一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

进一步的，支撑构件为珍珠棉支撑泡沫；珍珠棉支撑泡沫包括平行设置的底板和顶板，底板和顶板的一端通过竖直设置的侧壁连接，使得顶板呈悬臂状；底板的上表面和顶板的下表面远离侧壁的一端设有一对凹槽。

进一步的，介电弹性体谐振器与侧壁平行设置。

进一步的，上下柔性导电电极为MG Chemicals公司的846号导电碳脂且上表面柔性电极和下表面柔性电极在垂直于介电弹性体基体材料的方向上投影重合。

进一步的，上下约束边框采用厚度为1mm的有机玻璃约束边框。

进一步的，施加到介电弹性体谐振器上的动态信号为有直流偏置的正弦信号。

进一步的，表面柔性电极和下表面柔性电极呈圆形，上约束边框和下约束边框的中心具有圆形空间，上表面柔性电极和下表面柔性电极的边缘与对应的上约束边框和下约束边框的圆形空间边缘间隔设置。

本发明一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人设计，其组成结构为超轻的谐振器和珍珠棉泡沫组成。谐振器嵌入经过切割后的珍珠棉泡沫凹槽上，可自由滑动来对机器人运动方向进行微调，实现机器人在恒定频率下的直线运动。其中，谐振器在加载千伏级别的高压电时，在麦克斯韦应力的作用下会在厚度方向产生减小，面积扩张。当加载频率达到谐振器的共振频率时将会产生振动力传递给支撑泡沫，支撑泡沫与地面接触的表面预先经过了单方向的砂纸打磨预处理，使其形成具有各向异性摩擦力的微结构表面，在振动力与摩擦力耦合作用的情况下使机器人产生前进的运动力。同时，由于介电弹性体本构模型的非线性特性及其非线性电致变形使其振动特性具有强烈的非线性特征，所以通过改变频率可使谐振器能够输出不均匀分布的振动力，从而能够使机器人运动方向变化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的振动移动机构其驱动机理为介电弹性体在动态电压加载下的谐振特性，能量转化效率高且其材料特性也使得基于此制作的机器人具有超轻的重量。本发明所设计的机器人结构及控制都极为简单，在工程领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人结构示意图。其中：1为介电弹性体谐振器、2为珍珠棉支撑泡沫；

图2为机器人的侧视图。其中2-2为与地面接触的表面；

图3为珍珠棉支撑构件。其中2-1为凹槽；

图4为介电弹性体谐振器结构示意图，其中，1-1为上表面柔性电极，1-2为上约束边框，1-3为上表面铜箔电极，1-4为介电弹性体基体材料，1-5为下表面铜箔电极，1-6为下约束边框，1-7为下表面柔性电极。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明一种基于介电弹性体谐振器驱动的超轻质机器人，主要包括介电弹性体谐振器1与珍珠棉支撑泡沫2两部分。

支撑泡沫2包括平行设置的底板22和顶板24，底板22和顶板24的一端通过竖直设置的侧壁23连接，使得顶板24呈悬臂状；底板22的上表面和顶板24的下表面远离侧壁的一端设有一对凹槽2-1，支撑泡沫的形状经由电热丝切割出来，之后对其底板22与地面接触的表面2-2进行单方向砂纸打磨使其前后摩擦力不一致。

介电弹性体谐振器1的制作需要先将介电弹性体基体材料1-4在拉伸装置上进行等双轴4×4倍的机械预拉伸，由VHB4910本身具有较大粘性，经过预拉伸后的材料用两层有机玻璃(上约束边框1-2和下约束边框1-6)上下贴附即可进行约束。有机玻璃的上约束边框1-2和下约束边框1-6贴到介电弹性体基体材料1-4上后，将约束住的VHB材料及两层有机玻璃剪下，在上约束边框1-2和下约束边框1-6上分别粘贴上表面铜箔电极1-3和下表面铜箔电极1-5，然后在介电弹性体基体材料1-4的上下两面印刷上流质碳脂电极作为上表面柔性电极1-1和下表面柔性电极1-7(上表面柔性电极1-1和下表面柔性电极1-7呈圆形，上约束边框1-2和下约束边框1-6的中心具有圆形空间，上表面柔性电极1-1和下表面柔性电极1-7与对应的上约束边框1-2和下约束边框1-6的圆形空间边缘具有一定距离，未填充满上约束边框1-2和下约束边框1-6的圆形空间)；上表面柔性电极1-1连接上表面铜箔电极1-3，下表面柔性电极1-7连接下表面铜箔电极1-5。为了使碳脂电极的形状保持规则，可以先在介电弹性体基体材料1-4上粘附镂空有预想电极形状的离型纸再涂碳脂，然后将离型纸取下即可得到预定形状的碳脂电极。将介电弹性体谐振器1插入珍珠棉支撑泡沫2的凹槽2-1后在动态电压的加载下当谐振器产生的振动力大于某一个方向的最大静摩擦力时机器人开始运动。机器人的初始运动方向可能会出现一定的偏离而不能直线运动，这时可通过滑动谐振器在支撑构件中的位置来实现其直线运动。

具体实施方式一：将偏置后的正弦信号经高压放大器放大后连接到印刷有圆形碳脂电极的机器人的铜箔电极上，当输入信号频率达到机构共振频率时可实现机器人的直线移动。将谐振器滑移到左侧位置时，机器人向右侧转向运动；将谐振器滑移到右侧位置时，机器人向左侧转向运动。

具体实施方式二：将偏置后的正弦信号经高压放大器放大后连接到印刷有圆形碳脂电极的机器人的铜箔电极上，通过改变频率使谐振器输出左右不均匀分布的振动力，当左侧振动力偏大时，机器人向右侧运动，反之亦然。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所做出若干简单的推演或替换都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。