一種基于介電彈性體驅(qū)動的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)方法

閆茜茜 何田

摘要：? 針對某些極端環(huán)境下不利于人工操作的工程探測問題，本文通過對軟體機(jī)器人材料、結(jié)構(gòu)、制造方法以及步態(tài)控制4個(gè)方面進(jìn)行研究，提出了一種新型4足爬行軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法。機(jī)器人身體是由硅酮介電彈性體（dielectric elastomer，DE）薄膜和單壁碳納米管薄膜組成的一種柔軟結(jié)構(gòu)，為降低軟體機(jī)器人驅(qū)動電壓，限制了DE和單壁碳納米管薄膜的層厚。同時(shí)，為增大輸出力，采用DE疊層結(jié)構(gòu)，以支撐機(jī)器人身體的質(zhì)量。研究結(jié)果表明，該軟體機(jī)器人長為106 mm，由6個(gè)堆疊式介電彈性體驅(qū)動器（dielectric elastomer actuator，DEA）驅(qū)動，具有驅(qū)動電壓較低、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊且輸出力及位移較大等特點(diǎn)。該研究為后續(xù)模型的制作及機(jī)器人的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：? 介電彈性體; 軟體機(jī)器人; 設(shè)計(jì)

中圖分類號： TP242.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20210429; 修回日期： 20210603

基金項(xiàng)目： 國防科技創(chuàng)新特區(qū)基金資助項(xiàng)目（2019）

作者簡介：? 閆茜茜（1994），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽灾魅嵝灾悄荏w。

通信作者：? 何田（1971），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)樽灾魅嵝灾悄荏w。 Email： het@qdu.edu.cn

傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人無法適應(yīng)復(fù)雜多變的操作環(huán)境，所以柔軟且可變形機(jī)器人逐漸成為研究熱點(diǎn)[13]。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，科研人員通過模仿自然界的軟體動物，開發(fā)了各種各樣的軟體機(jī)器人，如爬行機(jī)器人[4]、行走機(jī)器人[56]、昆蟲機(jī)器人[7]和水下機(jī)器人[8]等。介電彈性體（dielectric elastomer，DE）是一類典型的智能軟材料，其能量密度與動物肌肉非常接近，可應(yīng)用于軟體機(jī)器人。目前，國內(nèi)外對基于DE驅(qū)動的軟體機(jī)器人的研究越來越多。Li G等人[9]設(shè)計(jì)了仿生獅子魚機(jī)器人，該機(jī)器人能在10 900 m深的馬里亞納海溝游動;M. Shintake等人[10]設(shè)計(jì)的質(zhì)量只有1 g的介電彈性體驅(qū)動器（dielectric elastomer actuator，DEA），能提起質(zhì)量60 g的雞蛋;C. Christianson等人[11]使用液體作為電極的無框架DEA，能在水下進(jìn)行偽裝而不被周圍的海洋生物發(fā)現(xiàn)。但對于能在極端環(huán)境下執(zhí)行探測任務(wù)的陸地爬行機(jī)器人的研究非常有限，且大多數(shù)為實(shí)驗(yàn)室模型。基于此，本文提出了一種驅(qū)動電壓較低、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊且輸出力及位移較大的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)方法。通過對軟體機(jī)器人的材料、結(jié)構(gòu)、制造方法以及步態(tài)控制4個(gè)方面進(jìn)行研究，得到了可在極端環(huán)境下爬行的4足軟體機(jī)器人。該機(jī)器人具有硅酮介電體及單壁碳納米管柔性電極組合的堆疊式DEA結(jié)構(gòu)和高度集成的電子控件。該研究為軟體機(jī)器人模型制作奠定了基礎(chǔ)，具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理及方法

本文所設(shè)計(jì)的4足爬行軟體機(jī)器人，長約10 cm，驅(qū)動頻率為1～10 Hz，驅(qū)動電壓控制在2 kV以下，且位移較大。該機(jī)器人由機(jī)身和4條腿組成。由于機(jī)身要負(fù)載集成電子控件，所以機(jī)身由2個(gè)DEA同時(shí)驅(qū)動，4條腿分別由1個(gè)DEA驅(qū)動，DEA是由DE堆疊而成。DE結(jié)構(gòu)示意圖[13]如圖1所示。DE通常由2個(gè)柔性電極層及夾在電極層之間的柔性介電體組成，圖1a表示未施加驅(qū)動電壓時(shí)的狀態(tài)，圖1b表示施加驅(qū)動電壓時(shí)的狀態(tài)，DE在電場作用下，其內(nèi)部的正、負(fù)電荷會在2個(gè)相對表面進(jìn)行聚集，彈性體薄膜受麥克斯韋應(yīng)力的驅(qū)使產(chǎn)生驅(qū)動應(yīng)變，從而厚度減小，表面積增大[12]。

DE薄膜的厚度會對軟體機(jī)器人的驅(qū)動電壓及驅(qū)動頻率產(chǎn)生影響。DE通常需要5 kV以上的高壓來驅(qū)動，而使用更薄的彈性體膜可以有效地降低驅(qū)動電壓，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的DE薄膜厚度只有6 μm，其開發(fā)的軟體機(jī)器人只需要低于500 V的驅(qū)動電壓即可。同時(shí)，將DE可看作是一個(gè)電容器[14]，薄膜厚度會影響電容的大小，而電容又與截止頻率fc相關(guān)，fc可從RC時(shí)間常數(shù)估算出，即

fc=12πRC=t2πRεA

式中，R為電極的總電阻，Ω;C為DE的電容，F(xiàn);t為介電彈性體的厚度，m;ε為介電彈性體的介電常數(shù);A為DE的有效面積，m2。

厚度低于100 nm的碳納米管電極的電阻可以做到小于1 000 MΩ，為了滿足驅(qū)動頻率和驅(qū)動電壓的要求，并根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，最終選定DE薄膜的厚度為50 μm[7，15]。結(jié)合機(jī)器人外形，設(shè)計(jì)DE薄膜的長度為30 mm，寬度有兩個(gè)規(guī)格，一個(gè)是應(yīng)用于腿部，規(guī)格為13 mm，另一個(gè)是應(yīng)用于機(jī)身，規(guī)格為8 mm。

由于超薄的彈性體膜容易發(fā)生失效，導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動器無法工作，而疊層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以很好的抑制失效的發(fā)生。文獻(xiàn)[1516]開發(fā)了一種12層DEA的制造方法，并將這種方法應(yīng)用于軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人具有較好的魯棒性。同時(shí)，用于軟體機(jī)器人的功率轉(zhuǎn)換器，市售質(zhì)量小于5 g，加上電池、通訊模塊和控制模塊，集成電子控件的總質(zhì)量可控制在40 g以下。為使機(jī)器人能產(chǎn)生站立姿態(tài)，DEA的輸出力應(yīng)能克服整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量，所以本實(shí)驗(yàn)采取5層疊層結(jié)構(gòu)。

2 軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

用于軟體機(jī)器人的介電體材料有丙烯酸酯、硅酮彈性體、聚氨酯和天然橡膠等。其中，丙烯酸酯能產(chǎn)生較大的變形，易與其他材料粘合，因此適合多層DE驅(qū)動器制作，但有很強(qiáng)的粘滯性，機(jī)電響應(yīng)速度慢，且輸出力較小。硅酮彈性體粘彈性較低，彈性模量大，機(jī)械重復(fù)性高，壽命長，其缺點(diǎn)是介電常數(shù)低，導(dǎo)致產(chǎn)生一定的應(yīng)變，需要相對更高的驅(qū)動電壓，也會造成其能量密度較低。

本文設(shè)計(jì)的軟體機(jī)器人選用硅酮彈性體以滿足快速響應(yīng)、大形變和較高輸出力的要求。另外，導(dǎo)電填充物硅酮基彈性體的摻入，使DE具有更高的機(jī)電轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性[1718]。初始方案采用市售的單組分硅酮材料，或者是多組分硅酮復(fù)合材料。

應(yīng)用廣泛的柔性電極有碳基柔性電極，碳納米管柔性電極，金屬柔性電極，離子水凝膠電極等[19]?？蒲腥藛T也在不斷開發(fā)新的電極材料，以充分發(fā)揮軟體機(jī)器人的應(yīng)用潛力。柔性電極要求具有較低的模量，能隨彈性體而形變，且在大形變條件下保持較好的導(dǎo)電性能。碳基柔性電極價(jià)格低廉、易于獲取，目前應(yīng)用最為廣泛。碳納米管電極柔順性極高且無毒性，可以制造超薄的可拉伸電極，而在發(fā)生電擊穿時(shí)，碳納米管會在缺陷區(qū)域周圍蒸發(fā)，在電極兩側(cè)產(chǎn)生隔離效果，因此驅(qū)動器仍然可以正常運(yùn)行，所以又被稱為“容錯(cuò)電極”。金屬柔性電極導(dǎo)電性好，應(yīng)用較多的是金、銀等金屬，為了滿足柔性要求，應(yīng)盡可能減小電極的厚度和寬度[20]。離子水凝膠電極具有低的彈性模量和透明性，可應(yīng)用于對透射率要求高的軟體機(jī)器人[21]?？紤]到對電極厚度的要求，本文采用碳納米管電極。而在各類碳納米管材料中，單壁碳納米管在結(jié)構(gòu)上具有更高的均勻一致性和更少的缺陷，滿足高電場強(qiáng)度的應(yīng)用條件，所以本研究將采用市售單壁碳納米管材料，通過簡單的制備，獲得所需的彈性體薄膜。

機(jī)器人基體材料將采用市售聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）薄膜，該材料具有一定的彈性模量，柔順性好，符合設(shè)計(jì)要求。另外，機(jī)器人的電源管理模塊、通訊模塊和控制模塊等電子組件將全部集成在同一印刷電路板（printed circuit board，PCB）上。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由圖2a可以看出，機(jī)器人由6個(gè)DEA組成，長106 mm，DEA1、DEA2、DEA5和DEA6分別控制機(jī)器人的4條腿，DEA3和DEA4同時(shí)控制機(jī)器人的身體;圖2b是對局部進(jìn)行了放大，以展示結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

2.3 薄膜制造

DE薄膜可通過注模、旋涂和3D打印等方法進(jìn)行制備[22]。其中，3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，具有快速成型、可縮短結(jié)構(gòu)原型設(shè)計(jì)周期和滿足個(gè)性化要求等特點(diǎn)[3]，與傳統(tǒng)的成型技術(shù)相比具有一定優(yōu)勢，因此得到了廣泛應(yīng)用。但由于材料種類的改變和打印精度的提高，需要對打印噴嘴進(jìn)行定制化?？紤]加工的便捷性，本文選擇涂膜或旋涂方法制備介電體薄膜。另外，柔性電極可以通過掩模、轉(zhuǎn)印、濺射沉積等工藝，均勻地覆蓋在薄膜兩側(cè)，本文采用LangmuirSchaefer方法，制備超薄單壁碳納米管電極[7]。

軟體機(jī)器人具體裝配過程是首先將電極薄膜轉(zhuǎn)移在PET薄膜上，同時(shí)對DE薄膜兩側(cè)進(jìn)行表面活化處理（二苯甲酮溶液浸濕，再用氮?dú)飧稍铮?，以增加電極與DE膜的層間附著力。將表面活化后的DE膜轉(zhuǎn)移到電極表面，再重復(fù)進(jìn)行電極和DE膜的轉(zhuǎn)移，直至完成圖2所示結(jié)構(gòu)。為避免在較高驅(qū)動電壓下發(fā)生電擊穿、張力損失和力電失穩(wěn)等失效形式，本文對DE薄膜進(jìn)行一定比例的等雙軸預(yù)拉伸，以增強(qiáng)機(jī)電穩(wěn)定性。

2.4 運(yùn)動步態(tài)設(shè)計(jì)

通過模仿4足爬行動物，并參考哈佛大學(xué)報(bào)告的氣動爬行機(jī)器人[2324]，設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人的步態(tài)，按照一定時(shí)序，對6個(gè)DEA分別進(jìn)行控制。其步態(tài)周期為2步，每步包括如下4種狀態(tài)：

1） 后腿和身體驅(qū)動，產(chǎn)生一個(gè)站立位置。

2） 后腿、身體以及在身體相對側(cè)的前腿被同時(shí)驅(qū)動，將重心從后腿轉(zhuǎn)移到前腿。

3） 對后腿釋放，同時(shí)繼續(xù)對前腿驅(qū)動，使機(jī)器人向前移動。

4） 對加壓前腿進(jìn)行短暫釋放。

身體交替的兩側(cè)重復(fù)以上4種狀態(tài)，形成4條腿交替行走的步態(tài)。行走的步態(tài)時(shí)序如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，“T”為一個(gè)步態(tài)周期，縱坐標(biāo)表示在某一時(shí)刻各DEA驅(qū)動狀態(tài)。

行走的步態(tài)時(shí)序如表1所示。表1中，設(shè)定行走方向?yàn)檎蛳蚯埃渲?，?”表示驅(qū)動，“-”表示釋放，“T”表示一個(gè)步態(tài)周期。

3 結(jié)束語

本文針對某些極端環(huán)境下不利于人工操作的工程探測問題，通過對軟體機(jī)器人材料、結(jié)構(gòu)、制造方法以及步態(tài)控制4個(gè)方面進(jìn)行研究，提出了一種新型4足爬行軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法。該機(jī)器人長106 mm，由6個(gè)堆疊DEA驅(qū)動，具有驅(qū)動電壓較低、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊且輸出力及位移較大等特點(diǎn)。將硅酮彈性體與單壁碳納米管電極組合的疊層DE及集成電子控件應(yīng)用于4足爬行機(jī)器人，目前依然是一種富有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的研究。該研究為制作DEA奠定基礎(chǔ)，對軟體機(jī)器人的前期設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，也為機(jī)器人將來能在極端環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)提供可能。

參考文獻(xiàn)：

[1] Rus D， Tolley M T. Design， fabrication and control of soft robots[J]. Nature， 2015， 521： 467475.

[2] Jin B， Song H， Jiang R， et al. Programming a crystalline shape memory polymer network with thermoand photoreversible bonds toward a singlecomponent soft robot[J]. Science Advances， 2018， 4（1）： 16.

[3] 李鐵風(fēng)， 李國瑞， 梁藝鳴， 等. 軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)理與驅(qū)動材料研究綜述[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 48（4）： 756766.

[4] Gu G， Zou J， Zhao R， et al. Soft wallclimbing robots[J]. Sci Robot， 2018， 3（25）： 112.

[5] Morales D， Palleau E， Dickey M D， et al. Electroactuated hydrogel walkers with dual responsive legs[J]. Soft Matter， 2014， 10（9）： 13371348.

[6] Nguyen C T， Phung H， Nguyen T D， et al. Multipledegreesoffreedom dielectric elastomer actuators for soft printable hexapod robot[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2017， 267： 505516.

[7] Ji X， Liu X， Cacucciolo V， et al. An autonomous untethered fast soft robotic insect driven by lowvoltage dielectric elastomer actuators[J]. Science Robotics， 2019， 4（37）： 111.

[8] Shintake J， Cacucciolo V， Shea H， et al. Soft biomimetic fish robot made of dielectric elastomer actuators[J]. Soft Robotics， 2018， 5（4）： 466474.

[9] Li G， Chen X， Zhou F， et al. Selfpowered soft robot in the mariana trench[J]. Nature， 2021， 591： 6671.

[10] Shintake J， Rosset S， Schubert B E， et al. DEA for soft robotics： 1gram actuator picks up a 60gram egg[C]∥Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering. San Diego， California， United States： EAPAD， 2015： 16.

[11] Christianson C， Goldberg N N， Deheyn D D， et al. Translucent soft robots driven by frameless fluid electrode dielectric elastomer actuators[J]. Science Robotics， 2018， 3（17）： 18.

[12] 李國瑞. 介電高彈聚合物力電耦合調(diào)控與軟體機(jī)器人研究[D]. 杭州： 浙江大學(xué)， 2019.

[13] Madsen F B， Daugaard A E， Hvilsted S， et al. The current state of siliconebased dielectric elastomer transducers[J]. Macromolecular Rapid Communications， 2016， 37（5）： 378413.

[14] Suo Z. Theory of dielectric elastomers[J]. Acta Mechanica Solida Sinica， 2010， 23（6）： 549578.

[15] Duduta M， Clarke D R， Wood R J. A high speed soft robot based on dielectric elastomer actuators[C]∥IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）. Singapore： IEEE， 2017： 43464351.

[16] Duduta M， Wood R J， Clarke D R. Multilayer dielectric elastomers for fast， programmable actuation without prestretch[J]. Advanced Materials， 2016， 28（36）： 80588063.

[17] Haghiashtiani G， Habtour E， Park SH， et al. 3D printed electricallydriven soft actuators[J]. Extreme Mechanics Letters， 2018， 21： 18.

[18] Opris D M， Molberg M， Walder C， et al. New silicone composites for dielectric elastomer actuator applications in competition with acrylic foil[J]. Advanced Functional Materials， 2011， 21（18）： 35313539.

[19] Rosset S， Shea H R. Flexible and stretchable electrodes for dielectric elastomer actuators[J]. Applied Physics A， 2013， 110（2）： 281307.

[20] 崔超宇. 基于介電彈性體的雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器設(shè)計(jì)與分析[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2018.

[21] Li T， Li G， Liang Y， et al. Fastmoving soft electronic fish[J]. Science Advances， 2017， 3（4）： 17.

[22] Li T， Zou Z， Mao G， et al. Agile and resilient insectscale robot[J]. Soft Robotics， 2019， 6（1）： 133141.

[23] Shepherd R F， Ilievski F， Choi W， et al. Multigait soft robot[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2011， 108（51）： 2040020403.

[24] Tolley M T， Shepherd R F， Mosadegh B， et al. A resilient， untethered soft robot[J]. Soft Robotics， 2014， 1（3）： 213223.

A Design Method of Soft Robot Based on Dielectric Elastomer

YAN Xixi， HE Tian

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? In view of some engineering detection problems that are not conducive to manual operation in extreme environment， this paper proposed a new design method of fourlegged crawling soft robot by studying the material， structure， manufacturing method and gait control of soft robot. The robot body is actuated by a soft structure composed of silicone dielectric elastomers （DEs） film and a singlewalled carbon nanotubes film. In order to reduce the driving voltage of the soft robot， the thickness of the DEs film and the singlewalled carbon nanotubes film is limited. At the same time， in order to increase the output force to support the weight of the robot body， the laminated structure of DEs is used. The design results show that the soft robot is 106 mm long and actuated by six stacked DEAs （dielectric elastomer actuators）， which has the characteristics of low driving voltage， fast response speed， compact structure and large output force and displacement. The research laid a foundation for the subsequent model making and robot application.

Key words： dielectric elastomers; soft robots; design