柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種能夠集成實(shí)現(xiàn)自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，對(duì)于墓室的探測(cè)、外星球的探索、軍事偵察以及反恐偵察等類(lèi)似危險(xiǎn)的活動(dòng)，人們多采用機(jī)器人來(lái)代替人類(lèi)本身進(jìn)行探測(cè)。上述場(chǎng)合一般地勢(shì)較為復(fù)雜，且存在各種障礙物，這就要求探測(cè)機(jī)器人具有多種運(yùn)動(dòng)能力、很高的運(yùn)動(dòng)自由度以越過(guò)這些障礙。當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式大多只能實(shí)現(xiàn)單一的運(yùn)動(dòng)方式，例如，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)步行、爬行、滾動(dòng)或跳躍，也有少量的機(jī)器人能同時(shí)實(shí)現(xiàn)其中兩種功能。并且當(dāng)前機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)剛性結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其中包含許多凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導(dǎo)柱等剛性傳動(dòng)零件，剛性材料的采用使得機(jī)器人在受到外界沖擊時(shí)易產(chǎn)生錯(cuò)位、損壞等問(wèn)題，同時(shí)由于剛性結(jié)構(gòu)之間潤(rùn)滑有限，在運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生較大噪聲。中國(guó)專(zhuān)利CN201010617013.5報(bào)道的機(jī)器人垂直彈跳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括多種如前所述的剛性傳動(dòng)零件，加工與組裝困難，結(jié)構(gòu)笨重，運(yùn)行時(shí)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(jiàn)能夠集成步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)多種功能于一體的，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工的機(jī)器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用智能軟材料的本征應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的，能夠?qū)崿F(xiàn)集自主步行(walk)、爬行(climb)、滾動(dòng)(scroll)、跳躍(bounce)和突進(jìn)多種功能于一體的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也就是，本發(fā)明所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠自主實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)，包括自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍和突進(jìn)，集各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式于一體，上述的五種運(yùn)動(dòng)方式均為自主運(yùn)動(dòng)，即:自主步行、自主爬行、自主滾動(dòng)、自主跳躍和自主突進(jìn)。所述的突進(jìn)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(dòng)、跳躍和突進(jìn)是指可以進(jìn)行例如類(lèi)似于人類(lèi)的步行、蠕蟲(chóng)的爬行、潮蟲(chóng)的滾動(dòng)、跳蚤的跳躍(數(shù)倍于自體的身長(zhǎng))、大齒猛蟻的突進(jìn)(在極短的時(shí)間內(nèi)可以瞬間加速到lOm/s)的運(yùn)動(dòng)，而不需要借助電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導(dǎo)柱等)來(lái)實(shí)現(xiàn)自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍和突進(jìn)。
[0005]所述的本征應(yīng)變是指材料在外加激勵(lì)，例如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、光場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熱磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的形變，這種形變不需要依賴(lài)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(dòng)力能使柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(lì)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(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)柔性的驅(qū)動(dòng)裝置，充當(dāng)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(dòng)機(jī)構(gòu)可以與支撐機(jī)構(gòu)組合發(fā)揮更大的作用，所述的支撐機(jī)構(gòu)可以選自柔性框架、柔性外殼。柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與支撐機(jī)構(gòu)組合成柔性裝置之后，通過(guò)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能以及釋放能量，能夠使得支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，也能使支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行滾動(dòng)、跳躍等運(yùn)動(dòng)。所述的柔性裝置是指有特定功能的柔性器件，例如柔性機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)能夠讓柔性裝置(例如，柔性機(jī)器人等)不僅能實(shí)現(xiàn)像真實(shí)人類(lèi)一樣靈活的、多種運(yùn)動(dòng)方式，而且還能實(shí)現(xiàn)人類(lèi)難以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式(例如:滾動(dòng)和突進(jìn))。
[0007 ]為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)單元、力放大單元、控制單元、儲(chǔ)能單元，所述的驅(qū)動(dòng)單元利用智能軟材料的本征應(yīng)變產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力;所述的驅(qū)動(dòng)單元不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且通過(guò)力放大單元將能量輸入到儲(chǔ)能單元中；所述控制單元控制儲(chǔ)能單元一次性釋放儲(chǔ)存的能量以實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)構(gòu)的自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn);所述的控制單元控制輸出能量的大小以實(shí)現(xiàn)所述的自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)五種運(yùn)動(dòng)方式之間的切換;所述跳躍的方向?yàn)槿我獾姆较颍梢允侨我獾那?、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(guò)智能軟材料來(lái)充當(dāng)驅(qū)動(dòng)元件，同時(shí)通過(guò)力放大單元克服了智能軟材料輸出力小的缺點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)多次循環(huán)加載將能量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能單元中，同時(shí)通過(guò)控制單元控制儲(chǔ)能單元中所儲(chǔ)存的能量的大小，最后將儲(chǔ)能單元中存儲(chǔ)的能量一次性釋放出去。這樣通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元、力放大單元、控制單元、儲(chǔ)能單元相結(jié)合作為一個(gè)整體的作用，使得本發(fā)明所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠集自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)(瞬間加速)五種運(yùn)動(dòng)功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)所述五種運(yùn)動(dòng)功能中的任意一種或任意多種功能。特別地，所述驅(qū)動(dòng)單元、力放大單元、控制單元、儲(chǔ)能單元通過(guò)協(xié)同工作可以控制輸出能量的大小以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)方式之間的快速切換。
[0009]所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(guò)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(dòng)單元、儲(chǔ)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(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(huì)影響到整個(gè)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(jìn)一步地，所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(yuǎn)程控制所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。所述通信單元的通信方式為無(wú)線(xiàn)通信，可以選自藍(lán)牙、WIF1、紅外線(xiàn)、長(zhǎng)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(dòng)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(jìn)一步地，本發(fā)明所述的驅(qū)動(dòng)單元的尺寸可以為0.1mm?2dm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積約為0.1mm3?1000dm3。作為優(yōu)選，所述驅(qū)動(dòng)單元的尺寸為Imm?0.5dm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積約為10mm3?10dm3。更進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)單元的尺寸為0.5cm?2cm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積約為1cm3?1000cm3。
[0012]進(jìn)一步地，所述的力放大單元分別連接所述的驅(qū)動(dòng)單元和所述的儲(chǔ)能單元。
[0013]進(jìn)一步地，所述的驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量為兩個(gè)以上，所述的驅(qū)動(dòng)單元之間通過(guò)第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接。
[0014]進(jìn)一步地，所述的力放大單元為相連的同軸心的兩個(gè)圓盤(pán)，優(yōu)選的，所述兩個(gè)圓盤(pán)的半徑比I 5。如圖2所示，將驅(qū)動(dòng)單元與儲(chǔ)能單元分別連接在力放大單元(同軸心的兩個(gè)圓盤(pán)2-1、2-2上，其中，2-1為半徑大的圓盤(pán)，2-2為半徑小的圓盤(pán))上，所述的驅(qū)動(dòng)單元連接在大圓盤(pán)2-1上，也就是驅(qū)動(dòng)單元所連接的一端半徑大，力臂較長(zhǎng)，所述的儲(chǔ)能單元連接在小圓盤(pán)2-2上，也就是儲(chǔ)能單元所連接的一端半徑小，力臂較短，兩