基于介电弹性体最小能量结构的机械臂

1.本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及基于介电弹性体最小能量结构的机械臂。


背景技术：

2.现有的机械臂大多由刚性材料制作而成，采用电机或液压驱动，能够输出较大的载荷，代替人类在一些极端环境中工作，然而，刚性材料不可变性的特点限制了机械臂的环境适应能力，制约了其在狭小空间和崎岖环境中的行动能力，因此，迫切需要一种具有复杂环境适应能力的新型柔性机械臂。而介电弹性体材料具有驱动应变大、能量密度高、能量转换效率高、响应速度快等特点，更适合用于柔性机械臂的驱动。此外，近些年来，折纸结构凭借其良好的折叠特性和大折展比的特点而广受关注，将折纸技术用到机械臂的设计中可增加其对环境的适应性。
3.专利授权公告号为cn105856271b的中国发明专利公开了一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制作方法。该发明的机械臂不依赖于复杂的机械结构，展开主要依赖于形状记忆聚合物的形状记忆效应以及介电弹性体受电压自我拉伸的性质，密度小并且可以承受较大变形，可以在发射前进行压缩收纳，减小发射时占据的空间和有效载荷。上述机械臂的伸展依靠形状记忆聚合物和介电弹性体混合驱动，伸展量难以实现精确控制，并且驱动力较小。
4.参考论文“soft pneumatic actuator-driven origami-inspired modular robotic“pneumagami”.”，文章介绍了一种新的模块化机器人，用于实现具有紧凑外形的可重构、主动控制、高自由度(高自由度)系统，例如线性组装形成连续式机械臂。上述模块化机器人通过气动软袋驱动，气动辅助元件较多，结构较为复杂。
5.公开(公告)号为cn112959346a的中国发明专利公开了一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节。该发明的指节通过多层弯曲型介电弹性体驱动器驱动，具有多个自由度，灵活性好，响应速度快，折纸结构提高了指节的刚性及负载能力，介电弹性体材料自身固有的柔性结合折纸结构的折叠特性提高了指节的环境适应性。上述指节存在如下缺点：
①
驱动力小；
②
指节的弯曲角度难以控制；
③
指节压缩或弯曲时，相互连接的两个折纸单元的变形难以预估，可能会与驱动器干涉从而破坏指节的运动；
④
当指节长度改变时，多层弯曲型介电弹性体驱动器也需要设计得更长，通用性差。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种多自由度、灵活性好、响应快、环境适应性强，且驱动力更大的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂。
7.本发明提供以下的技术方案：一种基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，所述机械臂包括串联在一起的多个刚性折纸机构，所述刚性折纸机构整体呈柱体形状，包括分别设于所述柱体两端的两个支架体和围绕所述柱体中心线均布设置的多个刚性折纸，所述
刚性折纸与所述支架体的连接处形成第一折痕，每个所述第一折痕对应设置驱动组件，所述驱动组件包括最小能量结构式介电弹性体驱动器，所述驱动组件具有弯曲后可相互靠近或远离的两个连接端，所述驱动组件的两个连接端分别连接形成其所对应第一折痕的刚性折纸和支架体，所述驱动组件的其中一个连接端为移动端，所述驱动组件的移动端与其所对应第一折痕之间的距离可随所述驱动组件的弯曲而改变，所述驱动组件的另一个连接端为固定端，所述驱动组件的固定端与其所对应第一折痕之间的距离固定设置，所述驱动组件弯曲带动其所对应第一折痕角度改变，所述第一折痕角度改变带动形成所述第一折痕的所述刚性折纸形变，所述刚性折纸形变带动所述柱体弯曲或长度改变。
8.本发明的一个实施例中，所述驱动组件还包括第一刚性支撑部件和第二刚性支撑部件，所述第一刚性支撑部件和所述第二刚性支撑部件分别连接所述最小能量结构式介电弹性体驱动器并分别作为所述驱动组件的移动端和固定端。
9.本发明的一个实施例中，驱动组件未通电时，所述驱动组件呈弯曲状态且拱起高度为h1，所述驱动组件对应的第一折痕角度为α1，驱动组件通电时，所述驱动组件呈弯曲状态或平整状态且拱起高度为h2，所述驱动组件对应的第一折痕角度为α2，h1大于h2，α1小于α2。
10.本发明的一个实施例中，所述最小能量结构式介电弹性体驱动器包括柔性基底、设于所述柔性基底上的预拉伸的介电弹性体薄膜以及均匀涂覆于所述预拉伸的介电弹性体薄膜两侧的柔性电极。
11.本发明的一个实施例中，所述预拉伸的介电弹性体薄膜采用聚丙烯酸酯、天然橡胶或硅胶，所述柔性电极采用碳脂、单壁碳纳米管或银纳米线导电液。
12.本发明的一个实施例中，所述驱动组件的移动端通过销轴和挡板可移动连接于一长孔内，所述销轴穿过所述长孔，所述销轴的两端分别连接所述驱动组件和所述挡板。
13.本发明的一个实施例中，所述驱动组件的移动端的移动方向与其所对应的第一折痕垂直。
14.本发明的一个实施例中，所述驱动组件的固定端粘结固定。
15.本发明的一个实施例中，所述驱动组件的移动端连接所述刚性折纸，所述驱动组件的固定端连接所述支架体。
16.本发明的一个实施例中，所述刚性折纸上仅设有一个第二折痕，所述第二折痕为单顶点多折痕图案。
17.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
18.1)本发明公开的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，采用刚性折纸和最小能量结构式介电弹性体驱动器，具有多个自由度、灵活性好、响应速度快、驱动力更大、环境适应性强；
19.2)本发明公开的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，驱动组件设置在刚性折纸与支架体之间的第一折痕处，只需要通过控制折痕处的角度即可控制刚性折纸机构的运动，控制简便，并且可用于各种不同尺寸的刚性折纸机构的驱动，通用性强。
20.3)本发明公开的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，机械臂由多个刚性折纸机构串联组成，每个刚性折纸机构单独控制，因此机械臂的操作更灵活、运动范围更广、环境适应性更强。
附图说明
21.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
22.图1为本发明中机械臂的整体示意图；
23.图2为本发明中刚性折纸机构的整体示意图；
24.图3为本发明中刚性折纸机构的支架体与刚性折纸之间的连接示意图；
25.图4为本发明中驱动组件的示意图；
26.图5为本发明中输入电压前驱动组件的示意图；
27.图6为本发明中输入电压后驱动组件的示意图；
28.图7为本发明中各个驱动组件的输入电压相同时刚性折纸机构的示意图；
29.图8为本发明中各个驱动组件的输入电压不完全相同时刚性折纸机构的示意图。
30.其中，10、刚性折纸机构；1、支架体；11、第一折痕；2、刚性折纸；21、第二折痕；22、折叠板a；23、折叠板b；24、折叠板c；25、折叠板d；26、折叠板e；27、折叠板f；3、驱动组件；31、第一刚性支撑部件；32、第二刚性支撑部件；33、柔性基底；34、预拉伸的介电弹性体薄膜；35、柔性电极；4、销轴；5、挡板；6、长孔。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
32.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
33.以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。
34.实施例一
35.参见图1至图8，如其中的图例所示，一种基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，上述机械臂包括串联在一起的多个刚性折纸机构10，上述刚性折纸机构10整体呈柱体形状，包括分别设于上述柱体两端的两个支架体1和围绕上述柱体中心线均布设置的多个刚性折纸2，上述刚性折纸2与上述支架体1的连接处形成第一折痕11，每个上述第一折痕11对应设置驱动组件3，上述驱动组件3包括最小能量结构式介电弹性体驱动器，上述驱动组件3具有弯曲后可相互靠近或远离的两个连接端，上述驱动组件的两个连接端分别连接形成其
所对应第一折痕11的刚性折纸2和支架体1，上述驱动组件3的其中一个连接端为移动端，上述驱动组件3的移动端与其所对应第一折痕11之间的距离可随上述驱动组件3的弯曲而改变，上述驱动组件3的另一个连接端为固定端，上述驱动组件3的固定端与其所对应第一折痕11之间的距离固定设置，上述驱动组件3弯曲带动其所对应第一折痕11角度改变，上述第一折痕11角度改变带动形成上述第一折痕11的上述刚性折纸2形变，上述刚性折纸2形变带动上述柱体弯曲或长度改变。
36.上述技术方案中，通过向驱动组件施加电压，使一个或多个驱动组件形变，从而使得刚性折纸形变，从而使关节形变。各个驱动组件的输入电压独立控制，当它们的输入电压相同时，关节实现压缩运动，输入电压不同时，关节实现弯曲运动，输入电压消失时，关节会自动恢复到初始状态。一方面，采用刚性折纸和最小能量结构式介电弹性体驱动器，具有多个自由度、灵活性好、响应速度快、关节负载力更大、关节的环境适应性强，另一方面，由于驱动组件是设置在刚性折纸与支架体之间的第一折痕处，其通用性较好，可用于各种不同长度的关节的制作。
37.本发明的一个实施例中，上述驱动组件3还包括第一刚性支撑部件31和第二刚性支撑部件32，上述第一刚性支撑部件31和上述第二刚性支撑部件32分别连接上述最小能量结构式介电弹性体驱动器并分别作为上述驱动组件3的移动端和固定端。通过设置刚性驱动部件，使得驱动组件带有一定的刚性，关节的制作及位置控制更容易。在其他实施例中还可以是：不设置上述第一刚性支撑部件和/或第二刚性支撑部件。
38.本发明的一个实施例中，驱动组件未通电时，上述驱动组件3呈弯曲状态且拱起高度为h1，上述驱动组件3所对应的第一折痕11角度为α1，驱动组件通电时，上述驱动组件3呈弯曲状态或平整状态且拱起高度为h2，上述驱动组件3对应的第一折痕11角度为α2，h1大于h2，α1小于α2。驱动组件未通电时，第一折痕角度为90度左右，此时，驱动组件弯曲，恰好可以契合的设置在柱体的端面和侧面之间，驱动组件通电时，第一折痕角度为钝角，此时，驱动组件逐渐展平，恰好可以契合的设置在柱体的端面和侧面之间。在其他实施例中还可以是：
39.本发明的一个实施例中，上述最小能量结构式介电弹性体驱动器包括柔性基底33、设于上述柔性基底33上的预拉伸的介电弹性体薄膜34以及均匀涂覆于预拉伸的介电弹性体薄膜34两侧的柔性电极35。
40.本发明的一个实施例中，上述预拉伸的介电弹性体薄膜34采用聚丙烯酸酯、天然橡胶或硅胶，上述柔性电极35采用碳脂、单壁碳纳米管或银纳米线导电液。
41.本发明的一个实施例中，上述驱动组件3的移动端通过销轴4和挡板5可移动连接于一长孔6内，上述销轴4穿过上述长孔6，上述销轴4的两端分别连接上述驱动组件3和上述挡板5。长孔简单易制作，只需去除支架体或刚性折纸的折叠板上的部分材料即可成型，不需要设置更多的附件。在其他实施例中还可以是：上述驱动组件3的移动端通过t字形销轴可移动连接于一限位槽内，或者上述驱动组件的移动端通过滑套可移动连接一导向杆上。
42.本发明的一个实施例中，驱动组件3的移动端的移动方向与其所对应的第一折痕11垂直。驱动组件的移动端的移动方向与第一折痕垂直，关节的变形更加顺畅。在其他实施例中，驱动组件的移动端的移动方向与第一折痕还可以形成锐角或钝角，只要能够实现驱动组件的移动端可以移动即可。
43.本发明的一个实施例中，上述驱动组件3的固定端粘结固定。驱动组件的固定端通过粘结固定，不会对支架体或刚性折纸造成损伤，且操作方便。在其他实施例中还可以是：上述驱动组件的固定端通过螺栓固定或通过卡扣结构固定。
44.本发明的一个实施例中，上述驱动组件3的移动端连接上述刚性折纸2，上述驱动组件3的固定端连接上述支架体1。由于柱体的长度一般大于其直径，因此刚性折纸的尺寸相对于支架体的尺寸来说，更适合于驱动组件的移动端连接，能够为驱动组件移动端移动提供空间。在其他实施例中还可以是：上述驱动组件的移动端连接上述支架体，上述驱动组件的固定端连接上述刚性折纸。
45.本发明的一个实施例中，上述刚性折纸2上设有第二折痕21，上述第二折痕21为单顶点多折痕图案，每个上述刚性折纸2和上述两个支架体1构成非闭合的空间四连杆。每个刚性折纸与两个支架体组成非闭合的四连杆，且驱动组件带有一定的刚性，关节的制作及位置控制更容易。上述单顶点多折痕图案为伞面的折痕图案。第二折痕21具体为单顶点六折痕图案。上述刚性折纸2包括围绕顶点依次通过转轴连接的折叠板a22、折叠板b23、折叠板c24、折叠板d25、折叠板e26以及折叠板f27，各个转轴的中心线经过顶点位置。折叠板a22和折叠板d25分别连接两个支架体1。
46.本发明实施例中优选的实施方式，上述支架体1为六边形薄板，上述六边形薄板包括交替布置的第一侧边和第二侧边，在三个上述第一侧边处通过驱动组件连接刚性折纸，三个上述第二侧边不予布置。
47.本发明实施例中优选的实施方式，上述支架体和上述刚性折纸通过3d打印或激光切割制作，上述关节的第一折痕11处使用柔性材料连接。柔性基底、第一第二刚性支撑部件也是通过3d打印或激光切割制作，第二折痕也使用柔性材料连接。另外销轴和挡板制作方式较多，塑料或金属材料都可以。
48.实际使用时，将上述关节连接在两个物体之间，两个支架体分别与两个物体连接，当向所有驱动组件施加相同的电压时，关节缩短，当向部分驱动组件施加电压时，关节弯曲。
49.以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对本发明实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。