柔性智能爬行机器制造技术

本实用新型专利技术提供一种柔性智能爬行机器，包括柔性框架、驱动结构、保护结构和爬行结构。其中，柔性框架为驱动结构、保护结构和爬行结构提供附着基底；驱动结构包括驱动薄膜组、内部柔性电极、内部导线和外部柔性电极，驱动薄膜组由两片驱动薄膜粘合而成，内部柔性电极封装在两片驱动薄膜内部，内部导线一端分别与内部柔性电极接触，另一端引出与外接电源的一极连接，外部柔性电极涂在所述的驱动薄膜组的外表面，并与外接电源的另一极连接，柔性智能爬行机器的驱动力由驱动薄膜的收缩和舒张产生；保护结构为两片经过预拉伸的保护薄膜；爬行结构为多个单向摩擦结构。本实用新型专利技术柔性智能爬行机器采用全软材料，并且利用智能软材料的本征应变进行驱动，具有爬行速度快，抗冲击性强，噪声小和人体亲和性高的特点。

【技术实现步骤摘要】
柔性智能爬行机器
本技术涉及机器人领域，具体涉及一种利用智能软材料的本征应变驱动的柔性智能爬行机器。
技术介绍
传统机器人多采用刚性结构，包含许多齿轮、链条等刚性传动零件，由于采用刚性材料，因此受到外界冲击时易产生错位，损坏等问题，同时由于刚性结构之间润滑有限，在运行时容易产生较大噪声。现有柔性机器人多采用形状记忆合金弹簧驱动，其爬行速度慢，抗外压和冲击能力弱，此外还有转向不灵活的缺点。现有的利用介电高弹聚合物薄膜驱动的机器人结构，利用介电高弹聚合物产生的驱动力与传动结构相结合的原理，由于其含有硬质框架(例如，金属框架)以及刚性连接部件(例如，弹簧、齿轮、铰链、螺钉、螺栓等)，因此与传统机器人一样，具有整体抗外压和冲击能力弱，不能压缩变形等缺点。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术所要解决的技术问题是提供一种利用智能软材料的本征应变驱动的、能够自主爬行的柔性智能爬行机器。所述的自主爬行是指依靠机器自身的伸缩进行类似于蠕虫的爬行，而不需要借助传动机构(如齿轮、涡轮蜗杆、链条、连杆等)或专门的爬行机构(如爬行爪(通常为三个钩以上)、仿生爬行脚等)来爬行。本技术的柔性智能爬行机器为全软结构，基于利用介电高弹聚合物的本征应变驱动柔性框架的原理，不包含硬质框架(例如，金属框架)，也不包含刚性连接部件(例如，弹簧、齿轮、铰链、螺钉、螺栓等)，相对于现有技术，具有抗外压和冲击能力强，质量轻，噪声小的优点。 本技术针对现有柔性柔性智能爬行机器的爬行速度慢，易损坏，噪声大的缺点，结合智能软材料的本征应变，提供一种全新结构的柔性智能爬行机器。 本技术采用的技术方案如下:一种柔性智能爬行机器，包括柔性框架、驱动结构和爬行结构，其中: 所述的驱动结构利用智能软材料的本征应变产生驱动力，所述的智能软材料是指在外加激励(不包含力场)，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场的作用下，产生的自由形变相对显著并且肉眼可见的特殊材料，其为一种柔性材料，力学特性偏软，刚度和模量很小，其自由形变可恢复；所述的本征应变是指材料在外加激励，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场的作用下产生的形变，这种形变不需要依赖外界的力载荷，也即这种形变是材料本身产生的，例如热胀冷缩现象，这种形变产生的驱动力能使柔性智能爬行机器的柔性框架产生周期性的形变。本技术中所涉及的本征应变为电场作用，通过对柔性智能爬行机器施加高电压(通常为6kV — 9kV)来使其产生形变。 所述的爬行结构用于实现柔性智能爬行机器的自主爬行，由于本技术柔性智能爬行机器不需要借助于传动机构(如齿轮、涡轮蜗杆、链条、连杆等)或专门的爬行机构(如爬行爪(通常为三个钩以上)、仿生爬行脚等)、而仅仅依靠柔性框架的变形与接触面(例如地面、墙面、屋顶等)之间的摩擦来进行爬行，利用简单的爬行结构(即单向摩擦结构)之后可以增加柔性框架与接触面之间的摩擦力，从而大大提高柔性智能爬行机器的爬行效率。 所述的驱动结构和爬行结构附着在所述的柔性框架上，所述的柔性框架是指利用弹性材料制成的框架，其弯曲刚度小，有助于所述柔性智能爬行机器的自主爬行。 本技术柔性智能爬行机器的自主爬行是依靠驱动结构利用智能软材料的本征应变驱动所述的柔性框架,通过柔性框架的类似蠕虫的一伸一缩的变形来实现的。 进一步的，本技术柔性智能爬行机器的柔性框架可以采用硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等弹性材料，作为优选，采用硅胶材料；更优选的，在硅胶固化过程中加入二氧化硅粉末，从而提高硅胶柔性框架的韧性。 进一步的，本技术柔性智能爬行机器的爬行可以靠智能薄膜驱动所述的柔性框架，通过柔性框架的类似蠕虫的一伸一缩的变形来实现，如图所示2。 进一步的，所述的驱动结构可以包括驱动薄膜和外部柔性电极，所述的外部柔性电极涂在驱动薄膜的两面，所述的柔性智能爬行机器的驱动力由驱动薄膜的收缩和舒张产生。所述的驱动薄膜可以是一片或两片。 进一步的，所述的驱动结构还可以包括驱动薄膜组、内部柔性电极、内部导线、夕卜部柔性电极，其中，所述的驱动薄膜组由两片驱动薄膜粘合而成，内部柔性电极为两部分，所述的内部柔性电极封装在两片驱动薄膜内部，内部导线为两条，所述的两条内部导线一端分别与两部分内部柔性电极接触，另一端引出与外接电源的一极连接，所述的外部柔性电极涂在所述驱动薄膜组的外表面，并与外接电源的另一极连接，所述的柔性智能爬行机器的驱动力由驱动薄膜的收缩和舒张产生。 进一步的，本技术所述的驱动薄膜为经过预拉伸的柔性绝缘薄膜，驱动薄膜在附着到柔性框架上之前要先经过预拉伸。对于智能软材料，所述的预拉伸是指先将此类材料预先拉伸到一定状态，然后固定到柔性框架上，使柔性框架处于屈曲状态(如图2所示)。经过预拉伸以后的驱动结构可以非常容易驱动，因为驱动结构处于外加激励作用下，该部分的预拉伸可以被放松，从而使的柔性框架由屈曲状态变为平直状态。 进一步的，本技术所述的驱动薄膜在爬行方向和横向两个垂直方向上均要进行预拉伸，并且在爬行方向上的预拉伸要略大于横向预拉伸。 进一步的，本技术所述的驱动薄膜为介电高弹聚合物(DE)，作为优选，所述的驱动薄膜为VHB4910。 进一步的，本技术所述的柔性电极分为两部分，一部分为内部柔性电极，被两片驱动薄膜夹住，封装在柔性智能爬行机器内部，另一部分为外部柔性电极，直接涂抹于驱动薄膜的正反两面，所述的内部导线一端与内部柔性电极接触，另一端从两片驱动薄膜之间引出，连接外部高压电源火线，而外部柔性电极直接连接高压电源地线。 进一步的，本技术所述的内部柔性电极可以独立分区域，即分为不同区域进行多块驱动，给不同的区域施加6kV — 9kV的电压，即可实现柔性智能爬行机器的转弯。例如，所述的内部柔性电极可以分为1、2两部分区域，如图3所示，当给1区域加上6kV — 9kV的电压时，仅有1区域产生驱动力，此时2区域处于静止状态，因此柔性智能爬行机器在向前爬行时，其1区域侧处于主动运动状态，而2区域侧处于被动运动状态甚至静止状态，因此该柔性智能爬行机器会向2区域侧转弯；同理，当给2区域加上6kV—9kV的电压时，柔性智能爬行机器会向1区域侧转弯，从而通过该分区方法实现了柔性智能爬行机器的转弯功能，当需要柔性智能爬行机器自由转弯时，只需要对两部分区域进行相应的合理控制。 进一步的，本技术所述的柔性电极可以采用碳膏、导电凝胶等材料，作为优选，采用碳膏作为柔性电极。内部柔性电极、外部柔性电极可采用同一种材料，也可采用不同的材料。 进一步的，本技术所述的爬行结构为单向摩擦结构，所述的单向摩擦结构的一端嵌入柔性智能爬行机器柔性框架的内部，另一端作柔性智能爬行机器的爬行脚与接触面(例如地面、墙面、屋顶等)接触，采用单向摩擦结构可以有效的提高柔性智能爬行机器的抓地力，从而提高爬行效率，同时由于单向摩擦结构向后运动的摩擦力远远大于向前运动的摩擦力，因此可以保证柔性智能爬行机器朝着前方爬行而不是原地蠕动。 进一步的，所述的单向摩擦结构为方向可调的结构，当需要柔性智能爬行机器向后爬行时，只需要将单向摩擦结构旋转180°，此时的单向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性智能爬行机器，其特征在于：所述的柔性智能爬行机器包括柔性框架（11）、驱动结构和爬行结构，其中：所述的驱动结构利用智能软材料的本征应变产生驱动力；所述的爬行结构用于实现柔性智能爬行机器的自主爬行；所述的驱动结构和爬行结构附着在所述的柔性框架（11）上。

【技术特征摘要】
1.一种柔性智能爬行机器，其特征在于:所述的柔性智能爬行机器包括柔性框架(11)、驱动结构和爬行结构，其中: 所述的驱动结构利用智能软材料的本征应变产生驱动力； 所述的爬行结构用于实现柔性智能爬行机器的自主爬行； 所述的驱动结构和爬行结构附着在所述的柔性框架(11)上。2.根据权利要求1所述的柔性智能爬行机器，其特征在于:所述的驱动结构包括驱动薄膜(21)和外部柔性电极(4)，所述的外部柔性电极(4)涂在驱动薄膜(21)的两面，所述的柔性智能爬行机器的驱动力由驱动薄膜(21)的收缩和舒张产生。3.根据权利要求1所述的柔性智能爬行机器，其特征在于:所述的驱动结构包括驱动薄膜组、内部柔性电极(31，32)、内部导线(51，52)、外部柔性电极(4)，所述的驱动薄膜组由两片驱动薄膜(21)粘合而成，所述的内部柔性电极(31，32)封装在两片驱动薄膜(21)内部，所述的内部导线(51，52)—端分别与内部柔性电极(31，32)接触，另一端引出与外接电源的一极连接，所述的外部柔性电极(4)涂在所述的驱动薄膜组的外表面，并与外接电源的另一极连接，所述的柔性智能爬行机器的驱动力由驱动薄膜(21)的收缩和舒张产生。4.根据权利要求2或3所述的柔性智能爬行机器，其特征在于:所述的驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁风，邹咤南，李驰，毛国勇，曲绍兴，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33