一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人制造技术

一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，包括绝缘胶带、U形躯体、运动足、形状记忆驱动体。绝缘胶带分别封装于U型躯体的两端。U形躯体由双层薄膜构成，其中一层薄膜的热膨胀系数大于另一层薄膜的热膨胀系数。运动足由3个铜线足组成，其中2个运动足连接于U形躯体开口端的两侧，另1个涂有环氧树脂基材料的运动足连接于U形躯体的闭口端。形状记忆驱动体连接于U形躯体上。U形躯体和形状记忆驱动体，可在外部电源或热源控制下发生应激变形，通过外部电源/热源的接入

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人


[0001]本申请属于微小型机器人领域，特别涉及一种基于智能薄膜和仿生结构的微型柔性机器人。

技术介绍

[0002]随着“智能+”时代的到来，基于新一代机器人的研究吸引了学术界、工业界的广泛兴趣。
[0003]传统机器人一般由刚性模块通过运动副结构连接而成，具有执行效率高、可靠性高等优点。但其刚性结构导致传统刚性机器人存在灵活度不足、隐蔽性不足、机构/结构复杂等问题，难以在狭小空间作业，环境适应性较差。相比于传统刚性机器人，柔性机器人具有更强的灵活性，可实现弯曲、扭转等大尺寸变形，且其连续而非间断变形赋予了柔性机器人更强的环境适应性。
[0004]发展仿生微型柔性机器人技术，未来有望用于管道内部检查、狭小空间作业、代替危险环境下人类作业、废墟内探测救援等方面。

技术实现思路

[0005]本申请解决的技术问题是：提出一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人技术，通过“智能双层薄膜应激变形+形状记忆复合材料应激变形+仿生构型设计”，大幅提升了微型机器人的运动能力，具备结构重量轻、小型化、柔性可变形等优点，未来可实现狭小、危险环境下作业。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，包括U形躯体、运动足、封装胶带、形状记忆辅助驱动体；
[0008]U形躯体通过绝缘胶带与运动足连接；
[0009]U形躯体为双层薄膜，其中一层薄膜的热膨胀系数大于另一层薄膜的热膨胀系数；<br/>[0010]运动足由3个铜线足构成，其中2个导电的运动足分别连接于U形躯体的开口端两侧，另1个涂覆有环氧树脂基材料的绝缘运动足连接于U形躯体的闭口端；
[0011]所述形状记忆驱动体桥连接于U形躯体热膨胀系数较小的一侧；
[0012]在外部电源/热源控制下，所述U形躯体和形状记忆辅助驱动体均产生应激变形。
[0013]所述U形躯体可在外部电源/热源加载
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卸载作用下，产生弯曲
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展开的应激变形，并通过连接的铜线足在地上或铜导轨上实现驱动运动。
[0014]当外部电源加载时，电流通过整个软体机器人形成闭合回路，电能转化为热能。由于U型躯体的双层薄膜热膨胀系数不同，U型躯体在外部电源加载下会产生应激形变。当外部电源卸载时，U形躯体恢复到初始的形态。当外部电源再次加载
‑
卸载时，重复上述产生变形
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变形恢复过程。通过上述作用机制，实现U形躯体的周期性弯曲
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展开运动。
[0015]上述仿生微型机器人中，所述U形躯体中两层薄膜的热膨胀系数相差至少为1个数
量级。
[0016]上述仿生微型机器人中，所述微型机器人可在地面通过有线导线连接控制，也可在铜导轨表面实现无线控制。
[0017]上述仿生微型机器人中，所述形状记忆辅助驱动体连接于U形躯体双层薄膜的弯曲面内侧薄膜上，由形状记忆聚合物复合材料构成，可在外部电源/热源刺激下，实现应激变形。
[0018]当外部电源加载时，由形状记忆聚合物复合材料构成的形状记忆驱动体会产生应激变形，外部电源卸载后，变形恢复。通过反复的电源加载
‑
卸载过程，实现收缩
‑
伸展运动，从而辅助微型柔性机器人驱动，增大软体机器人运动步长。
[0019]上述仿生微型机器人中，所述U形躯体中双层薄膜中一层薄膜为碳纳米材料，另一层薄膜为聚合物复合材料。
[0020]上述仿生微型机器人中，所述双层薄膜中的碳纳米材料层薄膜为石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或几种，聚合物复合材料层薄膜为聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷复合材料。
[0021]上述仿生微型机器人中，所述U形躯体的厚度为0.2
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1.5mm，第二层薄膜的厚度为0.15
‑
1.4mm。
[0022]通过上述技术方案，在该厚度限定范围内，U形躯体更利于产生应激变形，变形幅度更大。
[0023]上述仿生微型机器人中，所述运动足呈钩型，运动足的直径范围为0.1mm
‑
1mm。
[0024]上述仿生微型机器人中，所述U形躯体通过绝缘胶带与运动足连接。
[0025]上述仿生微型机器人中，所述连接于U型躯体封口端的运动足涂覆有环氧树脂基材料。
[0026]上述仿生微型机器人中，外加电源的电压范围为2
‑
10V。
[0027]上述仿生微型机器人中，所述U形躯体的制备包括以下制备步骤：
[0028]将碳纳米材料溶解于溶剂中，混合得到第一混合液，将第一混合液倒入模具，溶剂蒸干后，得到第一层薄膜；
[0029]将聚合物复合材料的溶液倒入盛有第一层薄膜的模具中，加热烘干得到U形躯体双层薄膜。
[0030]上述仿生微型机器人中，所述溶剂为去离子水、丙酮、乙醇中的任意一种或多种。
[0031]上述仿生微型机器人中，沉积U形躯体的基板为玻璃基板、塑料基板、铜金属薄片基板中的任意一种或多种。
[0032]与现有技术相比，本申请至少具有如下有益效果：
[0033](1)本申请利用双层复合薄膜的设计，实现了微型柔性机器人在外加电源/热源下的应激变形运动。双层复合薄膜由碳纳米材料层和高聚物复合材料层构成，利用双层复合薄膜自身的自驱动特性，实现了微型机器人的驱动设计。材料功能一体化的设计一方面降低了微型机器人的重量，减小了体积，另一方面满足了微型机器人的高效运动要求，实现了微型机器人的轻质、微小型、强机动能力。
[0034](2)本申请设计的双层复合薄膜采用了U型设计，简化了微型机器人的研制流程。
[0035](3)本申请设计了3足微型机器人，利用三角形的稳定性原理，提升了微型机器人
静置和运动过程中的稳定性。
[0036](4)本申请通过形状记忆聚合物复合材料辅助驱动的设计，大大提升了微型机器人的运动步长，弥补了现有双层复合薄膜应激变形量不足的问题。
附图说明
[0037]图1为一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人侧面结构示意图；
[0038]图2为U形薄膜躯体俯视图；
[0039]图3为U形薄膜躯体截面图。
[0040]附图标号说明：1、绝缘胶带；2、U形躯体；3、运动足；31、导电的运动足；32、绝缘的运动足；4、形状记忆辅助驱动体；5、第一层薄膜；6、第二层薄膜。
具体实施方式
[0041]下面结合具体实施例对本申请做进一步详细的描述：
[0042]石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷，均由市售获得。
[0043]为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面为其中一种实施方式，以进行进一步说明。
[0044]本申请实施例公开一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人。通过“研制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：包括绝缘胶带(1)、U形躯体(2)、运动足(3)、形状记忆辅助驱动体(4)；U形躯体(2)通过绝缘胶带(1)与运动足(3)连接；所述U形躯体(2)为双层薄膜，其中一层薄膜的热膨胀系数大于另一层薄膜的热膨胀系数；所述运动足(3)包括两个导电的运动足(31)和一个绝缘的运动足(32)，导电的运动足(31)连接于U形躯体(2)的开口端两侧，绝缘的运动足(32)连接于U形躯体(2)的闭口端；所述形状记忆驱动体(4)桥连于U形躯体(2)连接于U形躯体(2)热膨胀系数较小的一侧；在外部电源/热源控制下，所述U形躯体(2)和形状记忆辅助驱动体(4)均产生应激变形。2.根据权利要求1所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述绝缘的运动足(3)涂覆有环氧树脂基材料。3.根据权利要求1所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述U形躯体(2)，其中一层为碳纳米材料层，另一层为聚合物复合材料层。4.根据权利要求3所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述碳纳米材料层为石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或几种，聚合物复合材料层为聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷复合材料。5.根据权利要求3所述的一种基于复合薄膜应激变...

【专利技术属性】
技术研发人员：雍颖琼，李永远，张宏江，李旗挺，阳佳，李晟嘉，孙光，刘焱飞，宋盛菊，杜立超，刘岱，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：