[发明专利]一种基于水凝胶驱动器的软体机器人

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及软体机器人的技术领域，特别涉及一种基于水凝胶驱动器的软体机器人。

背景技术

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。本发明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。

中国发明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，本发明能完美的解决该问题，实现水凝胶的三维变换。

中国发明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。

中国发明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。该发明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。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明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。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。