[發明專利]柔性智能爬行機器

有效

• 申請號: 201410042587.2
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN104309714A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 李鐵風;鄒咤南;李馳;毛國勇;曲紹興
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02;H02N2/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

技術領域

本發明涉及機器人領域，具體涉及一種利用智能軟材料的本征應變驅動的柔性智能爬行機器。

背景技術

傳統機器人多采用剛性結構，包含許多齒輪、鏈條等剛性傳動零件，由于采用剛性材料，因此受到外界沖擊時易產生錯位，損壞等問題，同時由于剛性結構之間潤滑有限，在運行時容易產生較大噪聲。現有柔性機器人多采用形狀記憶合金彈簧驅動，其爬行速度慢，抗外壓和沖擊能力弱，此外還有轉向不靈活的缺點。現有的利用介電高彈聚合物薄膜驅動的機器人結構，利用介電高彈聚合物產生的驅動力與傳動結構相結合的原理，由于其含有硬質框架（例如，金屬框架）以及剛性連接部件（例如，彈簧、齒輪、鉸鏈、螺釘、螺栓等），因此與傳統機器人一樣，具有整體抗外壓和沖擊能力弱，不能壓縮變形等缺點。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種利用智能軟材料的本征應變驅動的、能夠自主爬行的柔性智能爬行機器。所述的自主爬行是指依靠機器自身的伸縮進行類似于蠕蟲的爬行，而不需要借助傳動機構（如齒輪、渦輪蝸桿、鏈條、連桿等）或專門的爬行機構（如爬行爪（通常為三個鉤以上）、仿生爬行腳等）來爬行。本發明的柔性智能爬行機器為全軟結構，基于利用介電高彈聚合物的本征應變驅動柔性框架的原理，不包含硬質框架（例如，金屬框架），也不包含剛性連接部件（例如，彈簧、齒輪、鉸鏈、螺釘、螺栓等），相對于現有技術，具有抗外壓和沖擊能力強，質量輕，噪聲小的優點。

本發明針對現有柔性柔性智能爬行機器的爬行速度慢，易損壞，噪聲大的缺點，結合智能軟材料的本征應變，提供一種全新結構的柔性智能爬行機器。

本發明采用的技術方案如下：一種柔性智能爬行機器，包括柔性框架、驅動結構和爬行結構，其中：

所述的驅動結構利用智能軟材料的本征應變產生驅動力，所述的智能軟材料是指在外加激勵（不包含力場），例如電場、磁場、熱場、光場、電磁場、熱磁場的作用下，產生的自由形變相對顯著并且肉眼可見的特殊材料，其為一種柔性材料，力學特性偏軟，剛度和模量很小，其自由形變可恢復；所述的本征應變是指材料在外加激勵，例如電場、磁場、熱場、光場、電磁場、熱磁場的作用下產生的形變，這種形變不需要依賴外界的力載荷，也即這種形變是材料本身產生的，例如熱脹冷縮現象，這種形變產生的驅動力能使柔性智能爬行機器的柔性框架產生周期性的形變。本發明中所涉及的本征應變為電場作用，通過對柔性智能爬行機器施加高電壓（通常為6kV—9kV）來使其產生形變。

所述的爬行結構用于實現柔性智能爬行機器的自主爬行，由于本發明柔性智能爬行機器不需要借助于傳動機構（如齒輪、渦輪蝸桿、鏈條、連桿等）或專門的爬行機構（如爬行爪（通常為三個鉤以上）、仿生爬行腳等）、而僅僅依靠柔性框架的變形與接觸面（例如地面、墻面、屋頂等）之間的摩擦來進行爬行，利用簡單的爬行結構（即單向摩擦結構）之后可以增加柔性框架與接觸面之間的摩擦力，從而大大提高柔性智能爬行機器的爬行效率。

所述的驅動結構和爬行結構附著在所述的柔性框架上，所述的柔性框架是指利用彈性材料制成的框架，其彎曲剛度小，有助于所述柔性智能爬行機器的自主爬行。

本發明柔性智能爬行機器的自主爬行是依靠驅動結構利用智能軟材料的本征應變驅動所述的柔性框架，通過柔性框架的類似蠕蟲的一伸一縮的變形來實現的。

進一步的，本發明柔性智能爬行機器的柔性框架可以采用硅膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等彈性材料，作為優選，采用硅膠材料；更優選的，在硅膠固化過程中加入二氧化硅粉末，從而提高硅膠柔性框架的韌性。

進一步的，本發明柔性智能爬行機器的爬行可以靠智能薄膜驅動所述的柔性框架，通過柔性框架的類似蠕蟲的一伸一縮的變形來實現，如圖所示2。

進一步的，所述的驅動結構可以包括驅動薄膜和外部柔性電極，所述的外部柔性電極涂在驅動薄膜的兩面，所述的柔性智能爬行機器的驅動力由驅動薄膜的收縮和舒張產生。所述的驅動薄膜可以是一片或兩片。

進一步的，所述的驅動結構還可以包括驅動薄膜組、內部柔性電極、內部導線、外部柔性電極，其中，所述的驅動薄膜組由兩片驅動薄膜粘合而成，內部柔性電極為兩部分，所述的內部柔性電極封裝在兩片驅動薄膜內部，內部導線為兩條，所述的兩條內部導線一端分別與兩部分內部柔性電極接觸，另一端引出與外接電源的一極連接，所述的外部柔性電極涂在所述驅動薄膜組的外表面，并與外接電源的另一極連接，所述的柔性智能爬行機器的驅動力由驅動薄膜的收縮和舒張產生。