CN104309714A - 柔性智能爬行机器 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明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。

Description

柔性智能爬行机器

技术领域

本发明涉及机器人领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。本发明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。

本发明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。

本发明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。本发明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，由于本发明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。

本发明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，本发明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，本发明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、外部柔性电极，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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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°，此时的单向摩擦结构向前运动的摩擦力将远远大于向后运动的摩擦力，从而改变柔性智能爬行机器的爬行方向，使其向后爬行。

进一步的，所述的单向摩擦结构的个数选择和分布方式取决于柔性智能爬行机器的尺寸大小和柔性框架形状，作为优选，小型三角形柔性框架采用三只单向摩擦结构分布方式，柔性智能爬行机器前端布置一只，后端布置两只。所述单向摩擦结构的材料可以为不锈钢或其他硬质材料。

进一步的，本发明的柔性智能爬行机器可以包括保护结构，所述的保护结构用于保护所述的驱动结构，所述的保护结构附着在柔性框架上。

进一步的，所述的保护结构为两片经过预拉伸的保护薄膜，所述的保护薄膜为柔性绝缘薄膜，所述的两片保护薄膜分别贴在驱动薄膜的两侧。

进一步的，所述的两片驱动薄膜和两片保护薄膜粘合在一起，并附着在柔性框架上，使柔性框架产生弯曲。

进一步的，为了减小对驱动薄膜的影响，两片保护薄膜也经过了和驱动薄膜同样的预拉伸，两片保护薄膜在经过预拉伸后直接贴在驱动薄膜的两面，由于两片驱动薄膜中间的柔性电极直接连接外部高压电火线，容易漏电，因此该保护薄膜的主要作用是防止漏电。

进一步的，所述的保护薄膜的材料为介电高弹体，作为优选，采用VHB 9473作为保护薄膜的材料。

进一步的，本发明柔性智能爬行机器的尺寸可以为1mm～500mm。

进一步的，本发明柔性智能爬行机器的柔性框架厚度可调，根据柔性框架采用材料的不同应适当调整柔性框架厚度，从而实现在与驱动结构粘合后达到合理的弯曲程度，进而实现爬行。所述柔性框架的材料可以是硅胶、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、橡胶等具有弹性的软材料。

进一步的，本发明柔性智能爬行机器的柔性框架为可控多边形结构，作为优选，采用三角形柔性框架。

本发明柔性智能爬行机器可单独爬行，多个机器之间也可通过柔性框架进行粘接形成柔性智能爬行机器组，实现机器的串联、并联组装，从而实现组合爬行。

本发明由于采用智能软材料（例如介电高弹聚合物）进行电能向机械能的转换，转换效率高，驱动效果好，因此爬行速度非常块；由于整个柔性智能爬行机器结构都采用柔性材料，没有任何传动零件或刚体结构，因此抵抗外接压力、冲击和摔落的能力很强；同时由于本发明柔性智能爬行机器结构简单，采用的柔性材料均为轻质材料，因此有体积小、质量轻的特点，在很大程度上减小了柔性智能爬行机器爬行的噪声。

        本发明的有益效果是：

1.通过改变本发明柔性智能爬行机器外加电压的幅度与频率，可以改变该柔性智能爬行机器的爬行速度，同时通过对柔性电极的分区控制，可以实现该柔性智能爬行机器的转弯，由于介电高弹聚合物的电压响应速度很快，因此可以实现高速爬行和灵活转弯。

2. 由于本发明柔性智能爬行机器除爬行结构外，其余的所有结构（包括柔性框架、驱动结构、保护结构）都采用柔性材料，其抗破坏能力很强，即使受到很大的外压，冲击或衰落都不会造成柔性智能爬行机器的损坏。由于柔性材料还具弹性，因此即便柔性智能爬行机器受到外界压力产生很大变形，也能在短时间内恢复原形，继续工作。

3. 本发明柔性智能爬行机器整体没有传动机构，也没有专门的爬行机构，结构简单，结构简单，尺寸小，质量轻，在爬行时产生的噪声低。

4.本发明柔性智能爬行机器需要高压电来驱动，可以通过外加高压电源来实现，也可以通过将小型高压电源直接封装在柔性智能爬行机器内部，此时该柔性智能爬行机器的电源将完全与外部隔离，使得人手可以直接与之触碰，其人体亲和性高。

附图说明

图1为该柔性智能爬行机器的总制作流程图；

图2为该柔性智能爬行机器的爬行示意图；

图3为该柔性智能爬行机器的薄膜组成图；

图4为该柔性智能爬行机器的制作模具图；

图5为该柔性智能爬行机器的框架成型图。

图中所示：11——柔性框架；21——驱动薄膜；31,32——内部柔性电极；4——外部柔性电极；51,52——内部导线；6——保护薄膜；7——单向摩擦结构。

具体实施方式

以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种柔性智能爬行机器，由柔性框架11、驱动结构、保护结构和爬行结构组成，所述的驱动结构包括驱动薄膜组，内部柔性电极31，32，外部柔性电极4和内部导线51，52，所述的保护结构为保护薄膜6，所述的爬行结构为单向摩擦结构7，所述的柔性框架11为驱动结构、爬行结构和保护结构提供附着基底，所述的驱动结构能产生驱动力，所述的保护结构能够防止漏电，所述的爬行结构能够提高柔性智能爬行机器的爬行能力。

其中， 

所述的驱动薄膜组由两片驱动薄膜21组成，其材料为VHB4910（该材料为一种透明薄膜），两片驱动薄膜21将内部柔性电极31，32夹在中间，将内部柔性电极31，32封装在驱动薄膜21内部；

所述的内部导线51，52一端伸入到两片驱动薄膜21之间，分别与内部柔性电极31，32接触（内部导线51与内部柔性电极31接触，内部导线52与内部柔性电极32接触），另一端引出与外部电源火线连接，内部导线的材料为锡箔纸；

所述的保护薄膜6分为两片，两片保护薄膜6分别贴在驱动薄膜21的正反两面，保护薄膜的材料为VHB9473（该材料为一种透明薄膜）；

所述的柔性框架11为驱动结构、爬行结构和保护结构提供附着基底，其材料为半透明硅胶，将驱动薄膜、保护薄膜、内部导线、内部柔性电极按次序组合为组合薄膜后，整个粘贴到柔性框架11上；

所述的外部柔性电极4直接涂抹在粘贴到柔性框架11上的组合薄膜的正反两面，内部柔性电极、外部柔性电极的材料均为碳膏；

所述的单向摩擦结构7为3只不锈钢钩，所述的每只不锈钢钩仅有一个钩，所述不锈钢钩的一端嵌入柔性智能爬行机器柔性框架11内部，另一端与地面接触。

本发明柔性智能爬行机器也可以采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为柔性框架，同时采用导电凝胶作为柔性电极，由于PDMS和导电凝胶均为透明材料，而驱动薄膜与保护薄膜本身也是透明材料，因此可以实现整个柔性智能爬行机器的透明化。

具体的，本发明柔性智能爬行机器在制作时应按照驱动结构，保护结构，柔性框架，爬行结构的顺序。在本实施例中参照图1中（a）、（b）、（c）、（d）的顺序进行制作。

本发明柔性智能爬行机器的驱动结构跟其他结构相比较为复杂，如图1（a）所示，在制作时首先要对两片驱动薄膜21进行相同的预拉伸，并且沿着爬行方向和垂直于爬行方向均要进行预拉伸，同时沿着爬行方向的预拉伸略大于垂直于爬行方向的预拉伸。将第一片驱动薄膜21进行预拉伸后，固定到某一固定框架上，然后在该驱动薄膜21上涂抹具有一定形状的内部柔性电极31，32，并布置内部导线51，52，接着将另一片经过预拉伸后的驱动薄膜21贴在第一片驱动薄膜21上，使得内部柔性电极31，32和内部导线51，52被夹装在两片驱动薄膜21之间，其中内部导线51，52的内端分别与两块内部柔性电极31，32接触，外端引出与外接电源火线连接。

本发明柔性智能爬行机器的保护结构相对比较简单，如图1（a）所示，将两片保护薄膜6进行和两片驱动薄膜21相同的预拉伸之后，分别贴在两片驱动薄膜21的正反两面，与驱动薄膜一起构成组合薄膜，如图1（b）所示，此时的组合薄膜仍然固定在固定框架上。

在组合薄膜制作完成之后，将事先设计好的模具按照图1（b）的顺序放置在组合薄膜上，然后将含有固化剂的硅胶注入模具中，如图1（c）所示，再放入恒温箱中，待硅胶固化后，柔性框架11便成型，同时组合薄膜与柔性框架牢牢粘合。此时再将外部柔性电极4直接涂抹于保护薄膜6正反两面的裸露部分。

本发明柔性智能爬行机器的爬行结构为单向摩擦结构7，选取3只不锈钢钩作为单向摩擦结构，在柔性框架11成型后，将不锈钢钩的一端按照一定布置方式（前端布置一只，后端布置两只）嵌入柔性框架11中，另一端伸出与地面接触，作为柔性智能爬行机器的爬行脚，此时整个柔性智能爬行机器就制作完成了，如图1（d）所示。

本发明的柔性智能爬行机器的尺寸即为柔性框架的尺寸，可根据不同的需要，选择不同大小的柔性框架来制作不同大小的柔性智能爬行机器。

本发明柔性智能爬行机器的驱动力产生原理如下：高压电源给内部柔性电极和外部柔性电极加上完全相反的电荷，即内部柔性电极加上正电荷，外部柔性电极加上负电荷，因此三层电极（内部一层，外部两层）中每相邻两层都产生吸引力，该吸引力对两层驱动薄膜产生一个沿着薄膜平面法向的挤压作用，使得原本经过预拉伸的驱动薄膜厚度变薄，面积增大，整体效果是使得驱动薄膜舒展开来；同时，内部柔性电极的正电荷之间相互排斥，使得内部柔性电极各部分之间产生排斥力，同理外部柔性电极各部分之间也产生排斥力，由于内部柔性电极、外部柔性电极均直接贴在驱动薄膜上，因此其效果也使得驱动薄膜舒展。而驱动薄膜由于经过预拉伸，具有回弹力，在固定到柔性框架上时，在通电之前会使柔性框架处于某一屈曲状态，当通电之后，由于驱动薄膜的舒展效果，会使得柔性框架的屈曲程度变小，甚至变回为平直状态，即该柔性智能爬行机器舒张，此时断电，则柔性框架又回到原本的屈曲状态，即该柔性智能爬行机器收缩。因此，当给柔性电极加上循环电压，如方波电压时，该柔性智能爬行机器就会不断地收缩和舒张，从而完成类似蠕虫的爬行运动。

由于本发明柔性智能爬行机器的驱动原理是利用介电高弹聚合物的本征应变产生驱动力，因此需要高压电源作为输入源。将内部导线51，52与高压电源火线连接，外部柔性电极4与高压电源地线连接，即可给内部柔性电极31，32加上正电压，给外部柔性电极加上负电压。此时通过输入波形的调整即可实现柔性智能爬行机器的爬行。

实施例2

在本实施例中，采用实施例1的方法，采用30mm*30mm*4mm（长*宽*厚度）的柔性框架制得尺寸为30mm*30mm*4mm的柔性智能爬行机器，其质量经测量只有5g，由于质量轻，该柔性智能爬行机器在爬行时产生的噪声非常小，经测量仅有10分贝左右。

通过改变该实施例中外加电压的幅度与频率，可以改变该柔性智能爬行机器的爬行速度，本实施例中的柔性智能爬行机器通过实验测得，在9kV，16Hz的方波信号输入下，其爬行速度最大，最大速度可达到95mm/s，远高于现有柔性机器人的爬行速度。同时通过对柔性电极的分区控制，可以实现该柔性智能爬行机器的灵活转弯。

此外，对该实施例中的柔性智能爬行机器进行抗外压测试，用压头对柔性智能爬行机器施加1.55kN的力将其压扁，其在1秒内就可以恢复原状继续爬行，并且维持原来的爬行速度。

Claims (10)

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）一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：所述的驱动薄膜（21）为经过预拉伸的柔性绝缘薄膜。

5.根据权利要求1所述的柔性智能爬行机器，其特征在于：所述的爬行结构为多个单向摩擦结构（7），所述的单向摩擦结构（7）一端嵌入柔性框架（11）内部，另一端作为柔性智能爬行机器的爬行脚。

6.根据权利要求5所述的柔性智能爬行机器，其特征在于：所述的单向摩擦结构（7）为方向可调的结构。

7.根据权利要求1-6任一项所述的柔性智能爬行机器，其特征在于：所述的柔性智能爬行机器进一步还包括保护结构，所述的保护结构用于保护所述的驱动结构，所述的保护结构附着在柔性框架（11）上。

8.根据权利要求7所述的柔性智能爬行机器，其特征在于：所述的保护结构为两片经过预拉伸的保护薄膜（6），所述的保护薄膜（6）为柔性绝缘薄膜，所述的两片保护薄膜（6）分别贴在驱动薄膜（21）的两侧。

9.根据权利要求8所述的柔性智能爬行机器，其特征在于：所述的两片驱动薄膜（21）和两片保护薄膜（6）粘合在一起，并附着在柔性框架（11）上，使柔性框架（11）产生向一个方向的弯曲。

10.一种柔性智能爬行机器组，其特征在于：所述的柔性智能爬行机器组由多个权利要求1-9任一项所述柔性智能爬行机器组成，所述的柔性智能爬行机器的连接方式为串联或并联，所述的多个柔性智能爬行机器通过柔性框架粘接。