一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节。

背景技术

随着机器人智能化水平和操作能力的不断提升，灵巧手在航天航空、紧密机械、军事、工业和医疗器械等领域都有着广泛的应用前景。传统的灵巧手指关节多采用电动机、液压泵、气缸，齿轮、腱绳等零部件实现驱动和运动传递，然而机械机构的关节传动部件较多，结构较为复杂，制造难度高，需要较大的工作空间，并且环境适应性差，适用抓取对象范围小。而基于智能材料驱动的柔性指关节，与传统的机械结构关节相比，它的结构较为简单，控制方便，环境适应性高，然而，其刚度较差和驱动力不足的特点限制了它的适用范围。此外，近些年来，折纸结构凭借其良好的折叠特性和大折展比的特点而广受关注，科学工作者还将折纸技术用到了机器人的设计中，在保留机器人智能化等优势的基础上加入折纸的折叠特性,设计出各式各样的折纸机器人，增加了其对环境的适应性。

参考专利申请公布号：CN111923068A，一种腱传动仿人灵巧手的手指关节。该发明提供一种腱传动仿人灵巧手的手指关节，使用较少的腱绳实现较多的自由度，在与人手尺寸相仿的基础上使结构紧凑合理，利用结构上的特点达到腱绳传动效果，在高度一体化的同时具备一定的灵活性，可以实现较为精确的位置控制。但是该设计提供的腱传动手指关节仅有一个自由度，且柔顺性较低。

参考专利申请公布号：CN111673781A，一种变刚度仿人机器人手爪。该发明通过变刚度直线驱动装置实现手指关节刚性的改变，配合拇指的相对运动，提高了机器人手爪抓取目标的适应性。但是该设计采用内置的机电系统来实现灵巧手的关节弯曲，内部结构较为复杂，对滑块、螺母和丝杆等元件的采用较多且运动空间有限，装配比较麻烦，负载自重比较低。

参考专利申请公布号：CN108177156A，一种结构解耦驱动的变刚度软体手。该发明通过形状记忆合金驱动手指各部分动作，同时通过电流改变形状记忆合金的温度控制其杨氏模量，实现手指的刚度可变以获得更精确的抓取动作，具有更简单的结构且没有机械疲劳和磨损问题，还可以降低机械手与人交互过程中的风险，从而提供了一种软体手发展的可行性结构模型。但是电流热驱动有效功率较低，驱动时间较长。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节，指节具有多个自由度，灵活性好，响应速度快，折纸结构提高了指节的刚性及负载能力，介电弹性体材料自身固有的柔性结合折纸结构的折叠特性提高了指节的环境适应性。

本发明提供以下的技术方案：一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节,包括指节，所述指节包括：

支架单元，所述支架单元包括分别位于所述指节两端的两个支架体；

驱动组件，所述驱动组件包括介电弹性体驱动机构，每个所述介电弹性体驱动机构连接在所述两个支架体之间，所述介电弹性体驱动机构包括介电弹性体驱动器，所述介电弹性体驱动器弯曲形变带动所述指节形变；

折叠组件，所述折叠组件包括折叠式支撑机构，每个所述折叠式支撑机构连接在所述两个支架体之间，所述折叠式支撑机构包括刚性折纸单元，所述指节形变带动所述刚性折纸单元折叠形变。

进一步的，所述驱动组件包括沿所述指节的周向依次设置的多处所述介电弹性体驱动机构，所述折叠组件包括沿所述指节的周向依次设置的多处所述折叠式支撑机构。

进一步的，每个所述介电弹性体驱动机构包括分别与所述两个支架体连接的两个所述介电弹性体驱动器，同一所述介电弹性体驱动机构的两个所述介电弹性体驱动器的相接处位于所述指节的长度二等分处且同一所述介电弹性体驱动机构的两个所述介电弹性体驱动器的相接处向所述指节的内侧弯曲形变，

每个所述折叠式支撑机构包括分别与所述两个支架体连接的两个所述刚性折纸单元，同一所述折叠式支撑机构的两个所述刚性折纸单元的相接处位于所述指节的长度二等分处对称且同一所述折叠式支撑机构的两个所述刚性折纸单元均向所述指节的内侧折叠形变。

进一步的，所述介电弹性体驱动器包括叠置在一起的基底和介电弹性体薄膜，所述基底设置为一层或叠置在一起的多层，所述介电弹性体薄膜设置为多层，每层所述介电弹性体薄膜的两表面均覆盖有柔性电极，当对所述柔性电极施加电压时，所述介电弹性体驱动器往所述基底侧弯曲。

进一步的，所述介电弹性体薄膜采用聚丙烯酸酯或硅橡胶材料，所述基底采用刚度比所述介电弹性体薄膜大的柔性材料，所述柔性电极采用碳黑、硅胶和硅油的混合物材料。

进一步的，每个所述刚性折纸单元的折痕为单顶点六折痕菱形图案，由所述刚性折纸单元组成的所述折叠组件满足指节拉伸、压缩以及弯曲的运动要求。

进一步的，所述支架体为六边形薄板，所述六边形薄板包括交替布置的第一侧边和第二侧边，三个所述第一侧边用于连接所述介电弹性体驱动机构，三个所述第二侧边用于连接所述折叠式支撑机构。

进一步的，三个所述第一侧边连接的所述介电弹性体驱动机构的输入电压独立控制，输入电压相同时，指节实现压缩运动，输入电压不同时，指节实现弯曲运动。

进一步的，所述支架体设有用于粘贴其所连接的所述介电弹性体驱动器的多个夹板，所述介电弹性体驱动机构的两个所述介电弹性体驱动器粘贴连接。

进一步的，所述支架体和所述刚性折纸单元均采用3D打印制作，所述折叠式支撑机构的折痕通过在不同板块连接处3D打印柔性材料实现。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1)本发明公开的一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节，通过介电弹性体驱动器的机电耦合可实现指节的伸缩及弯曲运动，指节具有多个自由度，灵活性好，响应速度快；

2)本发明公开的一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节，将折纸结构和介电弹性体驱动相结合，可提高指节的刚性及负载能力，并保证指节运动的可控性，介电弹性体材料自身固有的柔性结合折纸结构的折叠特性提高了指节的环境适应性；

3)本发明公开的一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节，介电弹性体驱动器的多层结构设计及增加驱动机构的数量可增大指节的驱动力；

4)本发明公开的一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节，介电弹性体驱动机构和折叠式支撑机构对称设置，由此产生的压缩位移和弯曲角度更大，工作空间也更大。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明中灵巧手指节的整体示意图；

图2为本发明中灵巧手指节的不包括介电弹性驱动组件的局部示意图；

图3为本发明中灵巧手指节的不包括折叠组件的局部示意图；

图4为本发明中介电弹性体驱动器的示意图；

图5为本发明中介电弹性体驱动器输入电压前的示意图；

图6为本发明中介电弹性体驱动器输入电压后的示意图；

图7为本发明中当不同侧所述介电弹性体驱动器的输入电压相同时所述指节的示意图；

图8为本发明中当不同侧所述介电弹性体驱动器的输入电压不同时所述指节的示意图。

其中，1、支架体；11、夹板；2、介电弹性体驱动机构；21、介电弹性体驱动器；211、基底；212、介电弹性体薄膜；213、柔性电极；3、折叠式支撑机构；31、刚性折纸单元；32、横向折痕；33、单顶点六折痕菱形图案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

参见图1至图3，如其中的图例所示，一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节,包括指节，指节包括：

支架单元，上述支架单元包括分别位于指节两端的两个支架体1；

驱动组件，上述驱动组件包括介电弹性体驱动机构2，每个介电弹性体驱动机构2连接在两个支架体1之间，介电弹性体驱动机构2包括介电弹性体驱动器21，介电弹性体驱动器21弯曲形变带动指节形变；

折叠组件，上述折叠组件包括折叠式支撑机构3，每个折叠式支撑机构3连接在两个支架体1之间，折叠式支撑机构3包括刚性折纸单元31，指节形变带动刚性折纸单元31折叠形变。

上文中，通过介电弹性体驱动器的机电耦合实现指节的伸缩及弯曲运动，将折纸结构和介电弹性体驱动相结合，可提高指节的刚性及负载能力，并保证指节运动的可控性，介电弹性体材料自身固有的柔性结合折纸结构的折叠特性提高了指节的环境适应性。

本实施例中优选的实施方式，每个驱动组件包括沿指节的周向依次设置的三处介电弹性体驱动机构，每处介电弹性体驱动机构包括靠近的两个介电弹性体驱动机构2，每个折叠组件包括沿指节的周向依次设置的三处折叠式支撑机构3，每处折叠式支撑机构包括一个折叠式支撑机构3。

上文中，通过设置多个介电弹性体驱动机构和多个折纸机构，一方面可增大指节的驱动力，刚性及负载能力，另一方面，指节具有多个自由度，灵活性好，响应速度快。

本实施例中优选的实施方式，每个介电弹性体驱动机构2包括分别与两个支架体1连接的两个介电弹性体驱动器21，同一介电弹性体驱动机构2的两个介电弹性体驱动器21的相接处位于指节的长度二等分处且同一介电弹性体驱动机构2的两个介电弹性体驱动器21的相接处向指节的内侧弯曲形变，

每个折叠式支撑机构3包括分别与两个支架体1连接的两个刚性折纸单元31，同一折叠式支撑机构3的两个刚性折纸单元31的相接处位于指节的长度二等分处且同一折叠式支撑机构3的两个刚性折纸单元31均向指节的内侧折叠形变。

上文中，介电弹性体驱动机构和折叠式支撑机构对称设置，由此产生的压缩位移和弯曲角度更大，工作空间也更大。

本实施例中优选的实施方式，支架体1为六边形薄板，六边形薄板包括交替布置的第一侧边和第二侧边，三个第一侧边用于连接介电弹性体驱动机构2，三个第二侧边用于连接折叠式支撑机构3。

本实施例中优选的实施方式，三个第一侧边连接的三处介电弹性体驱动机构的输入电压独立控制，输入电压相同时，指节实现压缩运动，输入电压不同时，指节实现弯曲运动。

本实施例中优选的实施方式，每个刚性折纸单元31的折痕为单顶点六折痕菱形图案33，由刚性折纸单元31组成的所述折叠组件满足指节拉伸、压缩以及弯曲的运动要求。

本实施例中优选的实施方式，支架体1设有用于粘贴其所连接的介电弹性体驱动器21的多个夹板11，每个介电弹性体驱动机构2的两个介电弹性体驱动器21粘贴连接。

本实施例中优选的实施方式，支架体1和刚性折纸单元31均采用3D打印制作，折叠式支撑机构3的折痕通过在不同板块连接处3D打印柔性材料实现。

参见图4至图6，本实施例中优选的实施方式，介电弹性体驱动器21包括叠置在一起的基底211和介电弹性体薄膜212，基底211设置为一层，介电弹性体薄膜212设置为多层，每层介电弹性体薄膜212的两表面均覆盖有柔性电极213，当对柔性电极213施加电压时，介电弹性体驱动器21往基底211侧弯曲。

上文中，介电弹性体驱动器的多层结构设计可增大指节的驱动力。

本实施例中优选的实施方式，介电弹性体薄膜212采用聚丙烯酸酯或硅橡胶材料，基底211采用刚度比介电弹性体薄膜212大的柔性材料，柔性电极213采用碳黑、硅胶和硅油的混合物材料。

参见图7和图8，本实施例中优选的实施方式，每两个介电弹性体驱动机构2在同一第一侧边且其包括的4个介电弹性体驱动器21的输入电压相同，因此产生相同的弯曲变形；三个第一侧边连接的三处介电弹性体驱动机构2的输入电压相同时，指节实现压缩运动，输入电压消失时，指节会自动拉伸恢复至初始状态；三个第一侧边连接的三处介电弹性体驱动机构2的输入电压不同时，指节实现弯曲运动，并且通过三处介电弹性体驱动机构的机电耦合，可实现指节不同方向的弯曲运动；增加介电弹性体驱动器的数量还可增大指节的驱动力。

本实施例中优选的实施方式，单个刚性折纸单元31包括两个相同的大三角板和四个相同的小三角板，由此形成单顶点六折痕菱形图案33。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对本发明实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。