[发明专利]一种基于介电弹性体的柔性关节

说明书

本发明涉及机器人关节结构设计技术领域，特指一种基于介电弹性体的柔性关节。此柔性关节采用软体材料驱动，基于介电弹性体的力电特性，通过改变在介电弹性体材料上的电压的通断，驱动关节的双臂的开合，使得柔性关节开合的响应迅速，力电耦合效率高。

技术领域

本发明涉及机器人关节结构设计技术领域，特指一种基于介电弹性体的柔性关节；基于介电弹性体材料力电耦合性能，实现柔性关节开合驱动，以及开合角度的控制。

背景技术

随着社会科技的飞速发展，军事侦察，医疗救援等领域为机器人技术的发展进一步提出要求。常规的机器人关节多采用电动机，液压泵、齿轮、气缸等部件实现驱动和运动传递。机械结构的关节由于其传动部件较多，需要较大的工作空间，而且全机械驱动装置容易损坏，可靠性较低，能量效率低，工作噪音较大，对环境适应性较差。

发明内容

为了解决机械结构的机器人关节运动的传动机构复杂，工作空间较大，机械效率不高的缺点。本发明目的是提供一种结构简单、开合灵活迅速的关节装置，采用介电弹性体材料作为驱动装置，工作空间小，力电耦合效率高，控制简单，环境适应性高。

本发明采用的技术方案如下：所述的基于介电弹性体的柔性关节包括褶皱结构的扇形介电弹性体、弹簧、可活动臂杆、扇形壳体和弹簧连接件。

其中褶皱结构的扇形介电弹性体是一种绝缘体，具有很高的介电常数，在其上下表面加电压刺激后，由于其不可压缩性，介电弹性体材料在面积上扩大，厚度上减小；当外部电压撤走后，其恢复到原来的状态，从而产生力电转换。由于单层介电弹性体的驱动力较小，本发明做成多层叠加的结构，扇形介电弹性体由三层柔性电极层与两层介电弹性体薄膜叠加而成，从上至下依次为柔性电极层、介电弹性体薄膜、柔性电极层、介电弹性体薄膜和柔性电极层，形成褶皱结构的扇形结构，保证伸缩幅度大，产生较大驱动力；扇形形状是为了保证伸缩方向为两侧；上下两个柔性电极层接电源正极，中间柔性电极层属于公共电极，接电源的负极；上述结构构成褶皱结构的扇形介电弹性体部件，形成的褶皱结构高度为15mm。

所述一种基于介电弹性体的柔性关节的扇形壳体采用有机玻璃材料制成，扇形壳体分为上下两个部分，单个扇形壳体的外观尺寸为：圆心角60度，外圆弧半径90mm，内圆弧半径42mm，厚度为12mm。上下两个部分的壳体内部都分别留出两个槽，用来安置扇形介电弹性体和弹簧。在靠近壳体大端一侧留出径向宽26mm、深8mm的扇形槽安置扇形介电弹性体；在靠近壳体小端留出一个直径为8mm的半圆弧的槽安置弹簧。上部壳体在小端两侧设有两个带孔的杆，孔径2mm；下部壳体在小端两侧设有对应的两个直径为2mm的细杆，两个细杆插入两个带孔的杆配合形成两个轴杆，保证了扇形壳体的装配；两个壳体安装后形成的内部高度为16mm，上部扇形壳体与褶皱结构最高处形成1mm的间隙。

所述一种基于介电弹性体的柔性关节的可活动臂杆采用有机玻璃材料制成，其外观尺寸为：长度为72mm、宽为16mm、厚度为2mm。可活动臂杆的一端有一个轴孔，孔直径为4mm，此处的轴孔与扇形壳体装配产生的轴杆连接，保证了可活动臂杆的转动。

所述一种基于介电弹性体的柔性关节的可活动臂杆有两个，分别与褶皱结构的扇形介电弹性体两侧通过胶粘接。

所述一种基于介电弹性体的柔性关节的两个可活动臂杆与弹簧分别通过两个连接件连接，弹簧的基本尺寸为:外径7mm、线径1mm、圈数25、节距3mm。

本发明是基于介电弹性体材料作为驱动装置的活动关节。采用介电弹性体材料制作成本低，控制简单，易于实现。对介电弹性体材料施加电压，介电弹性体伸展推动活动臂杆绕壳体转动；断开电压，介电弹性体上的力消失，两个可活动臂杆在弹簧作用下恢复初始状态。本发明可以应用于机器人的活动关节，不在需要电机的驱动，自主工作，将多个关节串、并联可以组装出多关节软驱动机器人。

附图说明

图1为一种基于介电弹性体柔性关节结构示意图。