本發(fā)明屬于輕質機器人技術領域，特別涉及一種超輕質機器人結構。

背景技術：

輕小型機器人作為機器人領域的一個重要分支，因其體積只有幾微米或者幾十微米的特征尺度，被廣泛應用于人體腔道的探測、藥物輸送、工業(yè)上狹窄環(huán)境的探測以及軍事偵察等領域。輕小型機器人根據(jù)運動方式的不同，主要分為輪式輕小型機器人、仿尺蠖式輕小型機器人、足式輕小型機器人、慣性摩擦式輕小型機器人以及諧振式輕小型機器人等幾種類型。按驅動方式分的話又可以分為氣動、微機電驅動、智能材料驅動以及能量場驅動等。由于輕小型機器人尺寸較小，微機電系統(tǒng)制造及裝配需要精密的機械加工配合，而氣動以及能量場驅動通常需要外在氣泵以及場發(fā)射裝備等，這些沉重的外接設備在一定程度上限制了輕小型機器人的自由運動。諧振式輕小型機器人因其結構簡單、運動分辨率高、運動速度快在眾多輕小型機器人運動結構中獨樹一幟，但是傳統(tǒng)的基于諧振機理的驅動器主要還是壓電片、振動馬達等，其驅動形式較為單一，主要是驅動器的線性振動引起機構運動，以此為基礎開發(fā)的輕小型機器人運動形式也較為單一，機器人功能有限且傳統(tǒng)的諧振式輕小型機器人均為剛性構件，生物親和性較差。

近幾年來，電活性聚合物智能材料—介電彈性體(Dielectric elastomer,DE)的出現(xiàn)，為制作結構簡單、高效的輕小型運動機器人提供了一種全新設計思路。這種材料在外加電激勵下可產生大變形，當激勵撤除后，它又能恢復到原始的形狀尺寸，因此又被稱為“人工肌肉”、“軟機械”。相對于傳統(tǒng)智能材料，DE具有質量輕、運動靈活、能耗低、易于成形以及經受大變形而不易疲勞損傷等突出優(yōu)點，從而使其迅速成為智能材料領域的一個研究熱點，是一種極佳的諧振式驅動器材料。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于利用介電彈性體材料在動態(tài)電壓加載下的諧振機理設計一種基于介電彈性體諧振器驅動的超輕質機器人，以解決現(xiàn)有的輕小型運動機器人結構復雜、制作工藝繁瑣、控制難度大的缺點。

為了達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的：

一種基于介電彈性體諧振器驅動的超輕質機器人，包括介電彈性體諧振器與支撐構件兩部分；

介電彈性體諧振器包括介電彈性體基體材料、上下約束邊框和上下柔性導電電極；

介電彈性體諧振器的上約束邊框連接有上表面銅箔電極，下約束邊框上連接有下表面銅箔電極，上表面銅箔電極和下表面銅箔電極位于介電彈性體諧振器上相對的兩側；上約束邊框和下約束邊框將介電彈性體基體材料夾持于其中；介電彈性體基體材料上表面印刷有電連接上表面銅箔電極的上表面柔性電極，介電彈性體基體材料下表面連接有電連接下表面銅箔電極的下表面柔性電極；

支撐構件上設置有凹槽，介電彈性體諧振器插入支撐構件的凹槽中，且能夠自由滑動。

進一步的，支撐構件與地面接觸的表面采用砂紙單方向打磨的方法處理成具有各向異性摩擦力的表面。

進一步的，所使用的介電彈性體基體材料為3M公司的VHB4910材料。

進一步的，介電彈性體基體材料在拉伸裝置上進行等雙軸4×4倍的機械預拉伸后夾持于上下約束邊框之間。

進一步的，支撐構件為珍珠棉支撐泡沫；珍珠棉支撐泡沫包括平行設置的底板和頂板，底板和頂板的一端通過豎直設置的側壁連接，使得頂板呈懸臂狀；底板的上表面和頂板的下表面遠離側壁的一端設有一對凹槽。

進一步的，介電彈性體諧振器與側壁平行設置。

進一步的，上下柔性導電電極為MG Chemicals公司的846號導電碳脂且上表面柔性電極和下表面柔性電極在垂直于介電彈性體基體材料的方向上投影重合。

進一步的，上下約束邊框采用厚度為1mm的有機玻璃約束邊框。

進一步的，施加到介電彈性體諧振器上的動態(tài)信號為有直流偏置的正弦信號。

進一步的，表面柔性電極和下表面柔性電極呈圓形，上約束邊框和下約束邊框的中心具有圓形空間，上表面柔性電極和下表面柔性電極的邊緣與對應的上約束邊框和下約束邊框的圓形空間邊緣間隔設置。

本發(fā)明一種基于介電彈性體諧振器驅動的超輕質機器人設計，其組成結構為超輕的諧振器和珍珠棉泡沫組成。諧振器嵌入經過切割后的珍珠棉泡沫凹槽上，可自由滑動來對機器人運動方向進行微調，實現(xiàn)機器人在恒定頻率下的直線運動。其中，諧振器在加載千伏級別的高壓電時，在麥克斯韋應力的作用下會在厚度方向產生減小，面積擴張。當加載頻率達到諧振器的共振頻率時將會產生振動力傳遞給支撐泡沫，支撐泡沫與地面接觸的表面預先經過了單方向的砂紙打磨預處理，使其形成具有各向異性摩擦力的微結構表面，在振動力與摩擦力耦合作用的情況下使機器人產生前進的運動力。同時，由于介電彈性體本構模型的非線性特性及其非線性電致變形使其振動特性具有強烈的非線性特征，所以通過改變頻率可使諧振器能夠輸出不均勻分布的振動力，從而能夠使機器人運動方向變化。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明公開的振動移動機構其驅動機理為介電彈性體在動態(tài)電壓加載下的諧振特性，能量轉化效率高且其材料特性也使得基于此制作的機器人具有超輕的重量。本發(fā)明所設計的機器人結構及控制都極為簡單，在工程領域具有潛在的應用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于介電彈性體諧振器驅動的超輕質機器人結構示意圖。其中：1為介電彈性體諧振器、2為珍珠棉支撐泡沫；

圖2為機器人的側視圖。其中2-2為與地面接觸的表面；

圖3為珍珠棉支撐構件。其中2-1為凹槽；

圖4為介電彈性體諧振器結構示意圖，其中，1-1為上表面柔性電極，1-2為上約束邊框，1-3為上表面銅箔電極，1-4為介電彈性體基體材料，1-5為下表面銅箔電極，1-6為下約束邊框，1-7為下表面柔性電極。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

參見圖1，本發(fā)明一種基于介電彈性體諧振器驅動的超輕質機器人，主要包括介電彈性體諧振器1與珍珠棉支撐泡沫2兩部分。

支撐泡沫2包括平行設置的底板22和頂板24，底板22和頂板24的一端通過豎直設置的側壁23連接，使得頂板24呈懸臂狀；底板22的上表面和頂板24的下表面遠離側壁的一端設有一對凹槽2-1，支撐泡沫的形狀經由電熱絲切割出來，之后對其底板22與地面接觸的表面2-2進行單方向砂紙打磨使其前后摩擦力不一致。

介電彈性體諧振器1的制作需要先將介電彈性體基體材料1-4在拉伸裝置上進行等雙軸4×4倍的機械預拉伸，由VHB4910本身具有較大粘性，經過預拉伸后的材料用兩層有機玻璃(上約束邊框1-2和下約束邊框1-6)上下貼附即可進行約束。有機玻璃的上約束邊框1-2和下約束邊框1-6貼到介電彈性體基體材料1-4上后，將約束住的VHB材料及兩層有機玻璃剪下，在上約束邊框1-2和下約束邊框1-6上分別粘貼上表面銅箔電極1-3和下表面銅箔電極1-5，然后在介電彈性體基體材料1-4的上下兩面印刷上流質碳脂電極作為上表面柔性電極1-1和下表面柔性電極1-7(上表面柔性電極1-1和下表面柔性電極1-7呈圓形，上約束邊框1-2和下約束邊框1-6的中心具有圓形空間，上表面柔性電極1-1和下表面柔性電極1-7與對應的上約束邊框1-2和下約束邊框1-6的圓形空間邊緣具有一定距離，未填充滿上約束邊框1-2和下約束邊框1-6的圓形空間)；上表面柔性電極1-1連接上表面銅箔電極1-3，下表面柔性電極1-7連接下表面銅箔電極1-5。為了使碳脂電極的形狀保持規(guī)則，可以先在介電彈性體基體材料1-4上粘附鏤空有預想電極形狀的離型紙再涂碳脂，然后將離型紙取下即可得到預定形狀的碳脂電極。將介電彈性體諧振器1插入珍珠棉支撐泡沫2的凹槽2-1后在動態(tài)電壓的加載下當諧振器產生的振動力大于某一個方向的最大靜摩擦力時機器人開始運動。機器人的初始運動方向可能會出現(xiàn)一定的偏離而不能直線運動，這時可通過滑動諧振器在支撐構件中的位置來實現(xiàn)其直線運動。

具體實施方式一：將偏置后的正弦信號經高壓放大器放大后連接到印刷有圓形碳脂電極的機器人的銅箔電極上，當輸入信號頻率達到機構共振頻率時可實現(xiàn)機器人的直線移動。將諧振器滑移到左側位置時，機器人向右側轉向運動；將諧振器滑移到右側位置時，機器人向左側轉向運動。

具體實施方式二：將偏置后的正弦信號經高壓放大器放大后連接到印刷有圓形碳脂電極的機器人的銅箔電極上，通過改變頻率使諧振器輸出左右不均勻分布的振動力，當左側振動力偏大時，機器人向右側運動，反之亦然。

以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下所做出若干簡單的推演或替換都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。