一种基于水凝胶驱动器的软体机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种基于水凝胶驱动器的软体机器人，包括骨架层和变形驱动层，双层变形驱动层之间的设有中间夹层，所述中间夹层为骨架层；每层所述变形驱动层与所述骨架层之间内设有若干互不连通的流体腔室，通过对不同位置的所述流体腔室充或抽流体，使骨架层产生形变。所述骨架层的材料为纳米纤维素水凝胶；所述变形驱动层的材料为双网络交联水凝胶。一层所述变形驱动层与所述骨架层之间流体腔室的形状与另一层所述变形驱动层与所述骨架层之间流体腔室的形状相同或者相异。本发明专利技术可实现任意方向上的自由度变化，能够完成更加复杂的姿态变换。相较于单层结构，设计中的双层结构能提高形态变换的稳定性及灵敏性。

A Software Robot Based on Hydrogel Driver

The invention provides a software robot based on a hydrogel driver, which includes a skeleton layer and a deformation driving layer, with an intermediate sandwich between the two deformation driving layers, the intermediate sandwich being a skeleton layer, and a number of disconnected fluid chambers between the deformation driving layer and the skeleton layer in each layer, by filling or pumping the fluid chambers at different locations, so as to make the fluid chambers filled or pumped. The skeleton layer deforms. The material of the skeleton layer is nanocellulose hydrogel, and the material of the deformation driving layer is a double network crosslinked hydrogel. The shape of the fluid chamber between the deformation driving layer of one layer and the skeleton layer is the same or different as that between the deformation driving layer and the skeleton layer of another layer. The invention can realize the change of freedom degree in any direction, and can accomplish more complex attitude transformation. Compared with single-layer structure, double-layer structure can improve the stability and sensitivity of morphological transformation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于水凝胶驱动器的软体机器人
本专利技术涉及软体机器人的
，特别涉及一种基于水凝胶驱动器的软体机器人。
技术介绍
软体机器人是一个新生领域，软体机器人模仿自然界的软体动物的外形结构或运动模式，很少甚至完全不采用传统硬质材料，由可承受大应变的橡胶、硅胶、形状记忆聚合物、水凝胶等柔软材料制成，刚度通常大约为104～109Pa，与生物皮肤或肌肉组织相对应，可在大范围内改变自身的外形结构、或运动模式，以适应在多变复杂的非结构化环境中高效运动。在抓取搬运异形易损目标物以及仿生蠕动、扭转、爬行、游动、跳跃时，软体机器人展现出传统机器人无法比拟的优势，极大地弥补了传统机器人的不足，引起了国内外学者的广泛关注。水凝胶是一种在水中通过物理或化学交联的方式聚合形成网络凝胶的亲水聚合物，同时可以响应如温度、光照、pH值、电场或磁场等不同外界刺激的改变而发生结构、物理或化学性质等变化。水凝胶因高含水量，灵活性、敏感性、可延展性、安全性等其有益特性可展现出类似自然界的软体生物(诸如鳗鱼、水母等，其组织和器官由活性透明水凝胶组成)的弹性与可变形性质而受到欢迎。目前，利用智能水凝胶在外界刺激下的形变特性研发的水凝胶致动器涌现出不少研究研究成果，但是存在驱动力小的不足，并且主要是基于渗透驱动的，本质上是低速或低力的。本专利技术设计一种基于水凝胶驱动器的软硬软三明治结构软体机器人，可实现任意方向上的自由度变化，能够完成更加复杂的姿态变换。相较于单层结构，设计中的软硬软三明治结构能提高形态变换的稳定性及灵敏性。由于水凝胶在中等应力下的抗疲劳性能，水凝胶致动器和机器人可以在多个致动循环中保持其坚固性和功能性。中国专利技术专利公布了一种基于蜂巢气动网络的软体机器人，该专利中利用气体控制气动网络的变形达到软体机器人的连续变形的效果。该专利中蜂巢气囊利用聚乙烯高分子制成，有较好的刚度，但在水下环境中的应用效果不及水凝胶致动器。该专利能够在X轴Y轴方向进行连续变形，但是在Z轴方向变形能力明显欠缺，本专利技术能完美的解决该问题，实现水凝胶的三维变换。中国专利技术专利公开了一种基于关节式气动软体致动器驱动的仿蛙游动机器人。该专利仿蛙游动机器人本体机构的设计主要以刚性材料为主，其承载能力和运动精度较高，结构复杂，体积和重量偏大，难以实现机器的轻量化和小型化，推进过程受到阻力较大，降低了机器人运行过程的机动性，并且密封性不佳，易发生透水现象的问题，应用水凝胶做软体致动器的基本材料可以改善软体致动器在水中的性能，而且相较于该专利，水凝胶致动器更加轻便小巧，可以灵活的实现各种姿态的变换。中国专利技术专利公开了一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器。该专利技术专利通过气动折纸结构来实现向上以及向下的弯曲驱动，该种方法较为稳定，但由于变形层刚度较大，伸缩弯曲等变形较为困难，故在负载较大的环境下有所限制；同时在前后、左右方向的弯曲形变也无法完成。本专利气动软体水凝胶致动器能够在多个方向上完成弯曲形变，自由度较该专利更大。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种基于水凝胶驱动器的软体机器人，可实现任意方向上的自由度变化，能够完成更加复杂的姿态变换。相较于单层结构，设计中的双层结构能提高形态变换的稳定性及灵敏性。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种基于水凝胶驱动器的软体机器人，包括骨架层和变形驱动层，双层变形驱动层之间的设有中间夹层，所述中间夹层为骨架层；每层所述变形驱动层与所述骨架层之间内设有若干互不连通的流体腔室，通过对不同位置的所述流体腔室充或抽流体，使骨架层产生形变。进一步，所述骨架层的材料为纳米纤维素水凝胶；所述变形驱动层的材料为双网络交联水凝胶。进一步，一层所述变形驱动层与所述骨架层之间流体腔室的形状与另一层所述变形驱动层与所述骨架层之间流体腔室的形状相同或者相异。进一步，所述流体腔室的形状为方形或球形。进一步，每层所述流体腔室矩形阵列排布或者环形排布。进一步，一层所述变形驱动层和所述骨架层之间的流体腔室与另一层所述变形驱动层和所述骨架层之间的流体腔室对称布置或者交错布置。进一步，任一所述流体腔室均单独通过流体导管与流体执行机构连通。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人，水凝胶材料的选择能够使该软体机器人适应水下的环境。2.本专利技术所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人，夹层结构的设计使得该软体致动器能够实现空间三维变形，形变过程更加的稳定、高效。3.本专利技术所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人，多腔室组成的流体驱动网络能够使该软体致动器完成更加复杂的自由度变换，打破了二维平面驱动的限制，使其在三维空间中能够灵活的完成一系列姿态的变换。附图说明图1为本专利技术所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人机构示意图。图2为本专利技术所述的变形驱动层示意图。图3为本专利技术所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人的截面图。图4为本专利技术所述的球形流体腔室示意图。图5为本专利技术所述的流体腔室错位排列示意图。图6为本专利技术所述的骨架层纵向一次弯曲变形示意图。图7为本专利技术所述的骨架层纵向三次弯曲变形示意图。图8为本专利技术所述的骨架层斜向一次变形示意图图9为本专利技术实所述流体腔室矩形阵列的示意图。图中：1-骨架层；2-变形驱动层；3-流体腔室。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。如图1和图2所示，本专利技术所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人，包括骨架层1和变形驱动层2，双层变形驱动层2之间的设有中间夹层，所述中间夹层为骨架层1；图中可以看出，骨架层1被两层变形驱动层2夹在中间，类似于软硬软三明治结构。所述骨架层1的材料为纳米纤维素水凝胶；所述变形驱动层2的材料为双网络交联水凝胶。纳米纤维素水凝胶构成的骨架层1能够在任意方向发生形变，纤维素水凝胶具有高弹性、高韧性、高敏感度等特点，形变量最大可达到800％；双网络交联水凝胶构成的变形驱动层2有较好的可变形性，每层双网络交联水凝胶与纳米纤维素水凝胶之间紧密结合。骨架层1比变形驱动层2有更强的刚度，变形驱动层2的伸展性较强。骨架层1与变形驱动层2粘接连接。如图3所示，每层所述变形驱动层2与所述骨架层1之间内设有若干互不连通的流体腔室3，任一所述流体腔室3均单独通过流体导管与流体动力机构连通，通过对不同位置的所述流体腔室3充或抽流体，使骨架层1产生形变。所述流体腔室3的形状为方形或半球形或半椭圆或者其他封闭形状。一层所述变形驱动层2与所述骨架层1之间流体腔室3的形状与另一层所述变形驱动层2与所述骨架层1之间流体腔室3的形状相同或者相异。每层所述流体腔室3矩形阵列排布或者环形排布。如图4所示，所述流体腔室3为矩形阵列的半球形。一层所述变形驱动层2和所述骨架层1之间的流体腔室3与另一层所述变形驱动层2和所述骨架层1之间的流体腔室3对称布置或者交错布置。如图5所示，上层的流体腔室3与下层的流体腔室3交错布置。图1为上层的流体腔室3与下层的流体腔室3对称布置。如图6和图9所示，当本专利技术所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人需要进行纵向一次弯曲变形时，上层的流体腔室3需抽出其中部分流体，下层的流体腔室3需充入部分流体，具体操纵为抽出C1、C2、C3、C4、C5上层流体腔室3中的流体，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于，包括骨架层(1)和变形驱动层(2)，双层变形驱动层(2)之间的设有中间夹层，所述中间夹层为骨架层(1)；每层所述变形驱动层(2)与所述骨架层(1)之间内设有若干互不连通的流体腔室(3)，通过对不同位置的所述流体腔室(3)充或抽流体，使骨架层(1)产生形变。

【技术特征摘要】
1.一种基于水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于，包括骨架层(1)和变形驱动层(2)，双层变形驱动层(2)之间的设有中间夹层，所述中间夹层为骨架层(1)；每层所述变形驱动层(2)与所述骨架层(1)之间内设有若干互不连通的流体腔室(3)，通过对不同位置的所述流体腔室(3)充或抽流体，使骨架层(1)产生形变。2.根据权利要求1所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于，所述骨架层(1)的材料为纳米纤维素水凝胶；所述变形驱动层(2)的材料为双网络交联水凝胶。3.根据权利要求1所述的基于水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于，一层所述变形驱动层(2)与所述骨架层(1)之间流体腔室(3)的形状与另一层所述变形驱动层(2)与所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐琳，刘思远，张坤，丁建宁，李佳奇，程广贵，张忠强，王晓东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32