介电弹性体驱动器及爬行机器人

1.本发明涉及介电弹性体技术领域，尤其提供一种介电弹性体驱动器以及具有该介电弹性体驱动器的爬行机器人。


背景技术：

2.由于饮食变化、环境污染和精神压力等因素，越来越多的人患有胃肠道疾病。胃肠道疾病包括肠癌、肠道肿瘤、消化性疾病和炎症性肠病等。这些疾病无法通过间接方法如x射线进行可靠的诊断。另一方面，内窥镜等直接方法比间接方法更可靠，因此更受青睐
。
3.传统的内窥镜，例如结肠镜和胃内窥镜，需要一定的结构强度来推动，所以它具有较高的硬度，因此在其工作过程中会给患者带来严重的疼痛。另外，由于其离任一开口的长度限制，很难监测胃肠道的某些区域，包括小肠的大部分。除此之外，传统的内窥镜需要由专业的人员操作，这需要很长的培训时间。
4.这些问题推动了无线胶囊型内窥镜的发展。由于其无线特性，胶囊型内窥镜在减少患者的疼痛和不适方面具有优势。然而，它们必须通过蠕动被动地穿过胃肠道。虽然被动胶囊内窥镜技术处于发展的成熟阶段，但是许多不可避免的缺点限制了它的应用。例如，它不能出于诊断目的而停留在某个位置，并且可能导致胶囊滞留在体内或其他并发症。
5.因此，为了更精确地诊断消化系统疾病，需要添加驱动系统来优化当前胶囊内窥镜的检查能力。由于这种需求，进行了关于微型机器人在胃肠道中移动的研究，形成了自行式胶囊机器人的发展。机器人学中常用的爬行运动主要通过利用双锚爬行原理或各向异性摩擦原理来实现，双锚爬行原理模仿自然界中尺蠖的运动，利用前后锚定机构的顺序附着和释放以及身体的伸长/收缩来实现定向运动；各向异性摩擦原理通常依靠机器人底部倾斜的刷毛来获得不对称摩擦力，其中摩擦力较低的方向是机器人的前进方向。尽管上述爬行机器人设计有所进步，但仍然存在严重的限制，影响了其在医疗应用中的可靠性。双锚爬行需要专用的锚定机制，大大增加了系统的设计和制造复杂性；各向异性摩擦原理通常通过易受污染和磨损的柔性刷毛来实现。
6.综上，亟需解决自行式胶囊机器人的驱动动力的问题。


技术实现要素：

7.本技术实施例的目的提供一种介电弹性体驱动器，旨在解决现有的自行式胶囊机器人的驱动动力受限的问题。
8.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案是：
9.本技术实施例提供一种介电弹性体驱动器，包括：
10.第一介电弹性体；
11.弹性结构件，所述弹性结构件与所述第一介电弹性体相间隔设置；
12.连接杆组件，所述连接杆组件的一端连接于所述第一介电弹性体且另一端连接于所述弹性结构件；
13.其中，所述第一介电弹性体和所述弹性结构件之间的间距小于所述连接杆组件的长度；所述第一介电弹性体在振荡电路的供电下带动所述连接杆组件进行振荡运动。
14.本技术实施例的有益效果：本技术提供的介电弹性体驱动器，其工作过程如下：在初始阶段，由于连接杆组件的长度大于第一介电弹性体和弹性结构件之间的间距，那么，第一介电弹性体和弹性结构件均处于扩张形变状态，并且，在第一介电弹性体和弹性结构件相互作用力下，连接杆组件处于力平衡状态，即，处于静止状态；而在动力输出阶段，第一介电弹性体处于通电状态，此时，第一介电弹性体的膜张力降低，这样，对连接杆组件的作用力减小，在弹性结构件对连接杆组件的作用力保持不变的情况下，连接杆组件的力平衡状态被打破，且朝向第一介电弹性体移动。如此，连接杆组件在完成振动周期。那么，在第一介电弹性体的通电频率下，连接杆组件获得周期性的振动，本技术的介电弹性体驱动器整体结构简单，能够解决自行式胶囊机器人的驱动动力受限的问题。
15.在一个实施例中，所述弹性结构件为第二介电弹性体，所述第一介电弹性体和所述第二介电弹性体在交替供电下带动所述连接杆组件进行振荡运动。
16.在一个实施例中，所述连接杆组件包括杆体以及分别设于所述杆体的相对两端的第一支撑盘和第二支撑盘，所述第一支撑盘连接于所述第一介电弹性体，所述第二支撑盘连接于所述弹性结构件。
17.在一个实施例中，所述第一支撑盘的中心点与所述第一介电弹性体的中心点相重合；和/或，所述第二支撑盘的中心点与所述第二介电弹性的中心点相重合。
18.在一个实施例中，在所述连接杆组件的振荡方向上，所述第一介电弹性体的投影面积等于所述弹性结构件的投影面积。
19.在一个实施例中，在所述连接杆组件的振荡方向上，所述第一介电弹性体的投影面积不等于所述弹性结构件的投影面积。
20.在一个实施例中，所述介电弹性体驱动器还包括用于固定所述第一介电弹性体的第一夹持件和用于固定所述弹性结构件的第二夹持件。
21.在一个实施例中，所述第一夹持件和所述第二夹持件之间的间距可调节。
22.第二方面，本技术实施例还提供一种爬行机器人，包括壳体、设于所述壳体内的第一冲击部以及如上述所述介电弹性体驱动器，所述介电弹性体驱动器置于所述壳体内，所述介电弹性体驱动的连接杆组件在振荡运动中抵顶于所述第一冲击部以使所述壳体朝第一冲击方向移动。
23.本技术实施例的有益效果：本技术提供的爬行机器人，在具有上述介电弹性驱动器的基础上，该爬行机器人整体结构简单，更适合小型化设计。
24.在一个实施例中，所述爬行机器人还包括设于所述壳体内的第二冲击部，所述第二冲击部与所述第一冲击部相对设置，所述介电弹性体驱动的连接杆组件在振荡运动中抵顶于所述第二冲击部以使所述壳体朝第二冲击方向移动，所述第一冲击方向和所述第二冲击方向相反。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例提供的介电弹性体驱动器的剖面图；
27.图2为本发明实施例提供的介电弹性体驱动器在静止状态下的结构示意图；
28.图3为本发明实施例提供的介电弹性体驱动器在工作状态下的结构示意图；
29.图4为本发明实施例提供的爬行机器人的结构示意图；
30.图5为本发明实施例提供的爬行机器人的另一结构示意图。
31.其中，图中各附图标记：
32.100、介电弹性体驱动器；
33.10、第一介电弹性体；20、弹性结构件；30、连接杆组件；31、杆体；32、第一支撑盘；33、第二支撑盘；41、第一夹持件；42、第二夹持件；
34.200、壳体；201、第一冲击部；202、第二冲击部。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.请参考图1至图3，本技术实施例提供的介电弹性体驱动器100包括第一介电弹性体10、弹性结构件20以及连接杆组件30。其中，第一介电弹性体10是具有高介电常数的弹性体材料，其在外界电刺激下可改变形状或体积，从而产生应力和应变，实现电能转化为机械能，这里，第一介电弹性体10可为膜结构或柱状结构等。弹性结构件20同样是具有弹性的结构体，即在外力的作用下，能够发生形变。这里，弹性结构件20的形状结构以及材料不做限定。例如，弹性结构件20为橡胶、聚氨酯等膜结构，当然，弹性结构件20也可为介电弹性体。连接杆组件30作用是用于连接第一介电弹性体10和弹性结构件20。
40.弹性结构件20与第一介电弹性体10相间隔设置。可以理解地，弹性结构件20和第
一介电弹性体10之间形成间距。这里，当弹性结构件20与第一介电弹性体10均为膜结构时，二者之间的间距为弹性结构件20所在平面与第一介电弹性体10所在平面之间的间距，当然，两个所在平面可相平行设置或者呈锐角夹角。或者，当弹性结构件20为柱状结构，第一介电弹性体10为膜结构时，二者之间的间距为弹性结构件20的端面所在平面与第一介电弹性体10所在平面之间的间距。
41.连接杆组件30的一端连接于第一介电弹性体10且另一端连接于弹性结构件20。可以理解地，根据第一介电弹性体10和弹性结构件20的相间隔设置的情况，连接杆组件30的形状结构以及连接位置可进行调整。例如，当第一介电弹性体10和弹性结构件20相平行设置时，连接杆组件30的相对两端分别垂直于第一介电弹性体10所在平面和弹性结构件20所在平面。当然，当第一介电弹性体10所在平面和弹性结构件20所在平面之间形成夹角时，连接杆组件30的相对两端也与对应的所在平面呈锐角夹角。
42.第一介电弹性体10和弹性结构件20之间的间距小于连接杆组件30的长度。可以理解地，第一介电弹性体10和弹性结构件20之间间距是指第一介电弹性体10朝向弹性结构件20的端面所在平面与弹性结构件20朝向第一介电弹性体10所在平面之间最小距离。而连接杆组件30的长度是指其轴向方向的长度。当第一介电弹性体10和弹性结构件20之间的间距与连接杆组件30的长度存在上述关系时，在初始状态下，第一介电弹性体10和弹性结构件20均处于扩张形变状态。例如，当第一介电弹性体10和弹性结构件20均为膜结构时，第一介电弹性体10和弹性结构件20则分别沿连接杆组件30的轴线方向向外凸伸。以及，连接杆组件30在第一介电弹性体10和弹性结构件20共同夹持作用下，处于力平衡状态。
43.第一介电弹性体10在振荡电路的供电下带动连接杆组件30进行振荡运动。可以理解地，第一介电弹性体10在充电状态下，其膜张力降低，第一介电弹性体10对连接杆组件30的作用力减小，在弹性结构件20对连接杆组件30的作用力保持不变的情况下，连接杆组件30的力平衡状态被打破，且朝向第一介电弹性体10移动。如此，当第一介电弹性体10在振荡电路的供电下，连接杆组件30则进行周期性振荡运动，以实现动力输出。这里，连接杆组件30的动力输出周期与第一介电弹性体10的供电周期相关。
44.本技术提供的介电弹性体驱动器100，其工作过程如下：在初始阶段，由于连接杆组件30的长度大于第一介电弹性体10和弹性结构件20之间的间距，那么，第一介电弹性体10和弹性结构件20均处于扩张形变状态，并且，在第一介电弹性体10和弹性结构件20相互作用力下，连接杆组件30处于力平衡状态，即，处于静止状态；而在动力输出阶段，第一介电弹性体10处于通电状态，此时，第一介电弹性体10的膜张力降低，这样，对连接杆组件30的作用力减小，在弹性结构件20对连接杆组件30的作用力保持不变的情况下，连接杆组件30的力平衡状态被打破，且朝向第一介电弹性体10移动。如此，连接杆组件30在完成振动周期。那么，在第一介电弹性体10的通电频率下，连接杆组件30获得周期性的振动，本技术的介电弹性体驱动器100整体结构简单，能够解决自行式胶囊机器人的驱动动力受限的问题。
45.在一个实施例中，弹性结构件20为第二介电弹性体，第一介电弹性体10和第二介电弹性体在交替供电下带动连接杆组件30进行振荡运动。可以理解地，在本实施例中，弹性结构件20也为介电弹性体，为了与第一介电弹性体10进行区分，弹性结构件20可为第二介电弹性体，这里，第二介电弹性体的介电常数可与第一介电弹性体10的介电常数相同，这样，在动力输出状态下，连接杆组件30朝第一介电弹性体10方向的移动量和朝第二介电弹
性体方向的移动量是相同的。并且，在第二介电弹性体能够通电将动能转化为机械能的基础上，连接杆组件30的动力输出周期缩短，输出频率更高。当然，第二介电弹性体的介电常数也可与第一介电弹性体10的介电常数不相同，那么，在动力输出状态下，连接杆组件30朝第一介电弹性体10方向的移动量和朝第二介电弹性体方向的移动量是不相同的，便于进行差异化设计。
46.以及，第一介电弹性体10和第二介电弹性体相交替供电是指在第一介电弹性体10处于通电状态下时，则第二介电弹性体处于非通电状态，以及，第二介电弹性体处于通电状态下时，则第一介电弹性体10处于非通电状态。因而，在二者交替供电作用下，第一介电弹性体10和第二介电弹性体则呈交替性地弹性伸缩，从而实现连接杆组件30的相对两端获得周期性地作用力，即，其沿自身的轴向方向呈周期性摆动。
47.示例地，如图所示，第一介电弹性体10和第二介电弹性体均为膜结构，并且，两个介电弹性体所在平面相平行设置，以及，二者采用相同的材质制成，尺寸大小相等，介电常数也相同。那么，在初始状态下，第一介电弹性体10和第二介电弹性体处于相同扩张状态，以及，在动力输出状态下，第一介电弹性体10和第二介电弹性体在相交替供电，第一介电弹性体10和第二介电弹性体则呈交替性地弹性伸缩，连接杆组件30其沿自身的轴向方向呈周期性摆动。当然，第一介电弹性体10和第二介电弹性体的供电周期可存在部分重叠，即，在某一个或几个时刻，第一介电弹性体10和第二介电弹性体均处于通电状态，且，通电时长不同。
48.在其他实施例中，第一介电弹性体10和第二介电弹性体均为膜结构，并且，两个介电弹性体所在平面相平行设置。然而，二者采用不同的材质制成，介电常数且也不同。如此，第一介电弹性体10和第二介电弹性体则可同时处于通电状态，并且，通电时长也可以相同。由于二者表面张力存在差异，因此，即使第一介电弹性体10和第二介电弹性体均处于通电状态下，连接杆组件30也能够沿自身的轴向方向摆动。
49.请参考图1，在一个实施例中，连接杆组件30包括杆体31以及分别设于杆体31的相对两端的第一支撑盘32和第二支撑盘33，第一支撑盘32连接于第一介电弹性体10，第二支撑盘33连接于弹性结构件20。可以理解地，第一支撑盘32可增加杆体31与第一介电弹性体10的接触面积，以及，第二支撑盘33可增加杆体31与弹性结构件20的接触面积，从而减低杆体31对第一介电弹性体10或弹性结构件20的破坏程度。同时，第一支撑盘32在第一介电弹性体10的设置位置和形状结构，以及，第二支撑盘33在弹性结构件20的设置位置和形状结构，这里不限定。
50.示例地，第一支撑盘32和第二支撑盘33均为圆形支撑盘，并且，两个圆形支撑盘分别设置在第一介电弹性体10的中心位置处和弹性结构件20的中心位置处。当然，第一支撑盘32和第二支撑盘33还可其他形状的支撑盘，例如，多边形等。以及，设置位置也可在处于非中心位置处。
51.请参考图2和图3，在一个实施例中，第一支撑盘32的中心点与第一介电弹性体10的中心点相重合；和/或，第二支撑盘33的中心点与弹性结构件20的中心点相重合。可以理解地，第一支撑盘32和第二支撑盘33作为杆体31分别与第一介质弹性体和弹性结构件20的力传递介质。第一支撑盘32的几何中心与第一介电弹性体10的几何中心相重合时，可实现全部或绝大部分的弹性力传动至杆体31；同理地，第二支撑盘33的几何中心与弹性结构件
20的几何中心相重合时，可实现全部或绝大部分的机械能传输至杆体31。
52.示例地，在第一支撑盘32的中心点与第一介电弹性体10的中心点相重合；和第二支撑盘33的中心点与弹性结构件20的中心点相重合时，杆体31的轴线的延伸线正好穿设于第一支撑盘32的中心点和第二支撑盘33的中心点，那么，可实现第一介电弹性体10或弹性结构件20的机械能全部传递至杆体31。
53.在一个实施例中，在连接杆组件30的振荡方向上，第一介电弹性体10的投影面积等于弹性结构件20的投影面积。可以理解地，第一介电弹性体10和弹性结构件20的形状结构相同，且外形轮廓相同，以及，二者中心点位置相重合，如此，杆体31的轴线与二者中心点的连接线相重合。以减小传递过程中机械能的损失。
54.在一些实施例中，在连接杆组件30的振荡方向上，第一介电弹性体10的投影面积不等于弹性结构件20的投影面积。可以理解地，第一介电弹性体10与弹性结构件20的形状结构以及外形轮廓存在差异化，用于适应不同驱动场合。
55.请参考图1，在一个实施例中，介电弹性体驱动器100还包括用于固定第一介电弹性体10的第一夹持件41和用于固定弹性结构件20的第二夹持件42。可以理解地，第一夹持件41的作用是用于对第一介电弹性体10进行固定，以实现第一介电弹性体10处于绷紧状态，同理地，第二夹持件42的作用是用于实现第二介电弹性体处于绷紧状态。这里，第一夹持件41和第二夹持件42可结构相同，即，夹持件包括相对设置的两个夹持环，利用两个夹持环上下夹持作用，将第一介电弹性体10或弹性结构件20固定在两个夹持环之间，而夹持环的中间区域为第一介电弹性体10或弹性结构件20的绷紧部分。
56.在一个实施例中，第一夹持件41和第二夹持件42之间的间距可调节。可以理解地，第一夹持件41和第二夹持件42二者的设置位置可根据实际使用需求进行调整，即，二者之间的间距并非是固定的。
57.示例地，第一夹持件41和/或第二夹持件42滑动连接在外设固定架上，这样，第一夹持件41可相对第二夹持件42在外设固定架上滑动；或者，第二夹持件42可相对第一夹持件41在外设固定架上滑动；或者，第一夹持件41和第二夹持件42均能够在外设固定架上相向或相背滑动。
58.示例地，第一夹持件41和第二夹持件42之间设置有若干个伸缩支撑杆，即，通过调节伸缩支撑杆的长度来实现第一夹持件41和第二夹持件42之间的间距。
59.请参考图4，第二方面，本技术实施例还提供一种爬行机器人，包括壳体200、第一冲击部201和上述介电弹性体驱动器100。其中，壳体200作为第一冲击部201和介电弹性体驱动器100的载体。介电弹性体驱动器100则作为壳体200移动所需的动力源。
60.具体地，第一冲击部201设于壳体200内，以及，介电弹性体驱动器100置于壳体200内，介电弹性体驱动的连接杆组件30在振荡运动中抵顶于第一冲击部201，以使壳体200朝第一冲击方向移动。可以理解地，介电弹性体驱动器100通过连接杆组件30实现动力输出，并且，连接杆组件30所输出的机械能冲击第一冲击部201，在惯性的作用下，壳体200沿连接杆组件30的冲击方向移动，连接杆组件30的冲击方向为第一冲击方向。
61.示例地，第一冲击部201可为块状或板状的冲击结构，能够接收连接杆组件30的冲击。同时，冲击结构所在平面与连接杆组件30的冲击方向应是相垂直的，如此，连接杆组件30的机械能能够尽量的传递至第一冲击部201。
62.示例地，第一冲击部201包括冲击块和连接于冲击块的缓冲件，冲击块朝向连接杆组件30，缓冲件远离冲击块的一端连接于壳体200。这里，缓冲件能够吸收连接杆组件30的冲击能，减缓冲击块对壳体200的冲击。
63.本技术提供的爬行机器人，在具有上述介电弹性驱动器的基础上，该爬行机器人整体结构简单，更适合小型化设计。
64.请参考图5，在一个实施例中，爬行机器人还包括设于壳体200内的第二冲击部202，第二冲击部202与第一冲击部201相对设置，介电弹性体驱动的连接杆组件30在振荡运动中抵顶于第二冲击部202以使壳体200朝第二冲击方向移动，第一冲击方向和第二冲击方向相反。可以理解地，第一冲击部201和第二冲击部202的形状结构可以相同。连接杆组件30在第一冲击部201和第二冲击部202之间进行振荡摆动。即，连接杆组件30撞击第一冲击部201时，壳体200沿第一冲击方向移动，而连接杆组件30撞击第二冲击部202时，壳体200沿第二冲击方向移动。
65.需要说明地，连接杆组件30并非交替冲击第一冲击部201和第二冲击部202。在壳体200沿第一冲击方向移动时，连接杆组件30仅冲击第一冲击部201；在壳体200沿第二抵顶反向移动时，连接杆组件30仅冲击第二冲击部202。
66.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。