IPMC曲线驱动器及基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统技术方案

本实用新型专利技术为IPMC曲线驱动器及基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定粘结在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接。该系统结构简单、关节柔性程度高，可以满足一般四足机器人的奔跑步态与方向调整。

IPMC curve driver and single leg system of flexible joint quadruped robot based on IPMC and silica gel

【技术实现步骤摘要】
IPMC曲线驱动器及基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统
本技术属于机器人
，具体涉及了一种IPMC曲线驱动器及基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统。
技术介绍
随着人们对机器人技术需求的不断提升，传统工业机器人因其刚性关节能量要求大，携带能源质量重，机构质量冗余等原因已经难以满足人们的需求。在仿生方面，足式机器人所面对的复杂环境如山地，丘陵，城市阶梯与其自身所需要的奔跑，跳跃等动作，都需要腿部关节具有良好的抗冲击，缓冲作用。并且传统足式，跳跃机器人多由电机、活塞、关节、铰链等构件组成，用来完成一些快速、精确、可重复位置或力控制的任务，此类型机器人体积大、重量重、灵活性差、难以完成许多复杂领域的高难度任务。因此研究的特种机器人使用更加仿生的设计方式，能够比原来具有重量轻、体积小、柔顺度高、环境适应力强等特点。在军事等领域，外科手术方面，仿生柔性关节，都有着重要的意义。离子聚合物金属复合材料IonicPloymerMetalComposite，是一种具有电致动活性的复合材料，起初被用于电池的交换膜，但因其能够发生变形，并且变形量优秀被美国和日本的一些机构制作软体机器人，例如软体水母，仿生螳螂等微型足式机器。IPMC的电极有很多类型，有单一金属(铂、金、银等)电极，也有多极金属电极，如铂银电极等。虽然国内外学者已经展开深入研究，但IPMC驱动器基本都为研究者在实验室所制造，尚没有成熟的IPMC投入量产。这种新型的智能材料，又称电化学驱动器，在仿生机械中是一种最基本的执行器和传感器，具有驱动电压低、质量轻、柔性好、响应迅速等优点。IPMC具有输出力小、稳定性差、精确控制难等缺点。目前国内有哈尔滨工程大学乔东潘(乔东潘.基于IPMC仿生肌肉组合结构的设计及特性研究[D].哈尔滨工程大学,2014.)对其进行了深入的研究，设计出了有多片IPMC组成的肌肉直线驱动单元，能够输出一定的跳跃力，最终能够进行18mm高度的跳跃。此结构利用连杆进行放大，验证了这种智能材料作为人工肌肉的可行性。但其缺点是整体跳跃结构材料质量仍非常大，跳跃高度仍然可以进行优化，即直线驱动单元可以输出更大的力。目前的足式机器人的柔性关节系统使用的大部分的是弹簧结构进行缓震作用，例如，意大利工学院IITAmirJafari等人(JafariA,TsagarakisNG,CaldwellDG.AwAS-II:AnewActuatorwithAdjustableStiffnessbasedonthenovelprincipleofadaptablepivotpointandvariableleverratio[C]//RoboticsandAutomation(ICRA),2011IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2011:4638-4643.)2010年研制出的新型变刚度执行器AWAS-2，是通过移动支点的位置来调节刚度,具有较大的运动范围、宽的刚度调节范围以及在较短时间内调节刚度的能力，它还有更大的储能能力。但是其结构仍然为机械零件组成，具有一定的刚度。
技术实现思路
本技术的目的是克服目前的刚性关节的冲击大、质量大、能耗高的特点，提供了一种结构简单，整体质量轻，关节柔性程度高，可以满足一般四足机器人的奔跑步态与方向调整的IPMC与硅胶结构件与电机混合驱动的多自由度四足机器人单腿系统。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；其特征在于，在小腿部分和大腿部分连接位置附近为膝盖，膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；髋关节部分使用力矩电机和两组IPMC曲线驱动器进行混合驱动，力矩电机的输出轴通过联轴器及躯干轴与大腿部分形成旋转副，力矩电机的电机座两侧分别安装一个IPMC曲线驱动器；每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束，所有肌肉束的两端均通过底盘固定在相应的部件上；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定粘结在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接。一种IPMC曲线驱动器，包括IPMC片体和硅胶结构件，IPMC片体固定在硅胶结构件上，硅胶结构件与外部电源连接，该驱动器在弯曲状态下能够达到输出力矩的效果，并且在失电之后能在硅胶结构件的帮助下进行回弹。与现有技术相比，本技术的有益效果是：在低压电的驱动下，膝盖内侧的IPMC曲线驱动器或膝盖外侧的IPMC曲线驱动器发生弯曲作用，输出扭矩，可以达到驱动小腿部分在轴承旋转副作用下发生转动，在不平坦的地面受到冲击情况下，由于IPMC的材料本身属于柔性体并且结合了硅胶结构件，故可以达到一定的缓冲作用。躯干处的两组躯干IPMC曲线驱动器通过和机器人本体连接，可以达到调整垂直于电机转动的平面的内外侧角度，如果安装了四条腿之后，通过角度调整可达到足式机器人的转弯效果，并且躯干处的IPMC曲线驱动器，同样可以在收到腿部冲击的情况下，由IPMC材料本身的柔性和硅胶结构件达到缓冲和减震的作用。本技术的有益效果是由IPMC组成曲线肌肉驱动器实现对四足机器人关节的柔性化设计，达到与刚性关节相同了输出扭矩驱动，进而达到四组机器人的跑动步态与方向调整要求，而且使用了此关节，可减少电机数量，具有结构简单，轻便，耗能少等特点，能模拟类似肌肉驱动与收缩的效果。附图说明下面是结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明图1是本技术基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的主视图。图2是本技术基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的俯视图。图3是本技术基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的左视图。图4是本技术基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的大腿部分的大腿打印架的立体结构示意图，两块大腿打印架平行放置之后，可以作为单腿系统的大腿部分。图5是本技术基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的小腿部分的小腿打印架的立体结构示意图，两块小腿打印架平行放置之后，可以作为单腿系统的小腿腿部分。图6是本技术基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统的腿部与肌肉束底盘的连接板的立体结构示意图。图7是本技术用来固定四个肌肉束的底盘的立体结构示意图。图8是本技术专门对力矩电机和肌肉束连接的电机座的立体结构示意图。图9是本技术中由三个肌肉元组成的一个肌肉束的立体结构示意图。图10是本技术中由两个肌肉元组成的一个肌肉束的立体结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；其特征在于，/n在小腿部分和大腿部分连接位置附近为膝盖，膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；力矩电机的输出轴通过联轴器及躯干轴与大腿部分形成旋转副，力矩电机的电机座两侧分别安装一个IPMC曲线驱动器；/n每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束，所有肌肉束的两端均通过底盘固定在相应的部件上；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于IPMC与硅胶材料的柔性关节四足机器人单腿系统，包括小腿部分、大腿部分及髋关节部分，大腿部分一端与小腿部分通过旋转副连接固定，另一端连接髋关节部分；其特征在于，
在小腿部分和大腿部分连接位置附近为膝盖，膝盖内、外侧的大腿部分和小腿部分之间均安装有IPMC曲线驱动器；力矩电机的输出轴通过联轴器及躯干轴与大腿部分形成旋转副，力矩电机的电机座两侧分别安装一个IPMC曲线驱动器；
每个IPMC曲线驱动器包括多个呈阵列排列的肌肉束，所有肌肉束的两端均通过底盘固定在相应的部件上；每个肌肉束包括多个肌肉元，多个肌肉元同轴依次固定连接在一起，每个肌肉元均包括硅胶结构件及对称安装在硅胶结构件上的多个IPMC片体，相邻两个肌肉元之间固定在一起，且硅胶结构件内部连接有导线；一个IPMC曲线驱动器上的所有硅胶结构件上的导线串联后与外部电源连接。


2.根据权利要求1所述的单腿系统，其特征在于，膝盖内、外侧的IPMC曲线驱动器由内环肌肉束和外环肌肉束构成，外环肌肉束的长度大于内环肌肉束长度；髋关节部分的IPMC曲线驱动器所有肌肉束长度相等。


3.根据权利要求1所述的单腿系统，其特征在于，所述小腿部分由两个3D打印的塑料小腿打印架构成，两个小腿打印架1平行放置，靠近大腿部分与小腿部分的旋转副一侧的两个小腿打印架之间的内外侧均固定一个连接板；大腿部分由两个3D打印的塑料大腿打印架构成，两个大腿打印架平行布置，靠近大腿部分与小腿部分的旋转副一侧的两个大腿打印架之间的内外侧也均固定一个连接板；每个连接板连接相应IPMC曲线驱动器的一个底盘。

...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小俊，王满，万媛，郭俊改，李满宏，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津;12