一种基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人领域，特别涉及一种基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人。


背景技术：

2.随着科技的不断发展，机器人在社会生产活动中的地位越来越重要。但是传统的刚性机器人通常是由金属、陶瓷等硬质材料制成，随着人们对机器人技术需求的不断提高，传统的机器人也因为其结构复杂、灵活性差、适应性差等不足，使其难以满足我们日常生产生活的需要。因此，研究和开发新型机器人具有重要意义。
3.相比于传统的轮式机器人或行走机器人，轮形滚动机器人是一种常见的机器人，具有高效的滚动运动效率，轮形滚动机器人具有更好的稳定性和机动性，容易从碰撞中恢复。由于这些优势，轮形滚动机器人非常适合在未知和各种但相对平坦的地形中使用，这在智能仿生、侦察、探索任务甚至娱乐行业中都有很大的潜力。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人，其目的是为了解决现有机器人结构复杂、灵活性差等问题。
5.为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人，包括：
6.横梁支撑；
7.轮形滚动体，设置在横梁支撑的两侧；
8.介电弹性体驱动器，环设在横梁支撑的侧面，并与横梁支撑之间形成密闭的腔体；所述介电弹性体驱动器包括柔性框架，所述柔性框架上设置有至少四组的圆孔，每组的圆孔至少有两个，柔性框架上贴设有介电弹性体薄膜且各介电弹性体薄膜覆盖于各组圆孔上，各组内圆孔上覆盖的介电弹性体薄膜之间以串联的形式信号连接，各组之间的圆孔上覆盖的介电弹性体薄膜之间以并联的形式信号连接；
9.所述介电弹性体薄膜在信号的控制下进行收缩或膨胀，介电弹性体薄膜透过圆孔形成支撑推动基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人以横梁支撑为转动轴进行转动。
10.优选的，所述横梁支撑包括控制仓和可存储压缩气体的刚性气腔，所述控制仓为空腔柱体，所述控制仓的端面设置有贯通孔，两个所述刚性气腔之间连接有导气管，所述导气管由贯通孔穿过控制仓，所述刚性气腔的侧壁上设置有透气孔，两个所述刚性气腔相互远离的端面分别设置有用以封闭刚性气腔的密封端盖，所述轮形滚动体设置在密封端盖上。
11.优选的，两个所述密封端盖中至少一个设置有气动单向阀。
12.优选的，所述介电弹性体薄膜由两面覆盖柔性电极的聚丙烯酸酯组成，柔性框架
采用厚度为0.25mm的pet材料。
13.优选的，所述基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人还包括控制系统所述控制系统设置在控制仓内，所述控制系统包括控制器，所述控制器信号连接有pwm信号控制模块，所述pwm信号控制模块信号连接有高压放大模块，所述高压放大模块分别信号连接于各个圆孔上的介电弹性体薄膜，所述控制器还信号连接有自感检测模块，所述自感检测模块信号连接于各圆孔上的介电弹性体薄膜。
14.优选的，所述气动单向阀外壳采用pp材料，正向开启压力为2kpa。
15.优选的，所述轮形滚动体与密封端盖之间胶接固定。
16.本发明的上述方案有如下的有益效果：
17.本技术通过介电弹性体驱动器和高压气体推动机器人快速滚动，可以自主地实现快速、连续、稳定的向前、向后滚动运动，具有结构简单、响应快、质量轻、控制简单、抗冲击性好等优点，克服了传统的滚动机器人机械结构复杂、体积大、需要额外传感器与驱动模块、拖线等缺点。
附图说明
18.图1是本发明的整体示意图；
19.图2是本发明的分解示意图；
20.图3是介电弹性体驱动器示意图；
21.图4是介电弹性体驱动器运动示意图。
22.【附图标记说明】
[0023]1‑
横梁支撑、2
‑
轮形滚动体、3
‑
介电弹性体驱动器、11
‑
控制仓、12
‑
刚性气腔、13
‑
密封端盖、24
‑
气动单向阀、25
‑
胶条、31
‑
柔性框架、32
‑
介电弹性体薄膜。
具体实施方式
[0024]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0025]
如图1
‑
4所示，本发明的实施例提供了一种基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人，包括轮形滚动体2、设置在两个轮形滚动体2之间的横梁支撑1以及介电弹性体驱动器3。介电弹性体驱动器3环设在横梁支撑1的侧面，并且与横梁支撑1的侧面形成密闭腔体，当密闭腔体内充满压缩气体后，介电弹性体驱动器3在信号的作用下发生收缩和膨胀，在压缩气体的作用下，介电弹性体驱动器3发生形变，推动基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人以横梁支撑1为转动轴进行转动起到前进、后退的动作。
[0026]
具体而言，介电弹性体驱动器3包括柔性框架31，在柔性框架31上设置有至少四组的圆孔，每组的圆孔至少有两个，柔性框架31贴设有介电弹性体薄膜32，每个介电弹性体薄膜32分别覆盖于各组的圆孔上。优选的，柔性框架31采用厚度为0.25mm的pet材料制成，其上的圆孔通过激光切割加工而成。介电弹性体薄膜32由两面覆盖柔性电极的聚丙烯酸酯组成。轮形滚动体2采用厚度为2mm的亚克力板材或树脂材料，通过激光切割或3d打印加工而成。
[0027]
为了便于描述，在本实施例中，将每组的介电弹性体薄膜32定义为32
‑
a、32
‑
b、32
‑
c、32
‑
d，其中每组内的介电弹性体薄膜32之间以串联的方式进行信号传输，32
‑
a、32
‑
b、32
‑
c、32
‑
d四组介电弹性体薄膜之间采用并联的方式进行信号传输。当信号输入时，可控制任意一介电弹性体薄膜32发生形变。
[0028]
前述的横梁支撑1包括控制仓11和可存储压缩气体的刚性气腔12，其中控制仓11为空腔柱体，在控制仓11的端面设置有贯通控制仓11的贯通孔。贯通孔内设置有导气管。在控制仓11的端面两侧设置前述的刚性气腔12，刚性气腔12为圆筒状，其一端封闭设置并且与导气管连通，另一端设置有密封端盖13，密封端盖13与刚性气腔12可分离设置，密封端盖13与刚性气腔12安装在一起时应当保证密封性。优选的，在至少一个密封端盖13上设置有气动单向阀24。密封端盖13与轮形滚动体2之间采用胶条25固定，如热熔性压敏胶、丙烯酸压敏胶、聚丙烯酸酯压敏胶。
[0029]
气动单向阀24的外壳采用pp材料，正向开启压力为2kpa，内部采用弹簧，反向无需压力便能止流。
[0030]
当向刚性气腔12内注入压缩气体时，两个刚性气腔12因为导气管的存在保证两端压力相同。本技术中刚性气腔12是指当压缩气体进入刚性气腔12内时，刚性气腔12不会因为压缩气体产生较大的形变。
[0031]
进一步的，刚性气腔12的侧壁上设置有若干的透气孔。
[0032]
前述的介电弹性体驱动器3与横梁支撑1之间间隔一段距离，以便压缩气体由透气孔排出。为了保证介电弹性体驱动器3与横梁支撑1之间的密封性，密封端盖13的半径应当与介电弹性体驱动器3形成的圆筒半径相同，介电弹性体驱动器3与横梁支撑1之间应当密封处理，避免压缩气体逸出。
[0033]
控制仓11和刚性气腔12采用刚性连接，避免控制仓11和刚性气腔12在转动时产生错位，造成压缩气体的逸出。
[0034]
前述提及介电弹性体驱动器3可以在信号的作用下进行前进、后退的动作，其信号来源于控制系统，具体而言，控制系统设置在控制仓11内，所述控制系统包括控制器，所述控制器信号连接有pwm信号控制模块，所述pwm信号控制模块信号连接有高压放大模块，所述高压放大模块分别信号连接于各个圆孔上的介电弹性体薄膜32。
[0035]
控制器还信号连接有自感检测模块，所述自感检测模块信号连接于各圆孔上的介电弹性体薄膜32。
[0036]
控制系统用于控制某一特定介电弹性体薄膜32产生形变，并且对其形变进行检测，避免介电弹性体薄膜32因形变和压强的作用造成破损。
[0037]
在使用本技术时，首先需要通过气动单向阀24充入压缩气体，并彻撤掉充气装置。当控制系统将驱动电压信号传输至介电弹性体薄膜32
‑
a时，介电弹性体薄膜32
‑
a在驱动电压的作用下快速膨胀产生推力，从而推动本技术滚动，此时介电弹性体驱动器3的内部气压减小，致使介电弹性体薄膜32
‑
b、32
‑
c、32
‑
d产生收缩动作；当控制系统将驱动电压信号断开，介电弹性体薄膜32
‑
a不再发生膨胀，此时介电弹性体薄膜32
‑
b、32
‑
c、32
‑
d均自动恢复至原始状态；随后当控制系统将驱动电压信号传输至介电弹性体薄膜32
‑
b时，介电弹性体薄膜32
‑
b在驱动电压的作用下快速膨胀产生推力，从而推动本技术继续滚动，此时介电弹性体驱动器3的内部气压减小，致使介电弹性体薄膜32
‑
a、32
‑
c、32
‑
d产生收缩动作；当控制系统将驱动电压信号断开，介电弹性体薄膜32
‑
b不再发生膨胀，此时介电弹性体薄膜32
‑
a、
32
‑
b、32
‑
c、32
‑
d均自动恢复至原始状态；以此类推，通过实时控制不同位置的介电弹性体薄膜的膨胀、收缩状态，即可控制轮形滚动机器人实现向前、向后的连续滚动。
[0038]
每组介电弹性体薄膜32均与控制系统的自传感检测信号模块连接，当此轮形滚动机器人滚动时，产生动作的一组介电弹性体薄膜32的电容值将变大，将该电容值变化通过自传感检测信号模块反馈到控制系统7的微控制器模块，以便使控制系统确定下一组驱动器需要产生的动作，然后控制系统发出指令信号，通过高压放大模块产生驱动电压信号驱动不同的介电弹性体薄膜32；在本技术的向前、向后连续滚动过程中，无需额外增加传感器，仅需通过自传感检测信号模块即可实现机器人的自主向前、向后滚动。
[0039]
本技术利用介电弹性体驱动器3驱动与压缩气体的配合实现了走行功能，具有响应快、能量效率高、质量轻等优点，在电压作用下产生推力推动本技术实现向前、向后滚动。
[0040]
利用介电弹性体驱动器3的自传感，通过内部集成的自传感检测信号模块，无需额外增加传感器即可实现本技术的自主控制；通过集成驱动控制模块，将驱动控制模块安装在控制仓11内部，无需与外部电源线、信号线连接，实现了机器人的无系留化。
[0041]
本本发明克服了传统的滚动机器人机械结构复杂、体积大、需要额外传感器与驱动模块等缺点，具有结构简单、控制方便、质量轻、响应快、无系留、自主运动等优势。
[0042]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。