纤维状介电弹性体驱动器及灵巧手应用

本发明涉及纤维状介电弹性体驱动器及灵巧手应用，属于柔性材料应用领域。

背景技术：

1、随着人工智能与机器人技术快速发展，人形机器人正从实验室走向实际应用场景，具有广阔的应用前景。灵巧手作为人形机器人的核心执行部件，当前主流方案多采用电机+减速器驱动，存在重量大、多自由度集成难、动作生硬、运行噪声大等缺陷。基于生物肌肉形态与工作机理设计人工肌肉驱动的高性能仿生灵巧手，替代传统电机驱动方案，对推动人形机器人技术进步具有重要意义。

2、常用的柔性驱动材料包括形状记忆合金、气动驱动器以及介电弹性体驱动器等。介电弹性体（de）属于典型电活性聚合物人工肌肉，在外加电场作用下可产生可控形变，具有高能量密度、快速响应、质量轻、柔顺性优异等优势。在介电弹性体薄膜的两侧表面均匀覆盖柔性电极并施加电压后，上下两侧的异性电荷互相吸引，薄膜便可以产生明显的形状变化。

3、传统纤维状介电弹性体为被动输出模式，需与弹性元件构成拮抗结构，并依赖刚性框架固定预拉伸纤维。基于上述问题，本发明以纤维状介电弹性体为核心，开发适配灵巧手的新型驱动方案，可实现稳定弯曲动作并具备一定负载能力。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供纤维状介电弹性体驱动器及灵巧手应用，本发明选用碳纳米管（cnt）为柔性可拉伸电极，将两层相同的薄膜覆盖电极后进行堆叠，并通过卷绕形成纤维，再对纤维实施预拉伸，在约束径向形变的同时显著提升轴向输出位移。

2、本发明采用的技术方案为：纤维状介电弹性体驱动器，该驱动器包括驱动器底座、中间板、拉簧和介电弹性体纤维；

3、所述驱动器底座的一端为拉簧端，另一端为纤维端；

4、所述拉簧的一端通过第一高分子聚乙烯细绳连接到拉簧端上，拉簧的另一端通过第二高分子聚乙烯细绳连接到中间板上；第二高分子聚乙烯细绳的一端连接拉簧的远离拉簧端的端部，其另一端穿过中间板的通孔后在中间打结固定，延伸并穿出限位端的端部为细绳自由端，用于对外输出；

5、所述介电弹性体纤维的一端连接到中间板上，另一端固定到固定件上；

6、所述拉簧的力与介电弹性体纤维的力在中间板处形成拮抗。

7、进一步的，所述介电弹性体纤维包括两组：第一介电弹性体纤维和第二介电弹性体纤维，二者的一端穿过中间体的纤维通孔后固定，另一端固定在固定件上且固定件固定设置在纤维端处。

8、进一步的，设未通电时的稳定状态下单根介电弹性体纤维拉力，弹簧拉力，高分子聚乙烯细绳上的张力，介电弹性体纤维与弹簧拮抗时：

9、+=

10、设通电后单根介电弹性体纤维拉力减小，纤维劲度系数，弹簧劲度系数，位移为x，有

11、

12、计算得到：

13、

14、即获得介电弹性体纤维通电前后能够拉动的距离。

15、进一步的，纤维状介电弹性体驱动器，所述介电弹性体纤维包括四组：第一介电弹性体纤维、第二介电弹性体纤维、第三介电弹性体纤维、第四介电弹性体纤维；第一介电弹性体纤维和第二介电弹性体纤维一端穿过中间体的纤维通孔后固定，另一端固定在固定件一侧，固定件能够随着拉力移动；固定件的另一侧滑轮细绳绕过第一滑轮后连接至中间连接块和第四介电弹性体纤维的一端连接纤维固定块，另一端连接到中间连接块上；所述纤维固定块设置在拉簧端。

16、进一步的，所述第一介电弹性体纤维和第二介电弹性体纤维处于同一水平面上，第三介电弹性体纤维和第四介电弹性体纤维处于同一平面上，二者通过第一滑轮构成上下两层结构。

17、进一步的，所述第一介电弹性体纤维、第二介电弹性体与第三介电弹性体纤维、第四介电弹性体纤维在中间板处共同与拉簧形成拮抗。

18、进一步的，所述第一介电弹性体纤维、第二介电弹性体与第三介电弹性体纤维在中间板处共同与拉簧形成拮抗。

19、应用所述的纤维状介电弹性体驱动器的灵巧手，包括手臂、手掌和手指，所述手指设置有三个关节，从手掌朝向指尖方向依次为掌指关节、近端关节、远端关节；

20、所述手臂内部设置有集成底板以及多组介电弹性体驱动器单元，多组所述介电弹性体驱动器单元固定安装于所述集成底板上，每组所述介电弹性体驱动单元均包括所述纤维状介电弹性体驱动器、第二滑轮和腱绳；

21、每组所述介电弹性体驱动单元中，所述腱绳的一端与拉簧远离拉簧端的端部固定连接，所述腱绳的另一端依次贯穿所述拉簧、拉簧端的通孔后绕过所述第二滑轮，且所述腱绳的另一端与第二高分子聚乙烯细绳的细绳自由端连接或一体成型；细绳自由端与腱绳构成拉动组件；

22、所述灵巧手配置有14个自由度，其中四指各配置三个自由度，拇指配置两个自由度，所述四指的远端关节为被动自由度且与近端关节联动，其余自由度均为主动自由度；

23、所述集成底板左侧设置有用于固定纤维状介电弹性体驱动器的固定底座，所述集成底板的右侧设置有第二滑轮，所述集成底板上对应每个驱动单元的两侧均开设有用于固定的通孔，所述第二滑轮用于将驱动同一自由度的腱绳两端连通配合；

24、每个手指对应配置两组拉动组件，一组所述拉动组件对应安装于手指的近端关节与远端关节位置，另一组所述拉动组件对应安装于手指的掌指关节位置；所述拉动组件的腱绳和细绳自由端由手掌的手腕位置穿出，且所述腱绳布置于手背侧；

25、拉动组件绕设对应手指的关节并与关节固定连接，通过牵拉腱绳与细绳自由端实现手指关节的弯曲与复位；通电状态下，通过对手心侧的细绳自由端施加拉力实现手指弯曲，手背侧的腱绳绕过定滑轮与介电弹性体驱动器单元的弹簧活动端联动配合，实现手指两侧腱绳与细绳自由端同步运动；断电状态下，所述拉簧恢复原长并带动手背侧腱绳运动，实现手指伸直复位。

26、进一步的，每组所述介电弹性体驱动器单元单独对应驱动灵巧手的一个自由度，各所述介电弹性体驱动器单元独立作业，互不干扰。

27、进一步的，当所述第二高分子聚乙烯细绳的细绳自由端向左被拉动时，带动对应手指关节弯曲，同时所述腱绳向右被动拉动；当所述腱绳向左被拉动时，带动对应手指复位伸直。

28、进一步的，所述四指的远端关节依托与近端关节的联动关系实现被动运动，无独立驱动组件，所述掌指关节、近端关节以及拇指的各关节均配置独立的介电弹性体驱动器单元实现主动驱动。

29、进一步的，所述拉簧与腱绳嵌套配合，所述拉簧端的通孔对腱绳起到限位导向作用，保证腱绳伸缩、拉动过程中的运动稳定性。

30、进一步的，所述集成底板通过两侧通孔完成多组介电弹性体驱动器单元的定位固定，配合右侧定滑轮实现腱绳转向、换向传动，适配灵巧手多自由度的驱动布局需求。

31、应用所述的纤维状介电弹性体驱动器的灵巧手，驱动器单元固定在底板上，底板左侧为原驱动器单元的固定底座，用于固定纤维的一侧，每个驱动单元的两侧设计了通孔用于固定，底板右侧为定滑轮，用于将驱动每个自由度的腱绳两端连接起来；

32、手指为腱绳驱动，每条腱绳绕过手指的关节并与关节固定，可通过拉伸绳的两端实现弯曲与复位；通电时，通过对手心侧的腱绳施加拉力实现手指弯曲，另一侧的腱绳绕过滑轮与驱动器单元的弹簧活动端相连，实现手指两侧腱绳的同时运动，在断电后弹簧恢复原长，带动手背侧的腱绳运动，从而使手指恢复伸直状态。

33、本发明的有益效果为：本发明中，弹簧与两根纤维通过中间板形成拮抗结构，纤维预拉伸后通过固定件固定在底板的右侧。纤维通电后在麦克斯韦应力作用下张力减小，弹簧拉力大于纤维从而收缩，弹簧收缩拉动细绳从而实现主动对外力输出，进而驱动绳驱式灵巧手动作。该结构可改变介电弹性体纤维的力输出模式，实现通电主动出力。

34、为进一步提升输出位移，在单层驱动单元基础上增加一层驱动单元形成双层串联结构，两段纤维通过细绳连接并经滑轮换向，滑轮与下层驱动单元无运动干涉。通电后弹簧带动下层纤维向左侧移动，而上侧纤维的左端固定，右侧在细绳的牵引下向右移动，从而将两段纤维的位移相加，实现更大的位移。