一种光驱动微型轮式车辆及其驱动方法技术

一种光驱动微型轮式车辆，包括车轴、车轮，还包括带轮、环形带，每根车轴上均固定有一个带轮及左右两个车轮，前后车轴上的两个带轮之间绕有可以弯曲变形的环形带，通过环形带上光致形变材料的弯曲变形驱动带轮旋转，实现车轴及车轮旋转。其驱动方法：将外圈为光致形变材料制成的封闭环形带紧密套在前后两个带轮上；对环形带外圈采取某方向的光照，光致形变材料被照射的部分表面收缩，发生弯曲，这部分有脱离带轮的趋势；致使环形带对带轮产生逆时针旋转的力矩，驱动该轮式车辆向左行走。本发明专利技术结构简单，尺寸很小，不再需要发动机、传动机构等一系列相关的结构，具有快速、环保、能耗小的优点，并可进行远程操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料以及微型机械
，具体涉及一种利用光直接驱动的微型轮式车辆以及驱动车辆行走的方法。
技术介绍
轮式车辆是现代机械里非常重要的部分，诸如起重机、挖掘机等工程机械要借助 轮式车辆底盘才能实现行走。近年来，由于生产过程精密度和环保要求的不断提高，机械系 统朝微型化、节能化和智能化方向发展的趋势明显。普通的轮式车辆需要发动机、传动机构 等才能将燃料的内能转化成驱动车辆行走的机械能。整个动力传递系统部件的种类和数量 都很多，给轮式车辆的微型化和自动控制带来了极大的困难。近年来有不少报道利用形状 记忆合金和压电陶瓷作为驱动器的机械，例如日本科学家成功地将形状记忆合金应用于小 型的手爪结构中，但是都没有成功应用到驱动车辆行走上，原因除了形状记忆合金和压电 陶瓷本身材料上的缺点以及应用时的苛刻条件之外，最主要的难点还是无法将这些材料变 形产生的能量有效地转化为驱动车辆行走的机械能。 众所周知，光具有快速、准确、清洁环保，储量丰富等一系列优异的性能，它是最好 的能量供给方式，如果只需要简单的结构就能实现光能到机械能的转化，驱动车辆等装置 行走，那将会非常的方便，这也是人类多年的梦想。2003年，复旦大学俞燕蕾教授和东京工 业大学池田富树教授合作研制出了光致弯曲液晶高分子材料(Nature, 2003年425期，第 145页)，该材料在紫外光的照射下在数秒内就能够产生三维的弯曲形变，在可见光或是热 的作用下形变又能够回复，整个过程重复进行，材料本身却不出现疲劳，这给光驱动微型轮 式车辆的研制带来了希望。在此基础上，光驱动微型轮式车辆技术还有待于进一步的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用光照射即可实现行走的微型轮式车辆以及一种驱动微型轮式车辆的行走方法，使该微型轮式车辆可在空间狭小、无法供电、强磁场等苛刻领域应用，并克服某些环境下无法应用轮式车辆实施工作的缺陷。为实现上述目的，本专利技术的解决方案是驱动轮式车辆行走的方法，包括 将外圈为光致形变材料制成的封闭环形带紧密套在前后两个带轮上； 对环形带外圈采取紫外光光照，光致形变材料被照射的部分表面向入射方向收縮，发生弯曲，这部分有脱离带轮、向轮间轨道运动的趋势； 致使环形带对带轮产生逆时针旋转的力矩，实现车轴及车轮逆时针旋转，驱动该 轮式车辆向左行走。 所述紫外光光照方向与水平方向所成角度范围为30度到45度。 实现所述方法的驱动轮式车辆，包括车轴、车轮、带轮、环形带，每根车轴上均固定有一个带轮及左右两个车轮，前后车轴上的两个带轮之间绕有可以弯曲变形的环形带，通过紫外光光照射环形带绕在带轮上的部分，产生的环形带上光致形变材料的弯曲变形驱动带轮旋转，实现车轴及车轮旋转。 所述车轴为前后两根，每根车轴上均固定有一个带轮及左右两个车轮；车轴与车 架之间通过支撑结构固定；前后车轴上的两个带轮之间绕有可以弯曲变形的环形带，该环 形带具有光致形变材料层。 所述驱动轮式车辆整体尺寸为毫米级。 所述支撑结构为四个金属顶针，所述每根车轴左右各有一个顶针穿过车架，顶住 车轴左右端面，顶针与车轴轴线重合。 所述的车架、车轴、带轮及车轮采用材料为高分子材料或金属或它们的复合材料中的一种，优选透光质量轻高硬度的高分子材料，更优选有机玻璃。所述紫外光波长为365mn。 所述环形带为一层，采用的材料为光致形变材料。 所述环形带为两层，外层采用的材料为光致形变材料，内层采用的材料为柔性高分子材料，外层与内层之间通过粘结剂粘结。 所述光致形变材料为光致弯曲液晶高分子材料。 所述柔性高分子材料为聚乙烯或聚丙烯或天然橡胶或由它们构成的复合高分子 材料中的一种，优选聚乙烯材料。 所述粘结剂为聚丙烯酸酯类粘结剂或聚氨酯类粘结剂或环氧树脂类粘结剂或橡 胶类粘结剂中的一种，优选为环氧树脂类粘结剂。 本专利技术提出的驱动上述轮式车辆行走的方法，利用光照射环形带绕在带轮上的部 分，产生驱动带轮旋转的转动力矩，实现车轴及车轮旋转，驱动该轮式车辆行走。 其中，光照射环形带中光致形变材料构成的层使该层产生收縮，光源相对于该车 辆位置不变，光致形变材料离开光源后恢复原始状态。 本专利技术提供的光驱动微型轮式车辆以及驱动车辆行走的方法，由于采用上述技术 方案，具有以下有益效果 (1)本专利技术中的微型轮式车辆同于是传统的轮式车辆，不再需要发动机、传动机构 等一系列相关的结构，可以直接将光致形变材料的变形能转化为驱动车辆行走的机械能， 极大地简化了车辆的设计，结构简单，尺寸明显减小； (2)与现有的其他驱动方式相比较，光驱动快速、环保、能耗小，并且具有可远程操 作等其他驱动方式所不具备的特点； (3)光驱动微型轮式车辆各部件的材料是以高分子材料为主，部件少，原料价格低 廉，易于产业化。 (4)光驱动微型轮式车辆部件数量少，可以根据不同的需要对车辆尺寸进行调整， 适应不同行走速度和载荷能力的需要，具有极高的灵活度。附图说明 图1是本专利技术实施例中一种光驱动微型轮式车辆结构的俯视示意图。 图2是本专利技术实施例中一种光驱动微型轮式车辆结构正视示意图。具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本专利技术作进一步的说明。 如图l-2所示，为本专利技术光驱动微型轮式车辆实施例的示意图，本专利技术包括车架 1、车轴2、带轮3、车轮4、顶针5、环形带6、环形带外圈11、环形带内圈12。车轴2为前后 两根，每根上均固定有一个带轮3及左右两个车轮4，带轮3、车轮4与车轴2过盈配合，固 定在车轴2上；车轴2与车架1之间通过支撑结构固定，支撑结构为四个金属顶针5，每根 车轴2左右各有一个顶针5，顶针5选用的是金属自攻螺丝，其攻丝穿过车架l，前端顶住车 轴2的端面，并与车轴2轴线重合，使车轴2只能转动；前后两个带轮2上绕有可以弯曲变 形的环形带6，环形带6为封闭环，紧密套在前后两个带轮2上；该环形带6由外圈11和内 圈12内外两圈材料构成，内外圈之间通过粘结剂粘结。 另外，本专利技术的环形带6也可以采取单层结构，此时不需要粘结剂，环形带6全部 由光致形变材料构成，其工作原理与二层结构时相同。 本专利技术采用的光源为紫外光，本实施例中具体彩的紫外光波长为365nm，光强无具 体要求，可为100毫瓦每平方厘米左右；车架1、车轴2、带轮3及车轮4选用高分子材料、金 属或它们的复合材料制成，优先选用透光质量轻高硬度的高分子材料，本实施例中选用的 是有机玻璃；外圈11由光致形变材料构成，优先选用光致弯曲液晶高分子材料，本实施例 中具体选用光致弯曲液晶高分子材料，层厚度为18 25微米；内圈12作为支撑，改善了外 圈光致形变材料不易加工成环形的问题，由柔性高分子材料构成，为聚乙烯、聚丙烯、天然 橡胶中的一种，或者是由它们构成的复合高分子材料，同时又不阻碍外圈ll变形，优先选 用聚乙烯材料，本实施例中选用的是单向拉伸低密度聚乙烯薄膜，层厚度为10 15微米， 密度为0. 92g/cm3 ;内外圈之间的粘结剂应尽量不阻碍外层光致形变材料的变形，是聚丙烯 酸酯类粘结剂、聚氨酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、橡胶类粘结剂中的一种，优先选用环 氧树脂类粘结剂，本实施例中具体选用的是环氧树脂。 进一步，进行具体的尺寸设计时，机体整体尺寸在毫米级，带轮直径和车轮直径比 例约为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种驱动轮式车辆行走的方法，其特征在于：包括：将外圈为光致形变材料制成的封闭环形带紧密套在前后两个带轮上；对环形带外圈采取紫外光光照，光致形变材料被照射的部分表面向入射方向收缩，发生弯曲，这部分有脱离带轮、向轮间轨道运动的趋势；致使环形带对带轮产生逆时针旋转的力矩，实现车轴及车轮逆时针旋转，驱动该轮式车辆向左行走。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱玉田，俞燕蕾，陈茂林，岳涛，杨卫祥，程伏涛，章园园，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]