Portable, High-Frequency, and High-Voltage Control Circuits for Untethered Miniature Robots Driven by Dielectric Elastomer Actuators

📄 arXiv: 2502.06166v1 📥 PDF

作者: Qi Shao, Xin-Jun Liu, Huichan Zhao

分类: cs.RO

发布日期: 2025-02-10

备注: 7 pages, 10 figures, accepted by ICRA 2025

期刊: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2025, pp. 6969-6975

DOI: 10.1109/ICRA55743.2025.11128434

💡 一句话要点

提出用于介电弹性体驱动的微型机器人高频高压便携控制电路

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 介电弹性体驱动器 微型机器人 高压控制电路 无线驱动 便携式设备

📋 核心要点

  1. 现有DEA驱动的微型机器人通常依赖外部电源和控制，限制了其便携性和应用范围。
  2. 该论文提出一种基于低压电阻元件串联的高压控制电路，实现DEA的无线驱动，并集成到微型机器人中。
  3. 实验结果表明，该控制电路能够驱动微型机器人在不同环境下实现爬行运动，并实时传输视频数据。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于介电弹性体驱动器(DEA)的无线应用的高压、高频控制电路。该电路板利用串联的低压电阻元件，在紧凑的尺寸内控制高达1.8 kV的电压，适用于0到1 kHz的频率范围。单通道控制板的重量仅为2.5克。我们测试了控制电路在不同负载条件和电源下的性能。基于该控制电路，以及商用微型高压电源转换器，我们构建了一个由圆柱形DEA驱动的无线爬行机器人。这款42克的无线机器人在工作台上和管道内成功实现了15赫兹驱动频率下的爬行运动，同时通过板载摄像头和天线传输实时视频数据。我们的工作为使用低压控制电子设备实现DEA的无线驱动提供了一种实用的方法，从而适用于便携式和可穿戴设备。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决介电弹性体驱动器(DEA)供电的微型机器人无线化的问题。传统的DEA驱动需要高压电源和复杂的控制电路，这使得机器人难以摆脱外部电源线的束缚，限制了其在便携式和可穿戴设备中的应用。现有方法的痛点在于体积大、重量重、不便于集成，并且难以实现高频控制。

核心思路：论文的核心思路是利用低压电阻元件串联的方式，在紧凑的尺寸内实现高压控制。通过巧妙地设计电路结构，将多个低压电阻串联起来，从而分担高压，降低了对单个元件的耐压要求。同时，通过优化电路布局和元件选择，实现了高频控制能力，满足了DEA对驱动频率的需求。

技术框架：该系统的整体架构包括以下几个主要模块：1) 低压控制电路：负责产生控制信号，控制高压电源的输出。2) 高压电源转换器：将低压电源转换为DEA所需的高压。3) DEA驱动器：将高压电能转换为机械能，驱动机器人运动。4) 无线通信模块：用于实时传输视频数据。整个系统集成在一个紧凑的电路板上，并通过电池供电，实现无线操作。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于利用低压电阻元件串联的方式实现高压控制。这种方法有效地降低了电路的复杂性和成本，并提高了系统的可靠性。此外，该论文还成功地将该控制电路集成到微型机器人中，实现了无线爬行运动和实时视频传输，展示了该技术的实际应用价值。

关键设计：控制电路的关键设计包括：1) 电阻值的选择：需要根据所需的电压范围和电流大小选择合适的电阻值，以保证电路的稳定性和安全性。2) 电路布局的优化：需要尽量减小电路的尺寸和重量，并优化元件的布局，以提高电路的抗干扰能力。3) 驱动频率的设置：需要根据DEA的特性和机器人的运动需求，选择合适的驱动频率，以实现最佳的运动性能。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，该控制电路能够控制高达1.8 kV的电压，适用于0到1 kHz的频率范围。单通道控制板的重量仅为2.5克。基于该控制电路构建的42克无线机器人在工作台上和管道内成功实现了15赫兹驱动频率下的爬行运动，并同时通过板载摄像头和天线传输实时视频数据。这些结果表明，该控制电路具有良好的性能和实用性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种领域，包括：1) 医疗机器人：用于微创手术或药物输送。2) 工业检测：用于管道或狭小空间的检测和维护。3) 搜救机器人：用于灾难现场的搜索和救援。4) 可穿戴设备：用于辅助人体运动或提供触觉反馈。未来，随着技术的不断发展，该研究有望推动微型机器人在更多领域的应用。

📄 摘要（原文）

In this work, we propose a high-voltage, high-frequency control circuit for the untethered applications of dielectric elastomer actuators (DEAs). The circuit board leverages low-voltage resistive components connected in series to control voltages of up to 1.8 kV within a compact size, suitable for frequencies ranging from 0 to 1 kHz. A single-channel control board weighs only 2.5 g. We tested the performance of the control circuit under different load conditions and power supplies. Based on this control circuit, along with a commercial miniature high-voltage power converter, we construct an untethered crawling robot driven by a cylindrical DEA. The 42-g untethered robots successfully obtained crawling locomotion on a bench and within a pipeline at a driving frequency of 15 Hz, while simultaneously transmitting real-time video data via an onboard camera and antenna. Our work provides a practical way to use low-voltage control electronics to achieve the untethered driving of DEAs, and therefore portable and wearable devices.