專利名稱：一種光驅動微型輪式車輛及其驅動方法
技術領域：
本發(fā)明屬于材料以及微型機械技術領域，具體涉及一種利用光直接驅動的微型輪
式車輛以及驅動車輛行走的方法。
背景技術：
輪式車輛是現(xiàn)代機械里非常重要的部分，諸如起重機、挖掘機等工程機械要借助 輪式車輛底盤才能實現(xiàn)行走。近年來，由于生產(chǎn)過程精密度和環(huán)保要求的不斷提高，機械系 統(tǒng)朝微型化、節(jié)能化和智能化方向發(fā)展的趨勢明顯。普通的輪式車輛需要發(fā)動機、傳動機構 等才能將燃料的內能轉化成驅動車輛行走的機械能。整個動力傳遞系統(tǒng)部件的種類和數(shù)量 都很多，給輪式車輛的微型化和自動控制帶來了極大的困難。近年來有不少報道利用形狀 記憶合金和壓電陶瓷作為驅動器的機械，例如日本科學家成功地將形狀記憶合金應用于小 型的手爪結構中，但是都沒有成功應用到驅動車輛行走上，原因除了形狀記憶合金和壓電 陶瓷本身材料上的缺點以及應用時的苛刻條件之外，最主要的難點還是無法將這些材料變 形產(chǎn)生的能量有效地轉化為驅動車輛行走的機械能。 眾所周知，光具有快速、準確、清潔環(huán)保，儲量豐富等一系列優(yōu)異的性能，它是最好 的能量供給方式，如果只需要簡單的結構就能實現(xiàn)光能到機械能的轉化，驅動車輛等裝置 行走，那將會非常的方便，這也是人類多年的夢想。2003年，復旦大學俞燕蕾教授和東京工 業(yè)大學池田富樹教授合作研制出了光致彎曲液晶高分子材料(Nature, 2003年425期，第 145頁)，該材料在紫外光的照射下在數(shù)秒內就能夠產(chǎn)生三維的彎曲形變，在可見光或是熱 的作用下形變又能夠回復，整個過程重復進行，材料本身卻不出現(xiàn)疲勞，這給光驅動微型輪 式車輛的研制帶來了希望。在此基礎上，光驅動微型輪式車輛技術還有待于進一步的研究。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用光照射即可實現(xiàn)行走的微型輪式車輛以及一種
驅動微型輪式車輛的行走方法，使該微型輪式車輛可在空間狹小、無法供電、強磁場等苛刻
領域應用，并克服某些環(huán)境下無法應用輪式車輛實施工作的缺陷。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是驅動輪式車輛行走的方法，包括 將外圈為光致形變材料制成的封閉環(huán)形帶緊密套在前后兩個帶輪上； 對環(huán)形帶外圈采取紫外光光照，光致形變材料被照射的部分表面向入射方向收
縮，發(fā)生彎曲，這部分有脫離帶輪、向輪間軌道運動的趨勢； 致使環(huán)形帶對帶輪產(chǎn)生逆時針旋轉的力矩，實現(xiàn)車軸及車輪逆時針旋轉，驅動該 輪式車輛向左行走。 所述紫外光光照方向與水平方向所成角度范圍為30度到45度。 實現(xiàn)所述方法的驅動輪式車輛，包括車軸、車輪、帶輪、環(huán)形帶，每根車軸上均固定
有一個帶輪及左右兩個車輪，前后車軸上的兩個帶輪之間繞有可以彎曲變形的環(huán)形帶，通
過紫外光光照射環(huán)形帶繞在帶輪上的部分，產(chǎn)生的環(huán)形帶上光致形變材料的彎曲變形驅動帶輪旋轉，實現(xiàn)車軸及車輪旋轉。 所述車軸為前后兩根，每根車軸上均固定有一個帶輪及左右兩個車輪；車軸與車 架之間通過支撐結構固定；前后車軸上的兩個帶輪之間繞有可以彎曲變形的環(huán)形帶，該環(huán) 形帶具有光致形變材料層。 所述驅動輪式車輛整體尺寸為毫米級。 所述支撐結構為四個金屬頂針，所述每根車軸左右各有一個頂針穿過車架，頂住 車軸左右端面，頂針與車軸軸線重合。 所述的車架、車軸、帶輪及車輪采用材料為高分子材料或金屬或它們的復合材料
中的一種，優(yōu)選透光質量輕高硬度的高分子材料，更優(yōu)選有機玻璃。所述紫外光波長為365mn。 所述環(huán)形帶為一層，采用的材料為光致形變材料。 所述環(huán)形帶為兩層，外層采用的材料為光致形變材料，內層采用的材料為柔性高
分子材料，外層與內層之間通過粘結劑粘結。 所述光致形變材料為光致彎曲液晶高分子材料。 所述柔性高分子材料為聚乙烯或聚丙烯或天然橡膠或由它們構成的復合高分子 材料中的一種，優(yōu)選聚乙烯材料。 所述粘結劑為聚丙烯酸酯類粘結劑或聚氨酯類粘結劑或環(huán)氧樹脂類粘結劑或橡 膠類粘結劑中的一種，優(yōu)選為環(huán)氧樹脂類粘結劑。 本發(fā)明提出的驅動上述輪式車輛行走的方法，利用光照射環(huán)形帶繞在帶輪上的部 分，產(chǎn)生驅動帶輪旋轉的轉動力矩，實現(xiàn)車軸及車輪旋轉，驅動該輪式車輛行走。
其中，光照射環(huán)形帶中光致形變材料構成的層使該層產(chǎn)生收縮，光源相對于該車 輛位置不變，光致形變材料離開光源后恢復原始狀態(tài)。 本發(fā)明提供的光驅動微型輪式車輛以及驅動車輛行走的方法，由于采用上述技術 方案，具有以下有益效果 (1)本發(fā)明中的微型輪式車輛同于是傳統(tǒng)的輪式車輛，不再需要發(fā)動機、傳動機構 等一系列相關的結構，可以直接將光致形變材料的變形能轉化為驅動車輛行走的機械能， 極大地簡化了車輛的設計，結構簡單，尺寸明顯減??； (2)與現(xiàn)有的其他驅動方式相比較，光驅動快速、環(huán)保、能耗小，并且具有可遠程操 作等其他驅動方式所不具備的特點； (3)光驅動微型輪式車輛各部件的材料是以高分子材料為主，部件少，原料價格低 廉，易于產(chǎn)業(yè)化。 (4)光驅動微型輪式車輛部件數(shù)量少，可以根據(jù)不同的需要對車輛尺寸進行調整， 適應不同行走速度和載荷能力的需要，具有極高的靈活度。


圖1是本發(fā)明實施例中一種光驅動微型輪式車輛結構的俯視示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例中一種光驅動微型輪式車輛結構正視示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。 如圖l-2所示，為本發(fā)明光驅動微型輪式車輛實施例的示意圖，本發(fā)明包括車架 1、車軸2、帶輪3、車輪4、頂針5、環(huán)形帶6、環(huán)形帶外圈11、環(huán)形帶內圈12。車軸2為前后 兩根，每根上均固定有一個帶輪3及左右兩個車輪4，帶輪3、車輪4與車軸2過盈配合，固 定在車軸2上；車軸2與車架1之間通過支撐結構固定，支撐結構為四個金屬頂針5，每根 車軸2左右各有一個頂針5，頂針5選用的是金屬自攻螺絲，其攻絲穿過車架l，前端頂住車 軸2的端面，并與車軸2軸線重合，使車軸2只能轉動；前后兩個帶輪2上繞有可以彎曲變 形的環(huán)形帶6，環(huán)形帶6為封閉環(huán)，緊密套在前后兩個帶輪2上；該環(huán)形帶6由外圈11和內 圈12內外兩圈材料構成，內外圈之間通過粘結劑粘結。 另外，本發(fā)明的環(huán)形帶6也可以采取單層結構，此時不需要粘結劑，環(huán)形帶6全部 由光致形變材料構成，其工作原理與二層結構時相同。 本發(fā)明采用的光源為紫外光，本實施例中具體彩的紫外光波長為365nm，光強無具 體要求，可為100毫瓦每平方厘米左右；車架1、車軸2、帶輪3及車輪4選用高分子材料、金 屬或它們的復合材料制成，優(yōu)先選用透光質量輕高硬度的高分子材料，本實施例中選用的 是有機玻璃；外圈11由光致形變材料構成，優(yōu)先選用光致彎曲液晶高分子材料，本實施例 中具體選用光致彎曲液晶高分子材料，層厚度為18 25微米；內圈12作為支撐，改善了外 圈光致形變材料不易加工成環(huán)形的問題，由柔性高分子材料構成，為聚乙烯、聚丙烯、天然 橡膠中的一種，或者是由它們構成的復合高分子材料，同時又不阻礙外圈ll變形，優(yōu)先選 用聚乙烯材料，本實施例中選用的是單向拉伸低密度聚乙烯薄膜，層厚度為10 15微米， 密度為0. 92g/cm3 ;內外圈之間的粘結劑應盡量不阻礙外層光致形變材料的變形，是聚丙烯 酸酯類粘結劑、聚氨酯類粘結劑、環(huán)氧樹脂類粘結劑、橡膠類粘結劑中的一種，優(yōu)先選用環(huán) 氧樹脂類粘結劑，本實施例中具體選用的是環(huán)氧樹脂。 進一步，進行具體的尺寸設計時，機體整體尺寸在毫米級，帶輪直徑和車輪直徑比 例約為2 : 3，帶輪長度比環(huán)形帶寬度長0. 5mm到lmm。具體在本實施例中，車輛的尺寸如 下車體長15mm、寬13mm、高7mm ;車軸直徑2mm、長13mm，前后軸距8mm到llmm，帶輪直徑 4mm、寬4mm，車輪直徑6mm、厚度lmm ;環(huán)形帶寬3. 5mm，二層材料總厚度為IOO微米左右。環(huán) 形帶。 光致形變材料在光的作用下可產(chǎn)生彎曲形變，這個過程將光能直接轉化為機械 能，本發(fā)明利用了光致形變材料這一特點，在環(huán)形帶結構中采用光致形變材料來實現(xiàn)輪式 車輛的驅動。下面為光驅動微型輪式車輛被光驅動實現(xiàn)行走的過程 將柔性高分子材料與光致形變材料分別作為內、外圈制成封閉的環(huán)形帶，緊密套 在前后兩個帶輪上； 光致形變材料被紫外光照射的部分會向光線入射方向彎曲，故對環(huán)形帶外圈11 繞在帶輪上且靠近平直區(qū)域的部分采取紫外線照射，照射方向與水平所成角度范圍為30 度到45度，大致如圖2所示的箭頭100方向，這部分光致形變材料發(fā)生彎曲，有脫離帶輪向 平直區(qū)域運動的趨勢； 環(huán)形帶對帶輪產(chǎn)生逆時針旋轉的力矩，實現(xiàn)車軸及車輪逆時針旋轉，驅動該輪式 車輛向左行走。
通過上述的過程可以實現(xiàn)環(huán)形帶6驅動輪式車輛在路面運動的功能。 上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)
明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的
一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施
例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在
本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種驅動輪式車輛行走的方法，其特征在于包括將外圈為光致形變材料制成的封閉環(huán)形帶緊密套在前后兩個帶輪上；對環(huán)形帶外圈采取紫外光光照，光致形變材料被照射的部分表面向入射方向收縮，發(fā)生彎曲，這部分有脫離帶輪、向輪間軌道運動的趨勢；致使環(huán)形帶對帶輪產(chǎn)生逆時針旋轉的力矩，實現(xiàn)車軸及車輪逆時針旋轉，驅動該輪式車輛向左行走。
2. 如權利要求1所述的驅動輪式車輛行走的方法，其特征在于所述紫外光光照方向與水平方向所成角度范圍為30度到45度。
3. 實現(xiàn)權利要求1方法的驅動輪式車輛，包括車軸、車輪，其特征在于還包括帶輪、環(huán)形帶，每根車軸上均固定有一個帶輪及左右兩個車輪，前后車軸上的兩個帶輪之間繞有可 以彎曲變形的環(huán)形帶，通過紫外光光照射環(huán)形帶繞在帶輪上的部分，產(chǎn)生的環(huán)形帶上光致 形變材料的彎曲變形驅動帶輪旋轉，實現(xiàn)車軸及車輪旋轉。
4. 如權利要求3所述的驅動輪式車輛，其特征在于所述車軸為前后兩根，每根車軸上 均固定有一個帶輪及左右兩個車輪；車軸與車架之間通過支撐結構固定；前后車軸上的兩 個帶輪之間繞有可以彎曲變形的環(huán)形帶，該環(huán)形帶具有光致形變材料層。
5. 如權利要求4所述的驅動輪式車輛，其特征在于所述支撐結構為四個金屬頂針，所 述每根車軸左右各有一個頂針穿過車架，頂住車軸左右端面，頂針與車軸軸線重合。
6. 如權利要求3所述的驅動輪式車輛，其特征在于所述的車架、車軸、帶輪及車輪采 用材料為高分子材料或金屬或它們的復合材料中的一種，優(yōu)選透光質量輕高硬度的高分子 材料，更優(yōu)選有機玻璃；所述紫外光波長為365mn ;所述驅動輪式車輛整體尺寸為毫米級。
7. 如權利要求3所述的驅動輪式車輛，其特征在于所述環(huán)形帶為一層，采用的材料為 光致形變材料；或者所述環(huán)形帶為兩層，外層采用的材料為光致形變材料，內層采用的材料 為柔性高分子材料，外層與內層之間通過粘結劑粘結。
8. 如權利要求7所述的驅動輪式車輛，其特征在于所述光致形變材料為光致彎曲液 晶高分子材料。
9. 如權利要求7所述的驅動輪式車輛，其特征在于所述柔性高分子材料為聚乙烯或 聚丙烯或天然橡膠或由它們構成的復合高分子材料中的一種，優(yōu)選聚乙烯材料。
10. 如權利要求7所述的驅動輪式車輛，其特征在于所述粘結劑為聚丙烯酸酯類粘結 劑或聚氨酯類粘結劑或環(huán)氧樹脂類粘結劑或橡膠類粘結劑中的一種，優(yōu)選為環(huán)氧樹脂類粘 結劑。
全文摘要
一種光驅動微型輪式車輛，包括車軸、車輪，還包括帶輪、環(huán)形帶，每根車軸上均固定有一個帶輪及左右兩個車輪，前后車軸上的兩個帶輪之間繞有可以彎曲變形的環(huán)形帶，通過環(huán)形帶上光致形變材料的彎曲變形驅動帶輪旋轉，實現(xiàn)車軸及車輪旋轉。其驅動方法將外圈為光致形變材料制成的封閉環(huán)形帶緊密套在前后兩個帶輪上；對環(huán)形帶外圈采取某方向的光照，光致形變材料被照射的部分表面收縮，發(fā)生彎曲，這部分有脫離帶輪的趨勢；致使環(huán)形帶對帶輪產(chǎn)生逆時針旋轉的力矩，驅動該輪式車輛向左行走。本發(fā)明結構簡單，尺寸很小，不再需要發(fā)動機、傳動機構等一系列相關的結構，具有快速、環(huán)保、能耗小的優(yōu)點，并可進行遠程操作。
文檔編號A63H17/00GK101780339SQ20101012345
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權日2010年3月12日
發(fā)明者俞燕蕾, 岳濤, 朱玉田, 楊衛(wèi)祥, 程伏濤, 章園園, 陳茂林 申請人:同濟大學