CN216185962U - 一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，属于软体机器人及软体驱动技术领域，包括外壳、收纳筒、介电弹性体驱动器、弹性鱼尾和电气单元；所述收纳筒设置于所述外壳；所述介电弹性体驱动器设置于所述收纳筒内，所述介电弹性体驱动器的一端设有控制带，所述控制带连接于所述弹性鱼尾的尾端两侧以控制鱼尾左右摆动；所述电气单元设置于所述外壳内并连接于所述介电弹性体驱动器。本实用新型通过控制器周期性地调节输出电压，控制介电弹性体驱动器驱动鱼尾进行周期性摆动，从而模仿鱼类游动的方式在水中游动。

Description

一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人

技术领域

本实用新型属于软体机器人及软体驱动技术领域，更具体地，涉及一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人。

背景技术

近年来，随着机器人水下作业需求的提升，水下机器人逐渐成为一个热点方向并引起了许多团队关注。这些水下机器人具有广泛的应用，包括海底油气勘探，海洋生物生态研究以及军事方面的应用等。但是，现有的螺旋桨式水下机器人在运动时会突然产生推力，而且在螺旋桨附近会产生涡流，这些不足会使水下机器人的运动控制变得困难。

水生动物作为天生的游泳者，其结构往往更能适应水下多变的环境。一些鱼类通过尾部的摆动来产生推力，推动身体向前游泳，并且产生的尾流比目前的螺旋桨式水下机器人更少。同时，近年来对软体机器人的研究，为水下机器人模仿鱼类游泳模式提供了新的设计思路。利用软体材料制作本体的好处之一是可以使机器人的结构更加简单，不需要使用传统方法中会带来摩擦与损耗的齿轮、轴承、连杆等机械部件。而且软体材料拥有无限自由度，使软体机器人可以更好地实现生物体运动过程中的连续变形。在驱动器方面，软体机器人一般采用的驱动器包括记忆合金驱动器、介电弹性体驱动器等，其中记忆合金形状仅受温度影响，在水下由于水的导热性与高比热容的特点，记忆合金驱动器的温度不易控制且能量转换效率低。相反，介电弹性体驱动器几乎不受温度影响，具有能量效率高、结构简单等一系列优点，能够更好地实现水下机器人在执行任务时的伪装。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，该机器人能够在水下模拟鱼类依靠尾部摆动产生推力的游泳方式，在实现高操作性能的同时具有环境友好、高伪装的优点，从而更好地适应各种水下任务。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，包括外壳、收纳筒、介电弹性体驱动器、弹性鱼尾和电气单元；

所述收纳筒设置于所述外壳；

所述介电弹性体驱动器设置于所述收纳筒内，所述介电弹性体驱动器的一端设有控制带，所述控制带连接于所述弹性鱼尾的尾端两侧以控制鱼尾左右摆动；

所述电气单元设置于所述外壳内并连接于所述介电弹性体驱动器。

优选地，所述收纳筒包括中心圆柱体、第一螺旋槽壁、第二螺旋槽壁、圆形板和筒壁；

所述圆形板和筒壁合围形成收纳筒壁，所述中心圆柱体设置于所述收纳筒筒心；所述第一螺旋槽壁和所述第二螺旋槽壁均为螺旋状结构，且其一端均与所述中心圆柱体相连接，另一端延伸至收纳筒外；

所述第一螺旋槽壁与所述第二螺旋槽壁相对设置形成用于放置所述介电弹性体驱动器的第一存储槽和第二存储槽。

优选地，所述第一存储槽和所述第二存储槽的表面涂有聚四氟乙烯。

优选地，所述收纳筒还包括收纳筒上盖，所述收纳筒上盖设有均匀分布有多个圆孔，所述收纳筒上盖通过所述圆孔固定于所述收纳筒的筒身上。

优选地，所述介电弹性体驱动器分别设置于所述第一存储槽和所述第二存储槽内；所述介电弹性体驱动器为长条状结构，且其表面等间距设有多个电极区域，在所述介电弹性体驱动器的上下表面各引出一条导线，所述导线将所述多个电极区域并联接入所述电气单元。

优选地，所述介电弹性体驱动器设有两条，分别沿所述第一存储槽和第二存储槽槽道内盘绕；所述介电弹性体驱动器的一端固定在所述中心圆柱体上，另一端从槽道末端的引导槽导出，并分别与所述控制带相连。

优选地，所述介电弹性体驱动器由VHB4910材料膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成。

优选地，所述外壳为流线型结构，其内部设有空腔，所述电气单元设置于所述空腔内。

优选地，所述电气单元包括电源、升压模块和控制模块，所述电源电连接于所述升压模块，所述控制模块电连接于所述升压模块，所述升压模块电连接于所述介电弹性体驱动器。

优选地，所述弹性鱼尾包括身体-鱼尾硅基板衬底、第一身体硅基板和第二身体硅基板；所述第一身体硅基板和所述第二身体硅基板分别粘贴在所述身体-鱼尾硅基板衬底的两侧。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本实用新型提出的基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人通过控制介电弹性体驱动器驱动鱼尾进行周期性摆动，能够产生较少的尾流，从而更高效地在水中游动，使自身更易在复杂多变的水下环境中稳定下来。并且结构简单，可以无噪声地在水下推进，具有环境友好的优点。

2、本实用新型提出的基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人中介电弹性体收纳筒通过螺旋收纳槽的设计，可以在更小的体积内容纳尽可能长的介电弹性体驱动器，实现更大的拉伸。

3、本实用新型提出的基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人中介电弹性体驱动器伸缩的瞬时拉伸效果可以模仿鱼类应急时鱼尾迅速摆动快速应激的动作，而通过逐渐改变电压强度可以实现鱼类缓慢摆动鱼尾产生推力的效果，使游动更稳定。

附图说明

图1是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人的结构示意图；

图2是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人收纳筒的结构示意图；

图3是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人收纳筒上盖的结构示意图；

图4是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人外壳的结构示意图；

图5是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人介电弹性体驱动器的结构示意图；

图6是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人弹性鱼尾的结构示意图；

图7是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人运动周期过程中的状态示意图；

图8是本实用新型基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人外壳中电气单元的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：201-中心圆柱体；202-第一螺旋槽壁；203-第二螺旋槽壁；204-圆形板；205-第一存储槽；206-第二存储槽；207-第一小孔；208-第二小孔；209-小孔；210-筒壁；301-圆孔；501-电极区域；502-非电极区域；503-导线；504-控制带；601-弹性鱼尾；602-身体-鱼尾硅基板衬底；603-第一身体硅基板；604-第二身体硅基板；801-电源；802-升压模块；803-控制模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

受鱼类摆尾推动机制的启发，本实用新型提出一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其运动设计原理为：鱼类是自然界天生的高效游泳者，具有很高的机动性。其中以金枪鱼为代表的鱼类主要是依靠尾部的摆动来推动身体前行。它们通过尾部的摆动在尾巴表面产生压力差，依靠这种压力差来实现前进。通过不断地缓慢摆动尾部，鱼类得以实现缓慢而稳定的游动状态。

如图1-图8所示，本实用新型包括一个用于固定和引导介电弹性体驱动器的收纳筒，一个用于固定收纳筒、电源801、升压模块802和控制模块803的外壳，两片介电弹性体驱动器，以及一条由控制带504控制的弹性鱼尾。

具体的，所述收纳筒包括筒身和上盖两部分。在圆筒轴线处有一个与圆筒件共轴线的中心圆柱体201，从所述中心圆柱体201过轴线对称的两端引出两条槽壁，这两条槽壁绕中心圆柱体反向等间距螺旋，形成两个绕中心圆柱体交叉螺旋的槽道，用于容纳并引导介电弹性体驱动器。在螺旋槽道末端沿圆筒直径方向上各伸出有一段引导槽，这两段引导槽沿圆筒切线方向向外延伸，用于导出介电弹性体驱动器。在两端向外延伸的引导槽的槽壁上各留有两个圆孔，用于导出导线。在整体槽壁上涂有聚四氟乙烯材料，用于减小内壁与介电弹性体驱动器之间的摩擦力。在圆筒上盖和筒身的筒壁上对应留有四个均匀分布的圆孔，用于将上盖与筒身固定。

更进一步的说明，所述外壳呈鱼头-鱼身形状，设计成流线型机身以减小游动过程中的阻力。外壳内有一个空腔，用于容纳包括电源、升压模块和控制模块在内的电气单元。

更进一步的说明，介电弹性体驱动器包括两个部分：介电弹性体薄膜和分别设置于介电弹性体薄膜上下两面的柔性电极。其形状为矩形长条状，如图5所示，电极图案为图中的黑色矩形区域，相邻矩形区域间由绝缘间隙隔开。在介电弹性体驱动器上下表面的电极上施加电压后，介电弹性体薄膜会变长，将电压撤销并消除电极极性后，介电弹性体薄膜会恢复原长。介电弹性体驱动器沿着槽道在收纳槽中盘绕，短边的一端固定在圆筒中心处的圆柱体上，另一端从槽道末端的引导槽导出，并分别与控制鱼尾左右摆动的两条控制带相连。两条导线同驱动器在槽道中盘绕，并从末端引导槽槽壁上的小孔导出，用于连接介电弹性体驱动器与电源。

更进一步的说明，弹性鱼尾由一块身体-鱼尾衬底和两块身体板组成。两块身体板分别粘在衬底身体部分的两边，使弹性鱼尾纵向弯曲的刚度在机体部分较高、在尾部较低，从而更接近生物鱼尾。弹性鱼尾整体形状似马鲛鱼鱼尾。

更进一步的说明，所述电气单元包括电源、升压模块和控制模块。具体的，升压模块包括升压器及对应的升压电路，其中升压器用于将电源电压升高到驱动介电弹性体驱动器所需电压。升压模块受控制模块控制，根据需要间断地为介电弹性体驱动器提供电压。升压模块通过导线与介电弹性体驱动器相连，为驱动器提供电压。控制模块由可编程单片机与配套电路组成，通过编写程序控制升压模块周期性地为两片介电弹性体驱动器提供电压，从而控制鱼尾的摆动。

本实用新型中介电弹性体驱动器控制鱼尾摆动的过程主要分为以下四个状态，初始状态下两条介电弹性体驱动器均处于高电压状态，此时介电弹性体驱动器伸长，鱼尾处于放松状态，如图7状态1所示。当撤销一条介电弹性体驱动器上的电压，将对应电极上的电荷中和后，该驱动器会快速收缩，拉动连接在末端的控制带，牵引鱼尾向一端摆动，如图7中状态2所示。随后对该驱动器供电，恢复其高电压状态，使鱼尾再次回到中间状态，如图7状态3所示。然后撤销另一条介电弹性体驱动器上的电压，将对应电极上的电荷中和，使该驱动器收缩，拉动相应控制带牵引鱼尾向另一端摆动，如图7状态4所示。随后再次恢复供电，使鱼尾回到中间状态，完成一个周期的摆动。通过重复上述过程使机器人可以模仿鱼类游动的方式向前游动。

下面通过具体实施例来进一步说明本实用新型的技术方案。

本实用新型中聚乳酸介电弹性体收纳筒筒身如图2所示，由五部分组成：中心圆柱体201，第一螺旋槽壁202、第二螺旋槽壁203、相对较薄的圆形板204与筒壁210。其中所述第一螺旋槽壁202、所述第二螺旋槽壁203对应形成了介电弹性体第一存储槽205、介电弹性体第二存储槽206，用于容纳和引导介电弹性体驱动器。上述第一存储槽205、第二存储槽206呈螺旋状，其一端终止于所述中心圆柱体201，封闭在收纳筒中，另一端延出圆筒与外界连通。在第一存储槽205、第二存储槽206的表面上涂有聚四氟乙烯作为润滑层，用于减小内壁与介电弹性体驱动器之间的摩擦力。在第一存储槽205、第二存储槽206的封闭端分别开有第一小孔207、第二小孔208，用于导线的导出。在筒壁210的上表面沿环形方向均匀分布有四个小孔209，用于固定收纳筒上盖。具体地，聚乳酸介电弹性体收纳筒直径为35mm，高度为25mm，第一存储槽205、第二存储槽206宽度为2mm，第一小孔207、第二小孔208直径为0.3mm。

进一步地，聚乳酸收纳筒上盖如图3所示，上盖为一块聚乳酸圆形板，在上述圆形板外圈上均匀分布有四个圆孔301，用于将上盖固定在介电弹性体收纳筒筒身上。具体地，圆形板直径为35mm，厚度为2mm，圆孔301直径为0.3mm。

进一步地，所述外壳如图4所示，外壳仿鱼身设计成流线型，用于减小机器人游动时受到的阻力。外壳内部有一个空腔，用于存放电源和升压器。电源和升压器通过导线与介电弹性体驱动器上的电极相连。

进一步地，如图5所示，所述介电弹性体驱动器呈长条状，电极被等距地涂抹在介电弹性体薄膜上下两面，图中黑色部分为涂有电极的电极区域501，白色部分为未涂电极的非电极区域502。在介电弹性体驱动器上下表面各引出一条导线503，用于将所有电极区域501并联接入电源。等距结构的作用在于使各部分电极对薄膜施加的力互不影响，从而使介电弹性体驱动器能够更好地沿着存储槽伸缩和导出。在介电弹性体驱动器一端粘贴有矩形条状控制带504，用于控制鱼尾左右摆动。具体地，介电弹性体驱动器的宽度为22mm，长度为160mm，单个电极区域长度为10mm，单个绝缘间隙长度为2mm。

进一步地，如图6所示，所述弹性鱼尾601由一块身体-鱼尾硅基板衬底602和身体硅基板603、身体硅基板604组成，身体硅基板603、身体硅基板604分别粘在衬底602身体部分的两边，使弹性鱼尾纵向弯曲的刚度在机体部分较高、在尾部较低，从而更接近生物鱼尾。弹性鱼尾整体形状似马鲛鱼鱼尾。

进一步地，如图8所示，所述电气单元由电源801，升压模块802与控制模块803组成。

作为本实用新型的一个实施例，所述基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人的制作方法为：

采用3D打印的方式来制作外壳、介电弹性体收纳筒筒身和收纳筒上盖，通过手工方式制作介电弹性体驱动器和弹性鱼尾，其制作过程分为四个部分：第一部分是外壳、介电弹性体收纳筒和收纳筒上盖的制作，第二部分是介电弹性体驱动器的制作，第三部分是鱼尾的制作，第四部分是整体组装。

第一个部分的制作包括两个步骤：1)利用软件设计模型；2)打印零件。

第二个部分的制作包括两个步骤：1)制作单片介电弹性体；2)将两片介电弹性体粘合成一片介电弹性体驱动器。

第三个部分的制作包括两个步骤：1)制作弹性鱼尾与控制条；2)固定控制条。

第四个部分的制作包括三个步骤：1)将介电弹性体驱动器引入存储槽；2)组装机械部分；3)连接介电弹性体驱动器与电气单元。

具体地，第一部分外壳、介电弹性体收纳筒和收纳筒上盖的制作过程如下：

第一步，制作外壳，收纳筒筒身与收纳筒上盖3D打印件，首先利用软件SOLIDWORKS设计外壳、收纳筒筒身与收纳筒上盖的3D模型图；然后利用3D打印机将设计的模型打印出来，其中，可以选用启庞fdm(熔融沉积成型)3D打印机进行制作，选用聚乳酸作为打印材料。

第二步，采用分散体涂层加工方法，在收纳筒的第一存储槽、第二存储槽中涂一层聚四氟乙烯涂层。首先利用有机溶剂除去槽壁表面的全部油脂，并加热到400℃使其完全挥发；下一步对收纳槽喷涂涂层材料；然后将其放入烘炉中加热涂层，使其中大部分溶剂蒸发；最后进行高温烧结，使涂层在槽壁表面上形成稳定结构。

具体地，第二部分介电弹性体驱动器的制作过程如下：

首先，将1mm VHB 4910(3M)薄膜剪为合适大小，然后对其进行预拉伸处理，在预拉伸后的薄膜上描绘出矩形轮廓，并在轮廓内按如图5所示的黑色部分的图案，将碳粉涂在薄膜两面对应位置，形成柔性碳基电极。分别用粘合剂将导线粘合在介电弹性体薄膜上下表面上，再沿着矩形轮廓将薄膜裁剪下来。将两条上述矩形介电弹性体贴合在一起，从而得到一条介电弹性体驱动器，其中高电压电极所在表面为粘合面。在两层膜粘合处利用超级胶水密封，从而防止其在水下短路。按上述方法制作两条介电弹性体驱动器。

具体地，第三部分弹性鱼尾的制作过程如下：

取硅基板将其按设计尺寸切割成如图6所示的一块身体-鱼尾板和身体板、身体板，并将身体板、身体板粘在身体-鱼尾板身体部分的两侧。

具体地，第四部分整体组装的过程如下：

第一步，利用线牵引的方式将介电弹性体驱动器穿入第一存储槽、第二存储槽中，并将一端用粘合剂固定在筒身的中心圆柱体上，将导线分别从第一小孔、第二小孔穿出。

第二步，将弹性鱼尾利用粘合剂固定在收纳筒上，并将两条介电弹性体驱动器另一端的控制带利用粘合剂分别固定在弹性鱼尾尾巴部分对称的两侧。

第三步，将外壳用超级胶水固定在收纳筒上，利用上盖的四个圆孔与粘合剂将收纳筒上盖固定在收纳筒筒身上。

第四步，将电源、升压器与控制模块放入外壳内部的空腔中并利用导线连接控制模块与电源，并将介电弹性体驱动器的内部电极通过导线连接到电源与升压器的高压端。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，包括外壳、收纳筒、介电弹性体驱动器、弹性鱼尾和电气单元；

所述收纳筒设置于所述外壳；

所述介电弹性体驱动器设置于所述收纳筒内，所述介电弹性体驱动器的一端设有控制带，所述控制带连接于所述弹性鱼尾的尾端两侧以控制鱼尾左右摆动；

所述电气单元设置于所述外壳内并连接于所述介电弹性体驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述收纳筒包括中心圆柱体(201)、第一螺旋槽壁(202)、第二螺旋槽壁(203)、圆形板(204)和筒壁(210)；

所述圆形板(204)和筒壁(210)合围形成收纳筒壁，所述中心圆柱体(201)设置于所述收纳筒筒心；所述第一螺旋槽壁(202)和所述第二螺旋槽壁(203)均为螺旋状结构，且其一端均与所述中心圆柱体(201)相连接，另一端延伸至收纳筒外；

所述第一螺旋槽壁(202)与所述第二螺旋槽壁(203)相对设置形成用于放置所述介电弹性体驱动器的第一存储槽(205)和第二存储槽(206)。

3.根据权利要求2所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述第一存储槽(205)和所述第二存储槽(206)的表面涂有聚四氟乙烯。

4.根据权利要求2所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述收纳筒还包括收纳筒上盖，所述收纳筒上盖设有均匀分布有多个圆孔(301)，所述收纳筒上盖通过所述圆孔(301)固定于所述收纳筒的筒身上。

5.根据权利要求2所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述介电弹性体驱动器分别设置于所述第一存储槽(205)和所述第二存储槽(206)内；所述介电弹性体驱动器为长条状结构，且其表面等间距设有多个电极区域(501)，在所述介电弹性体驱动器的上下表面各引出一条导线(503)，所述导线(503)将所述多个电极区域(501)并联接入所述电气单元。

6.根据权利要求5所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述介电弹性体驱动器设有两条，分别沿所述第一存储槽(205)和第二存储槽(206)槽道内盘绕；所述介电弹性体驱动器的一端固定在所述中心圆柱体(201)上，另一端从槽道末端的引导槽导出，并分别与所述控制带相连。

7.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述外壳为流线型结构，其内部设有空腔，所述电气单元设置于所述空腔内。

8.根据权利要求7所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述电气单元包括电源(801)、升压模块(802)和控制模块(803)，所述电源(801)电连接于所述升压模块(802)，所述控制模块(803)电连接于所述升压模块(802)，所述升压模块(802)电连接于所述介电弹性体驱动器。

9.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体伸缩驱动器的鱼仿生游泳机器人，其特征在于，所述弹性鱼尾(601)包括身体-鱼尾硅基板衬底(602)、第一身体硅基板(603)和第二身体硅基板(604)；所述第一身体硅基板(603)和所述第二身体硅基板(604)分别粘贴在所述身体-鱼尾硅基板衬底(602)的两侧。

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