一种介电弹性体驱动单元、仿生软体机器鱼及其制作方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种介电弹性体驱动单元、仿生软体机器鱼及其制作方法。

背景技术：

传统机器人均采用钢铁、铝合金等制造主体结构，使用马达进行驱动。这些材料均为典型的刚性材料，硬度大，并且只能通过结构的改变来实现大的变形。水下机器人一般也均为这种结构，采用螺旋桨进行驱动。在运动的过程中，螺旋桨产生大的噪音同时会使周围水域产生大的波动，这样在很大程度上会影响到水下生物，对水下生物探测不利。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本发明采用的发明在于提供一种介电弹性体驱动单元，包括带有柔性电极的介电弹性体和弹性件，所述介电弹性体固定卷曲在所述弹性件外部，所述柔性电极并列排布于所述介电弹性体的内表面上，相邻两个所述柔性电极的间距相等，且卷曲后的所述柔性电极分布于所述介电弹性体驱动单元的两侧。

较佳地，所述介电弹性体是丙烯酸薄膜、硅橡胶薄膜或pdms薄膜。

较佳地，所述柔性电极是碳油脂电极、碳粉电极、银粉电极或金粉电极。

与现有技术比较，本发明的有益效果在于：

本发明中介电弹性体驱动单元为介电弹性体智能材料，能量密度高，驱动效率高，无噪音。

本发明提供的另一发明在于，提供了一种仿生软体机器鱼，包括鱼头单元和鱼尾单元，还包括身体单元和上述的介电弹性体驱动单元，所述身体单元包括支撑结构和鱼皮，所述鱼皮固定连接于所述支撑结构的外部，所述介电弹性体驱动单元固定连接于所述支撑结构内部，并与所述鱼头单元和所述鱼尾单元相连接。

较佳地，所述支撑结构为一体成型的蜂窝结构，且所述蜂窝结构包括至少一个蜂窝单胞结构，且所述蜂窝单胞结构的横截面为内凹六边形或正四边形。

较佳地，所述鱼皮为柔性蒙皮，且所述柔性蒙皮包括硅橡胶基体、氨纶编织纤维、碳纤维增强杆以及光栅传感器，所述氨纶编织纤维、所述碳纤维增强杆以及所述光栅传感器设置于所述硅橡胶基体内部。

与现有技术比较，本发明的有益效果在于：

1、本发明中仿生软体机器鱼整体采用仿生结构，仿照鱼的形状进行结构设计，具有很好的伪装性和隐蔽性；

2、本发明中内部支撑结构采用零泊松比蜂窝结构，强度高，质量轻，很大的减小了机器鱼的重量；

3、本发明中外部鱼皮使用柔性蒙皮，表面光滑且可以实现大变形，减小了机器鱼在水中运动时的阻力；

4、本发明中外部鱼皮的柔性蒙皮中嵌入的光栅传感器不仅可以监测自身的变形，还可以监测周围环境的压力、温度等的变化。

本发明提供的另一发明在于，提供了一种仿生软体机器鱼的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤s1,制作机器鱼的鱼头单元、鱼尾单元和支撑结构；

步骤s2，制作介电弹性体驱动单元；

步骤s3,制作外部带有传感功能的鱼皮；

步骤s4，组装软体机器鱼，将所述介电弹性体驱动单元穿入所述支撑结构中并进行固定，并将所述介电弹性体驱动单元与所述鱼头单元和所述鱼尾单元相连接，将所述鱼皮连接到所述支撑结构的外部，完成仿生软体机器鱼的制作。

在本发明中，所述制作机器鱼的鱼头单元、鱼尾单元和支撑结构所采用的方式是模铸、熔融沉积式打印或光固化打印。

在本发明中，所述介电弹性体驱动单元的制作方法包括：

将介电弹性体双轴拉伸，并进行固定，分段涂布柔性电极并引出导线；

将拉伸后带有所述柔性电极的所述介电弹性体逐步卷在压缩后的弹性件上并进行固定，完成介电弹性体驱动单元的制作。

具体为，将所述介电弹性体双轴拉伸，不同的拉伸倍率会使得所述介电弹性体驱动单元最大弯曲的角度不同，拉伸倍率还可根据具体使用的所述介电弹性体的种类进行调整。拉伸倍率为一般为2×2(即10cm×10cm拉伸到20cm×20cm)-5×5(10cm×10cm拉伸到50cm×50cm)，在拉伸后保持拉伸状态下进行所述柔性电极的分段涂布，即将所述柔性电极并列排布于所述介电弹性体上，且每个所述柔性电极均连接所述导线，用于连接电源，且相连两个所述柔性电极间间距相等，涂布之后所述介电弹性体依然保持拉伸状态。

在上述拉伸倍率下，介电弹性体变形效果好，即驱动效果更好，可以避免在通电后因电压过高，薄膜材料损坏。

将所述弹性件使用特定工装进行压缩形态的固定后，将拉伸后带有所述柔性电极的介电弹性体逐步卷在压缩后的所述弹性件上，并进行固定，在卷曲完成后撤去工装，完成介电弹性体驱动单元的制作。其中在卷曲过程中，处于奇数号的所述柔性电极位置重合并排列在介电弹性体驱动单元的一侧，处于偶数号的所述柔性电极位置重合并排列在介电弹性体驱动单元的另一侧，且两侧之间间距为相邻两电极间的间距。

本发明中介电弹性体驱动单元的制作方法简单，且为介电弹性体智能材料，能量密度高，驱动效率高，无噪音。

在本发明中，所述外部带有传感功能的鱼皮的制作方法包括：

将碳纤维增强杆间隔排布到氨纶编织纤维中并形成一表面，所述光栅传感器设置于所述表面后，放入预置好的矩形容器中；

将硅橡胶溶液倒入所述矩形容器中，使所述氨纶编织纤维浸没在所述硅橡胶溶液中，固化后取出，裁剪成所述鱼皮32所需要的形状，完成所述鱼皮的制作。

本发明制作方法简单，可操作性强，且制作的仿生软体机器鱼所产生的有益效果与所述仿生软体机器鱼发明所产生的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明中仿生软体机器鱼的分段结构示意图；

图2为本发明中零泊松比蜂窝单胞结构示意图；

图3为本发明中零泊松比蜂窝支撑结构示意图；

图4为本发明中介电弹性体驱动单元的结构示意图；

图5为本发明中介电弹性体驱动单元展开后的内部结构示意图；

图6为本发明中未经过裁剪的鱼皮结构示意图；

图7为本发明中仿生软体机器鱼的制作流程图。

图中数字表示：

1-鱼头单元；2-鱼尾单元；3-身体单元、31-支撑结构、32-鱼皮、321-硅橡胶基体、322-氨纶编织纤维、323-碳纤维增强杆、324-光栅传感器、3241-第一光栅传感器；3242-第二光栅传感器；4-介电弹性体驱动单元、41-介电弹性体、42-柔性电极、43-弹性件、44-工装、45-导线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。

实施例1

以下结合附图4-5，本发明提供了一种介电弹性体驱动单元4，介电弹性体驱动单元4由带有柔性电极42的介电弹性体41和弹性件43组成，弹性件43为压缩弹簧，且所述介电弹性体41卷曲在弹性件43外部形成介电弹性体驱动单元4，柔性电极42并列排布于所述介电弹性体41上，且每个柔性电极42均连接导线45，用于连接电源，且相连两个柔性电极42间间距相等，为了便于说明，将各个柔性电极42从左至右顺序编号，当所述介电弹性体41卷曲在弹性件43外部时，处于奇数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的一侧，处于偶数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的另一侧，且两侧之间间距为相邻两电极间的间距。依次对介电弹性体驱动单元4两侧的柔性电极42通电，会使介电弹性体驱动单元4依次产生向两侧的弯曲，当对介电弹性体驱动单元4的一侧通电时，介电弹性体驱动单元4会产生向相反一侧方向的弯曲。

介电弹性体驱动单元4的制作方法如下：

室温下，将介电弹性体41双轴拉伸，不同的拉伸倍率会使得介电弹性体驱动单元4最大弯曲的角度不同，拉伸倍率会根据具体使用的介电弹性体41的材料种类进行调整；本实施例中，介电弹性体41为丙烯酸薄膜，且丙烯酸薄膜由于自身带有粘性，当卷曲完成自动粘合进行固定，其中丙烯酸来自于3m公司的vhb4910，厚度为1mm。拉伸倍率为一般为3×3(即10cm×10cm拉伸到30cm×30cm)-5×5(10cm×10cm拉伸到50cm×50cm)，在此拉伸倍率下，介电弹性体41的变形效果好，即驱动效果更好，可以避免介电弹性体41在通电后因电压过高，薄膜材料损坏。本实施例中优选拉伸倍率为4×4(即10cm×10cm拉伸到40cm×40cm)。

在拉伸后保持拉伸状态下进行柔性电极42分段涂布，即将柔性电极42并列排布于介电弹性体41上，且每个柔性电极42均连接导线45，用于连接电源，且相连两个柔性电极42间间距相等，涂布之后介电弹性体41材料依然保持拉伸状态。

将弹性件43使用特定工装44进行压缩形态的固定后，将拉伸后带有柔性电极42的介电弹性体41逐步卷在压缩后的弹性件43上，并进行固定，在卷曲完成后撤去工装44，完成介电弹性体驱动单元4的制作。其中在卷曲过程中，处于奇数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的一侧，处于偶数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的另一侧，且两侧之间间距为相邻两电极间的间距。柔性电极42包括碳油脂电极、碳粉电极、银粉电极或金粉电极，本实施例中优选碳油脂电极。

本发明介电弹性体驱动单元制作方法简单，且为介电弹性体智能材料，能量密度高，驱动效率高，无噪音。

实施例2

本实施与实施例1的区别之处在于，介电弹性体41为硅橡胶薄膜，且硅橡胶薄膜来自于wacker公司的elastosil薄膜，厚度为0.4mm。拉伸倍率为一般为2×2(即10cm×10cm拉伸到20cm×20cm)-3×3(10cm×10cm拉伸到30cm×30cm)，在此拉伸倍率下，介电弹性体41的变形效果好，即驱动效果更好，可以避免介电弹性体41在通电后因电压过高，薄膜材料损坏。本实施例中优选拉伸倍率为2×2(即10cm×10cm拉伸到20cm×20cm)。在卷曲完成后进行固定时，需使用粘结剂，例如可将硅橡胶溶液涂于待固定处，并在温度为70-80℃的条件下，加热0.4-0.6小时，此时硅橡胶溶液固化，即可完成连接，连接牢固，可操作性强。

实施例3

本实施与实施例1的区别之处在于，介电弹性体41为pdms薄膜，且pdms薄膜使用dow公司的sylgard184siliconeelastomer制作而成，厚度为0.4mm。拉伸倍率为一般为2×2(即10cm×10cm拉伸到20cm×20cm)-3×3(10cm×10cm拉伸到30cm×30cm)，在此拉伸倍率下，介电弹性体41的变形效果好，即驱动效果更好，可以避免介电弹性体41在通电后因电压过高，薄膜材料损坏。本实施例中优选拉伸倍率为2×2(即10cm×10cm拉伸到20cm×20cm)。在卷曲完成后进行固定时，需使用粘结剂，例如可将pdms溶液涂于待固定处，并在温度为80-90℃的条件下，加热0.5-1小时，此时pdms溶液固化，即可完成连接，连接牢固，可操作性强。

实施例4

以下结合附图1-4，本发明提供了一种仿生软体机器鱼，包括前端的鱼头单元1、尾端的鱼尾单元2、以及中间的身体单元3和介电弹性体驱动单元4，身体单元3包括支撑结构31和鱼皮32，且鱼皮32固定连接于支撑结构31的外部，本实施例中优选鱼皮32利用粘结剂与支撑结构31相粘结，介电弹性体驱动单元4固定连接于支撑结构31内部，并与鱼头单元1和鱼尾单元2相连接，本实施例中优选支撑结构31的首尾两端通过粘结剂分别与鱼头单元1和鱼尾单元2相粘接，与鱼头单元1相粘接的一端为支撑结构31的首端，与鱼尾单元2相粘接的一端为所述支撑结构31的尾端。本实施例中粘结剂的使用方式不拘泥于一种，可将粘结剂涂于待粘结处的任意位置，只要保证连接牢固即可。本发明仿生软体机器鱼整体采用仿生结构，仿照鱼的形状进行结构设计，具有很好的伪装性和隐蔽性。

支撑结构31为一体成型的零泊松比蜂窝结构，且蜂窝结构包括至少一个零泊松比蜂窝单胞结构，所述零泊松比蜂窝单胞包括首尾相连的四个侧面，分别为第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，且第一侧面与第三侧面为大小相等的正四边形结构，第二侧面和第四侧面为大小相等的内凹六边形结构或正四边形结构，本实施例中优选蜂窝结构包括多个零泊松比蜂窝单胞结构，且每个零泊松比蜂窝单胞结构的第二侧面和第四侧面为大小相等的内凹六边形结构，强度高，质量轻，很大的减小了机器鱼的重量。

鱼皮32为零泊松比柔性蒙皮，且所述柔性蒙皮由硅橡胶基体321、氨纶编织纤维322、碳纤维增强杆323以及光栅传感器324组成，氨纶编织纤维322、碳纤维增强杆323以及光栅传感器324设置于硅橡胶基体321内部，硅橡胶质软，表面光滑，在驱动时不阻碍自身的变形，并且很大程度的减小了水流阻力；氨纶编织纤维322以及碳纤维增强杆323的加入极大提高了柔性蒙皮的强度；嵌入的光栅传感器324可以实时监测自身形变，也可感知外部环境压力、温度等的变化。

介电弹性体驱动单元4由带有柔性电极42的介电弹性体41和弹性件43组成，弹性件43为压缩弹簧，且所述介电弹性体41卷曲在弹性件43外部形成介电弹性体驱动单元4，柔性电极42并列排布于所述介电弹性体41上，且每个柔性电极42均连接导线45，用于连接电源，且相连两个柔性电极42间间距相等，为了便于说明，将各个柔性电极42从左至右顺序编号，当所述介电弹性体41卷曲在弹性件43外部时，处于奇数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的一侧，处于偶数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的另一侧，且两侧之间间距为相邻两电极间的间距。依次对介电弹性体驱动单元4两侧的柔性电极42通电，会使介电弹性体驱动单元4依次产生向两侧的弯曲，当对介电弹性体驱动单元4的一侧通电时，介电弹性体驱动单元4会产生向相反一侧方向的弯曲。

本发明仿生软体机器鱼的工作原理在于，依次对介电弹性体驱动单元4两侧的柔性电极42进行通电，会使介电弹性体驱动单元4依次产生向两侧的弯曲，由于介电弹性体驱动单元4设置于零泊松比蜂窝结构的内部，组装后就会带动零泊松比蜂窝结构弯曲，进而带动鱼尾单元2像鱼一样进行摆动；由于鱼皮32是柔性蒙皮，因此也会随着变形，进而模仿鱼的游动方式向前运动。

实施例5

以下结合附图5-7，本实施例提供了一种仿生软体机器鱼的制作方法，包括以下步骤：

步骤s1,采用abs材料以模铸方式制作机器鱼的鱼头单元1、鱼尾单元2和支撑结构31；制作方式简单可靠，一体化成型；采用的材料均为轻质材料，支撑结构31为零泊松比蜂窝结构，且蜂窝结构包括至少一个零泊松比蜂窝单胞结构，所述零泊松比蜂窝单胞包括首尾相连的四个侧面，分别为第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，且第一侧面与第三侧面为大小相等的正四边形结构，第二侧面和第四侧面为大小相等的内凹六边形结构或正四边形结构，本实施例中优选蜂窝结构包括多个零泊松比蜂窝单胞结构，且每个零泊松比蜂窝单胞结构的第二侧面和第四侧面为大小相等的内凹六边形结构，强度高，质量轻，很大的减小了机器鱼的重量。

步骤s2，制作基于介电弹性体41的介电弹性体驱动单元4，具体包括：

步骤s21,室温下，将介电弹性体41双轴拉伸，不同的拉伸倍率会使得介电弹性体驱动单元4最大弯曲的角度不同，拉伸倍率会根据具体使用的介电弹性体41的材料种类进行调整；本实施例中，介电弹性体41为丙烯酸薄膜，且丙烯酸薄膜由于自身带有粘性，当卷曲完成自动粘合进行固定，其中丙烯酸来自于3m公司的vhb4910，厚度为1mm。拉伸倍率为一般为3×3(即10cm×10cm拉伸到30cm×30cm)-5×5(10cm×10cm拉伸到50cm×50cm)，在此拉伸倍率下，介电弹性体41的变形效果好，即驱动效果更好，可以避免介电弹性体41在通电后因电压过高，薄膜材料损坏。本实施例中优选拉伸倍率为4×4(即10cm×10cm拉伸到40cm×40cm)。

在拉伸后保持拉伸状态下进行柔性电极42分段涂布，即将柔性电极42并列排布于介电弹性体41上，且每个柔性电极42均连接导线45，用于连接电源，且相连两个柔性电极42间间距相等，涂布之后介电弹性体41材料依然保持拉伸状态。

步骤s22,将弹性件43使用特定工装44进行压缩形态的固定后，将拉伸后带有柔性电极42的介电弹性体41逐步卷在压缩后的弹性件43上，并进行固定，在卷曲完成后撤去工装44，完成介电弹性体驱动单元4的制作。其中在卷曲过程中，处于奇数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的一侧，处于偶数号的柔性电极42位置重合并排列在介电弹性体驱动单元4的另一侧，且两侧之间间距为相邻两电极间的间距。柔性电极42包括碳油脂电极、碳粉电极、银粉电极或金粉电极，本实施例中优选碳油脂电极。

步骤s3,制作外部带有传感功能的鱼皮32，具体包括：

步骤s31，将碳纤维增强杆323相互平行交错间隔排布到氨纶编织纤维322中并与氨纶编织纤维322形成一表面，光栅传感器324设置于表面上，并一同放入预置好的矩形容器中；其中氨纶编织纤维322以及碳纤维增强杆323的加入极大提高了柔性蒙皮的强度；嵌入的光栅传感器324可以实时准确监测自身形变，也可感知外部环境压力、温度等的变化。且嵌入的光栅传感器324包括第一光栅传感器3241和第二光栅传感器3242，第一光栅传感器3241与碳纤维增强杆323的方向相互垂直，且垂直方向即为从鱼头单元至鱼尾单元的方向或从鱼尾单元至鱼头单元的方向，能够更加实时准确地检测自身的变形，第二光栅传感器3242的方向可任意设置，本实施例中优选与第一光栅传感器垂直交错设置。

步骤s32，将硅橡胶溶液倒入所述矩形容器中，使得氨纶编织纤维322浸没在硅橡胶溶液中，常温下固化20-28小时后取出，裁剪成所述鱼皮32所需要的形状，完成所述鱼皮32的制作。其中硅橡胶质软，表面光滑，在驱动时不阻碍自身的变形，并且很大程度的减小了水流阻力。

步骤s4，组装软体机器鱼，将介电弹性体驱动单元4穿入支撑结构31中并进行固定，并将介电弹性体驱动单元4与鱼头单元1和鱼尾单元2相连接，将鱼皮32连接到支撑结构31的外部，完成仿生软体机器鱼的制作。

本发明仿生软体机器鱼整体采用仿生结构，仿照鱼的形状进行结构设计，具有很好的伪装性和隐蔽性，其工作原理在于，依次对介电弹性体驱动单元4柔性电极42进行通电，会使介电弹性体驱动单元4依次产生向两侧的弯曲，由于介电弹性体驱动单元4设置于零泊松比蜂窝结构的内部，组装后就会带动零泊松比蜂窝结构弯曲，进而带动鱼尾单元2像鱼一样进行摆动；由于鱼皮32是柔性蒙皮，因此也会随着变形，进而模仿鱼的游动方式向前运动。

实施例6

本实施例与实施例5的区别之处在于，步骤s1中采用pla材料以熔融沉积式打印方式制作机器鱼的鱼头单元1、鱼尾单元2和支撑结构31；熔融沉积成型技术制作方式简单可靠，一体化成型，且不使用激光，与其他使用激光器的快速成型技术相比较而言，它的制作成本很低；除此之外，其原材料利用率很高并且几乎不产生任何污染，而且在成型过程中没有化学变化的发生，在很大程度上降低了成型成本。

实施例7

本实施例与实施例5的区别之处在于，步骤s1中采用tpu材料以光固化打印方式制作机器鱼的鱼头单元1、鱼尾单元2和支撑结构31；制作方式简单可靠，一体化成型，且光固化打印方式在成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高，能够实现比较精细的尺寸成型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。