[发明专利]一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人

说明书

本发明公开一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人，包括介电弹性体谐振器与支撑构件两部分；介电弹性体谐振器的上下约束边框连接有上下表面铜箔电极，上下表面铜箔电极位于介电弹性体谐振器上相对的两侧；上下约束边框将介电弹性体基体材料夹持于其中；介电弹性体基体材料上有电连接上表面铜箔电极的上表面柔性电极，介电弹性体基体材料下表面有电连接下表面铜箔电极的下表面柔性电极；支撑构件上设置有凹槽，介电弹性体谐振器插入支撑构件的凹槽中，且能够自由滑动。本发明所提出的机器人设计整体结构及运动控制都极其简单，具有较高的运动速度及超轻的重量，在航空航天探索工程、军事侦察、工业检测等领域具有较大的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于轻质机器人技术领域，特别涉及一种超轻质机器人结构。

背景技术

轻小型机器人作为机器人领域的一个重要分支，因其体积只有几微米或者几十微米的特征尺度，被广泛应用于人体腔道的探测、药物输送、工业上狭窄环境的探测以及军事侦察等领域。轻小型机器人根据运动方式的不同，主要分为轮式轻小型机器人、仿尺蠖式轻小型机器人、足式轻小型机器人、惯性摩擦式轻小型机器人以及谐振式轻小型机器人等几种类型。按驱动方式分的话又可以分为气动、微机电驱动、智能材料驱动以及能量场驱动等。由于轻小型机器人尺寸较小，微机电系统制造及装配需要精密的机械加工配合，而气动以及能量场驱动通常需要外在气泵以及场发射装备等，这些沉重的外接设备在一定程度上限制了轻小型机器人的自由运动。谐振式轻小型机器人因其结构简单、运动分辨率高、运动速度快在众多轻小型机器人运动结构中独树一帜，但是传统的基于谐振机理的驱动器主要还是压电片、振动马达等，其驱动形式较为单一，主要是驱动器的线性振动引起机构运动，以此为基础开发的轻小型机器人运动形式也较为单一，机器人功能有限且传统的谐振式轻小型机器人均为刚性构件，生物亲和性较差。

近几年来，电活性聚合物智能材料—介电弹性体(Dielectric elastomer,DE)的出现，为制作结构简单、高效的轻小型运动机器人提供了一种全新设计思路。这种材料在外加电激励下可产生大变形，当激励撤除后，它又能恢复到原始的形状尺寸，因此又被称为“人工肌肉”、“软机械”。相对于传统智能材料，DE具有质量轻、运动灵活、能耗低、易于成形以及经受大变形而不易疲劳损伤等突出优点，从而使其迅速成为智能材料领域的一个研究热点，是一种极佳的谐振式驱动器材料。

发明内容

本发明的目的在于利用介电弹性体材料在动态电压加载下的谐振机理设计一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人，以解决现有的轻小型运动机器人结构复杂、制作工艺繁琐、控制难度大的缺点。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人，包括介电弹性体谐振器与支撑构件两部分；

介电弹性体谐振器包括介电弹性体基体材料、上下约束边框和上下柔性导电电极；

介电弹性体谐振器的上约束边框连接有上表面铜箔电极，下约束边框上连接有下表面铜箔电极，上表面铜箔电极和下表面铜箔电极位于介电弹性体谐振器上相对的两侧；上约束边框和下约束边框将介电弹性体基体材料夹持于其中；介电弹性体基体材料上表面印刷有电连接上表面铜箔电极的上表面柔性电极，介电弹性体基体材料下表面连接有电连接下表面铜箔电极的下表面柔性电极；

支撑构件上设置有凹槽，介电弹性体谐振器插入支撑构件的凹槽中，且能够自由滑动。

进一步的，支撑构件与地面接触的表面采用砂纸单方向打磨的方法处理成具有各向异性摩擦力的表面。

进一步的，所使用的介电弹性体基体材料为3M公司的VHB4910材料。

进一步的，介电弹性体基体材料在拉伸装置上进行等双轴4×4倍的机械预拉伸后夹持于上下约束边框之间。