Bi-stable thin soft robot for in-plane locomotion in narrow space

📄 arXiv: 2409.20261v1 📥 PDF

作者: Xi Wang, Jung-che Chang, Feiran Wang, Dragos Axinte, Xin Dong

分类: cs.RO, physics.class-ph

发布日期: 2024-09-30

备注: 8 pages, 12 figures

💡 一句话要点

提出一种新型双稳态薄型软体机器人，用于狭窄空间内的平面运动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 介电弹性体驱动器 双稳态机构 狭窄空间运动 静电吸附

📋 核心要点

  1. 现有软体机器人难以在狭窄空间内实现高效运动，尤其是在微米/毫米级别。
  2. 论文提出利用双稳态机构增强介电弹性体驱动器（DEA）的性能，并结合静电吸附垫实现稳定运动。
  3. 实验验证了该机器人能够在4mm狭窄空间内以3.3mm/s的速度爬行，展示了其在狭窄空间运动的潜力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新型低剖面（1.1mm）和轻量级（1.8g）的双稳态平面介电弹性体驱动器（Bi-DEA），该驱动器通过将介电弹性体支撑在扁平双稳态机构上构建而成。与没有双稳态机构的平面介电弹性体驱动器（I-DEA）相比，它具有更大的位移和输出力。然后，将Bi-DEA应用于薄型软体机器人，使用三个静电吸附垫（EA-Pad）作为锚定元件。该机器人能够爬行和攀爬，以进入毫米级的狭窄间隙。文中提出了双稳态机构和DEA的理论模型，并通过实验验证了该机构增强Bi-DEA的性能。EA-Pad提供了驱动器和运动基板之间的粘附力，允许在各种表面（如纸张和丙烯酸）上爬行和攀爬。实验证明，该薄型软体机器人能够以高达3.3mm/s（每秒0.07倍体长和每秒2.78倍体厚）的速度爬行通过4mm的狭窄间隙。

🔬 方法详解

问题定义：现有软体机器人在狭窄空间内的运动能力受限，尤其是在微型尺度下。传统的平面介电弹性体驱动器（I-DEA）虽然结构简单，但位移和输出力较小，难以克服摩擦力和其他阻力，从而限制了其在狭窄空间内的运动性能。因此，需要一种能够提供更大位移和输出力的驱动机制，以实现软体机器人在狭窄空间内的高效运动。

核心思路：论文的核心思路是利用双稳态机构来放大介电弹性体驱动器的位移和输出力。双稳态机构具有两个稳定的平衡状态，通过施加较小的力即可在两个状态之间切换。将介电弹性体驱动器与双稳态机构结合，可以利用双稳态机构的特性，将DEA产生的微小位移转化为较大的位移和力，从而提高驱动器的整体性能。

技术框架：该软体机器人的整体架构包括三个主要部分：双稳态平面介电弹性体驱动器（Bi-DEA）、静电吸附垫（EA-Pad）和控制系统。Bi-DEA负责提供运动动力，EA-Pad负责提供与基底的粘附力，控制系统负责协调Bi-DEA和EA-Pad的工作，实现机器人的爬行和攀爬运动。具体流程为：首先，通过控制系统激活Bi-DEA，使其产生位移并推动机器人前进；然后，通过控制EA-Pad的吸附状态，实现机器人的锚定和释放；最后，重复上述步骤，实现机器人的连续运动。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于将双稳态机构与介电弹性体驱动器相结合，设计了一种新型的Bi-DEA。与传统的I-DEA相比，Bi-DEA具有更大的位移和输出力，从而提高了软体机器人的运动性能。此外，该论文还提出了一种基于静电吸附垫的锚定机制，可以实现软体机器人在各种表面上的稳定运动。

关键设计：双稳态机构的设计是关键。论文中采用了一种扁平的双稳态机构，其几何参数经过优化，以实现最大的位移放大效果。介电弹性体驱动器的电压控制是另一个关键设计。通过精确控制施加在DEA上的电压，可以控制Bi-DEA的位移和力，从而实现对软体机器人运动的精确控制。EA-Pad的设计也至关重要，需要保证足够的吸附力，同时避免过大的能量消耗。

📊 实验亮点

实验结果表明，该Bi-DEA相比于传统I-DEA，具有显著的性能提升。该软体机器人能够在4mm的狭窄间隙中以高达3.3mm/s的速度爬行，相当于每秒0.07倍体长和每秒2.78倍体厚。此外，该机器人还能够在纸张和丙烯酸等不同表面上进行爬行和攀爬，展示了其良好的适应性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于狭窄空间内的检测、维修和医疗等领域。例如，可用于管道内部的缺陷检测、发动机内部的维修、以及人体血管内的微创手术等。该软体机器人具有体积小、重量轻、运动灵活等优点，使其能够在传统机器人难以进入的狭窄空间内执行任务，具有重要的应用价值和广阔的发展前景。

📄 摘要（原文）

Dielectric elastomer actuators (DEAs), also recognized as artificial muscle, have been widely developed for the soft locomotion robot. With the complaint skeleton and miniaturized dimension, they are well suited for the narrow space inspection. In this work, we propose a novel low profile (1.1mm) and lightweight (1.8g) bi-stable in-plane DEA (Bi-DEA) constructed by supporting a dielectric elastomer onto a flat bi-stable mechanism. It has an amplified displacement and output force compared with the in-plane DEA (I-DEA) without the bi-stable mechanism. Then, the Bi-DEA is applied to a thin soft robot, using three electrostatic adhesive pads (EA-Pads) as anchoring elements. This robot is capable of crawling and climbing to access millimetre-scale narrow gaps. A theoretical model of the bi-stable mechanism and the DEA are presented. The enhanced performance of the Bi-DEA induced by the mechanism is experimentally validated. EA-Pad provides the adhesion between the actuator and the locomotion substrate, allowing crawling and climbing on various surfaces, i.e., paper and acrylic. The thin soft robot has been demonstrated to be capable of crawling through a 4mm narrow gap with a speed up to 3.3mm/s (0.07 body length per second and 2.78 body thickness per second).