通过对某一HASEL驱动器通断电实现转向功能，可用于水下软体机器人，如水母、海星，也避免了对海洋生物进行惊扰。
4.本发明采用软体本体与柔性驱动的模式为后续柔性感知与自愈式功能提供了条件。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的正面剖视图。
图3为本发明的伞体结构示意图。
图4为本发明的伞体结构的剖视图。
图5为本发明的HASEL驱动器示意图。
图6为本发明的单个HASEL驱动原理图。
图7为本发明的回复组件弹簧示意图。
图中：伞体1，驱动模块2，回复组件3，外接导线4，石墨烯涂层5，绝缘油液6，导电铜箔7，双向拉伸聚丙烯薄膜8。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图对本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其原理进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明包括伞体1、回复组件3和多个驱动模块2；伞体1的内顶面安装有回复组件3，伞体1的内侧面沿周向间隔安装有多个驱动模块2；驱动模块2的驱动，使得伞体1收缩以及伞体1内回复组件3产生形变，驱动模块2断电后，形变的回复组件3通过自身弹力打开收缩的伞体1。
如图3和图4所示，伞体1由柔性材料制备而成，如硅胶。其内部中空并且底部呈开口状，伞体1的内侧面沿周向等间隔地开设四个骨架槽，每个骨架槽内嵌装有对应的驱动模块2的多个石墨烯涂层5。
如图5所示，多个驱动模块2结构相同，每个驱动模块2包括外接导线4、导电连接片和3个关节组件，多个关节组件从下到上依次设置在伞体1的内侧面上，3个关节组件依次通过对应导电连接片相连后形成多关节弯曲件，导线可穿过软体驱动结构顶部给驱动模块供电；多关节弯曲件两端的关节组件的第二电极层分别固定安装在伞体1的内侧面上，外接导线4与第一个关节组件电连接；每个关节组件包括第一电极层、第二电极层和弧状变形块，第一电极层固定安装在伞体1的内侧面对应的骨架槽壁，弧状变形块的第一侧面固定安装在第一电极层上，第二电极层可活动地或固定地贴附在弧状变形块中靠近第一侧面的弧形侧面上，其中多关节弯曲件两端的关节组件中，第二电极层固定地贴附在弧状变形块中靠近第一侧面的弧形侧面上，多关节弯曲件中间的关节组件中，第二电极层可活动地贴附在弧状变形块中靠近第一侧面的弧形侧面上，第一电极层和第二电极层分别与电源正负极连通，弧状变形块的第二侧面可活动地贴附在伞体1的内侧面，相邻两个关节组件之间的第一电极层、第二电极层和弧状变形块通过导电连接片连接。第一电极层和第二电极层中包含石墨烯涂层5。具体实施中，两层双向拉伸聚丙烯薄膜以合适的形状贴于伞体内侧，对应于伞体硅胶关节处的薄膜区域内注入绝缘油液并进行热封，在含油液区域的两层薄膜的同侧均涂抹石墨烯涂层，从而形成第一电极层和第二电极层。具体实施中，驱动前后，关节组件另一侧的平面大概翘起20-30°的角度。因此3个驱动单元便可以实现整个伞体收缩的效果。
导电连接片包括导电铜箔7和双向拉伸聚丙烯薄膜片，双向拉伸聚丙烯薄膜片用于连接相邻两个关节组件的弧状变形块，具体是双向拉伸聚丙烯薄膜片与相邻两个关节组件的弧状变形块的第二侧面固接，固接点是由第二侧面与弧型侧面热封产生；导电铜箔7用于连接相邻两个关节组件对应的第一电极层以及对应的第二电极层，导电铜箔7与双向拉伸聚丙烯薄膜片之间可相连或不相连。
弧状变形块为填充有绝缘油液6的弧形双向拉伸块。
弧形双向拉伸块和双向拉伸聚丙烯薄膜片的材料均为双向拉伸聚丙烯薄膜8。
如图7所示，回复组件3由多个交叉布置的弹簧组成，每个弹簧的两端均与伞体1内顶面固定连接。
如图6，驱动模块2的单个关节组件原理图，当千伏级高压电源9对石墨烯涂层5进行供电时，高压的柔性电极附近产生麦克斯韦应力，将绝缘油液6往关节处挤压，电极逐渐紧贴。弧状变形块由于受到挤压产生形变，右端鼓起，带动紧贴着的硅胶伞体1骨架弯曲。通过导电铜箔7，对电荷进行传递，使驱动模块2的三个关节组件处的伞体1同时产生形变，硅胶骨架的弯曲叠加导致整个伞体结构的收缩。
采用水母式游动方式时，软体驱动结构初始为撑开状态，对四个HASEL驱动器2同时通千伏级高压电时，四周排布的驱动模块2带动伞体1收缩，伞体内腔体积缩小，促使液体从伞体下端喷出，实现内腔的喷水过程，为软体驱动结构提供向前运动的动力。断开高压电源，驱动力消失，回复组件3的弹簧进行回弹，将伞体撑开，使内腔体积增大，促使液体从伞体下端进入腔体的内部，实现内腔的吸水过程。将高压电源的输出波形设定为矩形方波间歇输入，则软体驱动结构将会连续不断地运动。想要改变软体驱动结构的运动方向，则仅需对部分HASEL驱动器进行通电，带动部分伞体结构弯曲即可。
综上，本发明提供的一种基于HASEL的软体驱动结构，可用于制备水下软体仿生机器人，如水母、海星等，适用于海洋监测、水下侦查、管道探测等多个领域。该软体驱动结构包括伞体、驱动模块和回复组件。伞体由硅胶组成，内部分割为多节骨架与关节。驱动模块为HASEL柔性驱动器，包括双向拉伸聚丙烯薄膜、石墨烯涂层、绝缘油液和高压电源。该软体驱动结构采用水母式游动方式时，通过伞体的周期性收缩与舒张进行游动，具有噪声小、结构简单、质量轻、易于控制等特点。该软体驱动结构采用软体硅胶结构与柔性驱动，易于制作、成本低廉。同时，硅胶可与柔性机器人皮肤相结合，实现水下的柔性传感与控制。此外，该软体驱动结构采用HASEL进行驱动，可以通过改变电压频率实现较高的运动速率，并且可通过对部分HASEL执行器进行通电改变其运动方向。
最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。
Claims (7)
1.一种基于HASEL的软体驱动结构，其特征在于，包括伞体(1)、回复组件(3)和多个驱动模块(2)；伞体(1)的内顶面安装有回复组件(3)，伞体(1)的内侧面沿周向间隔安装有多个驱动模块(2)；驱动模块(2)的驱动，使得伞体(1)收缩以及伞体(1)内回复组件(3)产生形变，驱动模块(2)断电后，形变的回复组件(3)通过自身弹力打开收缩的伞体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于HASEL的软体驱动结构，其特征在于，所述驱动模块(2)包括外接导线(4)、导电连接片和多个关节组件，多个关节组件从下到上依次设置在伞体(1)的内侧面上，多个关节组件依次通过对应导电连接片相连后形成多关节弯曲件，多关节弯曲件两端的关节组件分别固定安装在伞体(1)的内侧面上，外接导线(4)与其中一个关节组件电连接；每个关节组件包括第一电极层、第二电极层和弧状变形块，第一电极层固定安装在伞体(1)的内侧面，弧状变形块的第一侧面固定安装在第一电极层上，第二电极层贴附在弧状变形块中靠近第一侧面的弧形侧面上，第一电极层和第二电极层分别与电源正负极连通，弧状变形块的第二侧面可活动地贴附在伞体(1)的内侧面，相邻两个关节组件之间的第一电极层、第二电极层和弧状变形块通过导电连接片连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于HASEL的软体驱动结构，其特征在于，所述导电连接片包括导电铜箔(7)和双向拉伸聚丙烯薄膜片，双向拉伸聚丙烯薄膜片用于连接相邻两个关节组件的弧状变形块；导电铜箔(7)用于连接相邻两个关节组件对应的第一电极层以及对应的第二电极层。
4.根据权利要求2所述的一种基于HASEL的软体驱动结构，其特征在于，所述弧状变形块为填充有绝缘油液(6)的弧形双向拉伸块。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于HASEL的软体驱动结构，其特征在于，所述弧形双向拉伸块和双向拉伸聚丙烯薄膜片的材料均为双向拉伸聚丙烯薄膜(8)。
6.根据权利要求2所述的一种基于HASEL的软体驱动结构，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层中包含石墨烯涂层(5)。
7.根据权利要求1所述的一种基于HASEL的软体驱动结构，其特征在于，所述回复组件(3)由多个交叉布置的弹簧组成，每个弹簧的两端均与在伞体(1)内顶面固定连接。
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