柔性驅(qū)動機構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性機器人領(lǐng)域，具體涉及一種能夠集成實現(xiàn)自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進的柔性驅(qū)動機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]當前，對于墓室的探測、外星球的探索、軍事偵察以及反恐偵察等類似危險的活動，人們多采用機器人來代替人類本身進行探測。上述場合一般地勢較為復(fù)雜，且存在各種障礙物，這就要求探測機器人具有多種運動能力、很高的運動自由度以越過這些障礙。當前機器人的運動方式大多只能實現(xiàn)單一的運動方式，例如，單獨實現(xiàn)步行、爬行、滾動或跳躍，也有少量的機器人能同時實現(xiàn)其中兩種功能。并且當前機器人的驅(qū)動方式主要是通過電機帶動剛性結(jié)構(gòu)運動，其中包含許多凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導(dǎo)柱等剛性傳動零件，剛性材料的采用使得機器人在受到外界沖擊時易產(chǎn)生錯位、損壞等問題，同時由于剛性結(jié)構(gòu)之間潤滑有限，在運行時容易產(chǎn)生較大噪聲。中國專利CN201010617013.5報道的機器人垂直彈跳機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括多種如前所述的剛性傳動零件，加工與組裝困難，結(jié)構(gòu)笨重，運行時能量損耗大;并且只能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向的跳躍，功能單一。
[0003]目前，還未見能夠集成步行、爬行、滾動、跳躍、突進多種功能于一體的，并且結(jié)構(gòu)簡單易加工的機器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用智能軟材料的本征應(yīng)變驅(qū)動的，能夠?qū)崿F(xiàn)集自主步行(walk)、爬行(climb)、滾動(scroll)、跳躍(bounce)和突進多種功能于一體的柔性驅(qū)動機構(gòu)，也就是，本發(fā)明所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)能夠自主實現(xiàn)各種運動，包括自主步行、爬行、滾動、跳躍和突進，集各種簡單或復(fù)雜的運動方式于一體，上述的五種運動方式均為自主運動，即:自主步行、自主爬行、自主滾動、自主跳躍和自主突進。所述的突進指的是瞬間加速。所述跳躍的方向可以是任意的方向，可以是任意的前、后、上、下、左、右方向，也可以是水平、垂直、傾斜任意角度的方向。所述的自主步行、爬行、滾動、跳躍和突進是指可以進行例如類似于人類的步行、蠕蟲的爬行、潮蟲的滾動、跳蚤的跳躍(數(shù)倍于自體的身長)、大齒猛蟻的突進(在極短的時間內(nèi)可以瞬間加速到lOm/s)的運動，而不需要借助電機驅(qū)動傳動機構(gòu)(如凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導(dǎo)柱等)來實現(xiàn)自主步行、爬行、滾動、跳躍和突進。
[0005]所述的本征應(yīng)變是指材料在外加激勵，例如電場、磁場、熱場、光場、電磁場、熱磁場的作用下產(chǎn)生的形變，這種形變不需要依賴外界的力載荷，也即這種形變是材料本身產(chǎn)生的，例如熱脹冷縮現(xiàn)象，這種形變產(chǎn)生的驅(qū)動力能使柔性驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生周期性的形變。所述智能軟材料是指在外界激勵的作用下，自主產(chǎn)生變形的軟材料。所述軟材料是指彈性模量小于IMPa的材料。所述智能軟材料可以選自介電高彈體、離子型EAP、形狀記憶聚合物、液晶高彈體等。所述的介電高彈體選自娃膠、橡膠、VHB膠帶、聚丙稀酸酯等。
[0006]所述柔性驅(qū)動機構(gòu)作為一個柔性的驅(qū)動裝置，充當了人工肌肉的角色。如同肌肉需要骨骼支撐一樣，柔性驅(qū)動機構(gòu)可以與支撐機構(gòu)組合發(fā)揮更大的作用，所述的支撐機構(gòu)可以選自柔性框架、柔性外殼。柔性驅(qū)動機構(gòu)與支撐機構(gòu)組合成柔性裝置之后，通過柔性驅(qū)動機構(gòu)來進行儲能以及釋放能量，能夠使得支撐機構(gòu)進行彎曲、扭轉(zhuǎn)等運動，也能使支撐機構(gòu)進行滾動、跳躍等運動。所述的柔性裝置是指有特定功能的柔性器件，例如柔性機器人，柔性玩具，柔性能量收集器。也就是，本發(fā)明所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)能夠讓柔性裝置(例如，柔性機器人等)不僅能實現(xiàn)像真實人類一樣靈活的、多種運動方式，而且還能實現(xiàn)人類難以實現(xiàn)的運動方式(例如:滾動和突進)。
[0007 ]為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種柔性驅(qū)動機構(gòu)，所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)包括驅(qū)動單元、力放大單元、控制單元、儲能單元，所述的驅(qū)動單元利用智能軟材料的本征應(yīng)變產(chǎn)生驅(qū)動力;所述的驅(qū)動單元不斷往復(fù)運動并且通過力放大單元將能量輸入到儲能單元中；所述控制單元控制儲能單元一次性釋放儲存的能量以實現(xiàn)柔性機構(gòu)的自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進;所述的控制單元控制輸出能量的大小以實現(xiàn)所述的自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進五種運動方式之間的切換;所述跳躍的方向為任意的方向，可以是任意的前、后、上、下、左、右方向，也可以是水平、垂直、傾斜任意角度的方向。所述的切換可以是很快速的。
[0008]本發(fā)明通過智能軟材料來充當驅(qū)動元件，同時通過力放大單元克服了智能軟材料輸出力小的缺點，再經(jīng)過多次循環(huán)加載將能量儲存到儲能單元中，同時通過控制單元控制儲能單元中所儲存的能量的大小，最后將儲能單元中存儲的能量一次性釋放出去。這樣通過驅(qū)動單元、力放大單元、控制單元、儲能單元相結(jié)合作為一個整體的作用，使得本發(fā)明所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)能夠集自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進(瞬間加速)五種運動功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)所述五種運動功能中的任意一種或任意多種功能。特別地，所述驅(qū)動單元、力放大單元、控制單元、儲能單元通過協(xié)同工作可以控制輸出能量的大小以實現(xiàn)各種運動方式之間的快速切換。
[0009]所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)的絕大部分都是柔性的結(jié)構(gòu)，所述的柔性是指結(jié)構(gòu)在受到超過200%的拉伸、壓縮或剪切應(yīng)變后仍能夠恢復(fù)初始狀態(tài)。優(yōu)選的，驅(qū)動單元、儲能單元可以為完全柔性的結(jié)構(gòu)，力放大單元，控制單元需要包含極少量剛性結(jié)構(gòu)。所述的控制單元需要用到的極少量剛性結(jié)構(gòu)包括電路、電源，所述的力放大單元需要用到的極少量剛性結(jié)構(gòu)包括需要承受較大載荷的結(jié)構(gòu)。但上述剛性結(jié)構(gòu)所占整個柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積十分小，就如同在一堆棉花中有一顆石子一樣，一些很小的剛性結(jié)構(gòu)不會影響到整個結(jié)構(gòu)的柔性，仍可以大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。
[0010]進一步地，所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)包括通信單元，所述的通信單元用于調(diào)控所述的控制單元。所述的通信單元可以近距離或遠程控制所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)。所述通信單元的通信方式為無線通信，可以選自藍牙、WIF1、紅外線、長波通信、短波通信、2G、2.5G、2.75G、3G、4G、5G通信方式和后續(xù)代的通信方式(5G以上的版本)中的任意一種或任意二種及以上的組合。所述通信單元可以固定在除了驅(qū)動單元的任意位置上，作為優(yōu)選，可以固定在力放大單元上。
[0011]進一步地，本發(fā)明所述的驅(qū)動單元的尺寸可以為0.1mm?2dm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積約為0.1mm3?1000dm3。作為優(yōu)選，所述驅(qū)動單元的尺寸為Imm?0.5dm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積約為10mm3?10dm3。更進一步的，所述驅(qū)動單元的尺寸為0.5cm?2cm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積約為1cm3?1000cm3。
[0012]進一步地，所述的力放大單元分別連接所述的驅(qū)動單元和所述的儲能單元。
[0013]進一步地，所述的驅(qū)動單元的數(shù)量為兩個以上，所述的驅(qū)動單元之間通過第一傳動機構(gòu)相連接。
[0014]進一步地，所述的力放大單元為相連的同軸心的兩個圓盤，優(yōu)選的，所述兩個圓盤的半徑比I 5。如圖2所示，將驅(qū)動單元與儲能單元分別連接在力放大單元(同軸心的兩個圓盤2-1、2-2上，其中，2-1為半徑大的圓盤，2-2為半徑小的圓盤)上，所述的驅(qū)動單元連接在大圓盤2-1上，也就是驅(qū)動單元所連接的一端半徑大，力臂較長，所述的儲能單元連接在小圓盤2-2上，也就是儲能單元所連接的一端半徑小，力臂較短，兩