一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人领域，具体地说涉及一种由低弹性模量的柔性材料包含流体材料制作成软体驱动器为动力结构的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人。


背景技术：

2.传统的机器人通常是由基于刚性材料的刚性运动关节的机构组成，它可以快速、准确地执行各项任务，最为广泛使用的工业机器人即是传统机器人。由刚性连杆通过离散的旋转关节或滑移关节连接构成，其运动仅由关节处产生，刚性连杆用于确定各关节间的相互几何关系并保持机器人整体形状。各自由度关节的运动组合形成了机器人末端执行机构在空间活动的最大范围，即工作空间。机器人结构简单，承载能力高，可以重复实现高精度运动，非常适合于工业流水线作业。但是，这类机器人的运动灵活性有限，环境适应性较低，无法在空间受限的环境下工作。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，具体地说涉及一种由低弹性模量的柔性材料包含流体材料制作成软体驱动器为动力结构的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，包括软体驱动器和软体身体组成，其特征在于，在所述软体身体由软体复合材料制成，软体驱动器由高度可变形材料制成，高度可变形材料包括具有高弹性模量的刚性材料、具有低弹性模量的柔性材料、包含流体的材料，高度可变形材料通过外部刺激，可以产生所需的运动和力扭矩，高度可变形材料在外部输入电压的作用下，能产生相应的变形，从而将电能转换为机械能，低弹性模量的柔性材料采用电活性聚合物制作，电活性聚合物是目前最具潜力的仿生机器人驱动器的智能活性材料，电活性聚合物是一种能够在施加外电场作用下，通过改变其材料内部结构而产生伸缩、弯曲、束紧或膨胀等各种形式力学响应的新型智能材料，依据电活性聚合物的驱动原理，可以分为电子型eap和离子型eap两大类。
5.本发明的有益效果是，相对于传统驱动器，软体驱动器在结构和性能方面有着显著的优点：驱动和变形能力大、响应速度快、控制简单、能量消耗低、质量轻等特点。软体驱动器制备简单、价格低廉，软体驱动器能制作成仿生机器人，特别适合于便携设备、仅需使用电池驱动的应用场合。随着智能材料与结构的发展，新型材料不断涌现，研究具有新型驱动特性的新材料，并在此基础上研制采用的软体机器人驱动器具有很大的市场前景。
具体实施方式
6.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，包括软体驱动器和软体身体组成，其特征在于，在所述软体身体由软体复合材料制成，软体驱动器由高度可变形材料制成，高度可变形材料包括具有高弹性模量的刚性材料、具有低弹性模量的柔性材
料、包含流体的材料，高度可变形材料通过外部刺激，可以产生所需的运动和力扭矩，高度可变形材料在外部输入电压的作用下，能产生相应的变形，从而将电能转换为机械能，低弹性模量的柔性材料采用电活性聚合物制作，电活性聚合物是目前最具潜力的仿生机器人驱动器的智能活性材料，电活性聚合物是一种能够在施加外电场作用下，通过改变其材料内部结构而产生伸缩、弯曲、束紧或膨胀等各种形式力学响应的新型智能材料，依据电活性聚合物的驱动原理，可以分为电子型eap和离子型eap两大类。
7.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，电子型eap是在高电场作用下，由库仑力诱导产生电致伸缩效应，从而产生较大应变及作用力，电子型eap要求具有高的激励电场，电子型eap的材料包括介电弹性体，介电弹性体其介电常数高，加工成本低、质量经、效率高、易于成型、反应时间短、疲劳寿命长、循环次数高等，介电弹性体的驱动电压在1千伏以上，该驱动电压限制了其在软体机器人方面的发展和应用，特别是在生物医学等领域，高电压对生物体本身和仪器都会产生极大的伤害。
8.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，离子型eap的是在低外加电场作用下即可产生离子迁移或者扩散作用，诱导材料产生弯曲变形，离子型eap内部通常为电解液，且材料本身柔性大、强度低，适合制作软体驱动器，软体驱动器制备简单、价格低廉，软体驱动器能制作成仿生机器人，特别适合于便携设备、仅需使用电池驱动的应用场合。
9.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，相对于传统驱动器，软体驱动器在结构和性能方面有着显著的优点：驱动和变形能力大、响应速度快、控制简单、能量消耗低、质量轻等特点。软体驱动器制备简单、价格低廉，软体驱动器能制作成仿生机器人，特别适合于便携设备、仅需使用电池驱动的应用场合。随着智能材料与结构的发展，新型材料不断涌现，研究具有新型驱动特性的新材料，并在此基础上研制采用的软体机器人驱动器具有很大的市场前景。
10.在自然界中，软体动物普遍存在于海水、淡水及陆地。经过数亿年的生物进化，这类软体动物逐步形成了变形大、质量轻、功率密度比高的特征，他们可以在复杂的自然环境条件下通过改变自身形状以实现高效运动。大自然中的每一种生物都具有独特的生理结构特征，一般情况下，它们的天然功能远远优于人造机器和设备；因此，人类不断受大自然的启发来设计各类仿生软体机器人。仿生软体机器人旨在模仿生物的外部形状、运动和生物行为特征。仿生软体机器人代表了继工业机器人、遥控机器人和智能机器人之后的第四代机器人。
11.因此，易于变形和灵活的新型驱动器已成为关注的焦点，包括磁致伸缩材料，压电效应驱动器，人造肌肉和超声波马达等。现代仿生软体机器人主要分为两类：冗余或超冗余自由度机器人和关节型机器人。关节型机器人的驱动方式与传统机器人不同，通常使用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等。
12.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，仿生软体机器人一般由柔性材料制成，在非结构化环境工作中，能够通过爬行、扭动、蠕动等方式穿过狭小的空间和完成弯曲、抓取等操作。新型柔性驱动材料、驱动部件和适用于仿生机器人等应用的智能柔性驱动器，已成为当前材料、机械、电气、控制等交叉学科领域迫切需要解决的关键问题。驱动技术的发展是机械系统进步的重要标志，根据其能量转换方式的不同，传统驱动
技术可以分为液压驱动、气压驱动、电气驱动。每一次驱动技术的革新，都会使得机械系统的灵巧性、精确性、能量利用效率等得到进一步的提升。
13.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，通常使用几类指标来比较软体驱动器的性能，包括产生的应力和应变，测量的刚度或弹性模量，以及它们的能量、功、功率和力密度等。对于电活性材料，通常使用弹性能量密度指标，为材料存储潜在机械能的函数，其主要取决于材料的弹性模量。各种驱动类型的软体机器人，包括游泳者、跳线、滚轮和操纵器等软体机器人，可以使用电响应驱动、磁性响应驱动、化学反应驱动、热响应驱动、光响应驱动、压力响应驱动。
14.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，离子型eap的电驱动弯曲变形是在外加电场激励下产生的，包含电能、化学能和机械能之间的转换，其电驱动微观机理非常复杂，需要考虑聚合物分子链的微观结构、电解质离子的力平衡状态、化学反应程度、离子扩散与迁移等多种物理化学过程。驱动过程中存在各种宏观和微观作用力，可以建立离子型eap的本构关系。虽然离子型eap具有不同的组成，但它们在电场作用下具有类似的离子迁移驱动机理；低交流电即可使离子往复运动。离子型eap具有低驱动电压的优点，还适合在水下使用。由于离子型eap材料的优良特性，已经在仿生软体机器人，可穿戴设备，空间应用，盲文设备，电子控制药物释放设备，自动聚焦相机模块和心脏复苏等设备中进行了广泛的探索。预计不断增长的需求将推动机器人的进一步发展，例如救援，水下探测和地质勘探等特殊作业。发展具有生物动力或功能的仿生软体机器人已成为当前的焦点。离子型eap的优良特性为仿生软体机器人的发展提供了很多可能性：(1)变形大：可驱动自身面积和重量的一百倍；(2)易切割，易于控制：适用于各种生物驱动设备；(3)灵活：适应复杂的非结构化环境，特别是水下工作环境；(4)低功耗：对电力的需求低，能长期持续工作。
15.实施本发明的一种离子型电活性聚合物仿生软体协作机器人，离子型eap作为一类新型活性柔性驱动材料，其电
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化学
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物理性能的还要深入研究，驱动变形机理还要全面分析，进行实验室研究，距最终形成商业化产品还需要经历漫长的过程。目前对离子型eap软体机器人的基础理论、设计方法、制备工艺、模型建立、控制方式等方面的研究还处于起步阶段，要深入了解离子型eap的变形机理，建立合理的机电耦合模型，借助计算机仿真技术对软体驱动器进行结构分析，精确的模拟机器人动态变形的过程，并进行参数优化分析设计，促进离子型eap的产品研发，扩大离子型eap作为驱动器、换能器在微机电、仿生软体机器人、生物医学等领域的应用。