CN104369181A - 利用电场驱动的自成形柔性机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电场驱动的自成形柔性机器人，包括电路层、造型层和驱动层，电路层包括电源和电路模块，造型层包括柔性薄片和记忆合金，驱动层为镀铜薄膜；电源和电路模块设置在柔性薄片上，电源和电路模块连接，柔性薄片包括主体和对称设置的偶数个端脚，对称的两个端脚为一对，每对端脚的其中一个端脚和主体的结合处设置与端脚垂直的一排通孔，开孔处的设置有记忆合金，柔性薄片端脚弯曲的内侧设置有镀铜薄膜，镀铜薄膜与电路模块连接；本发明采用全新的利用电场驱动的方式，摆脱了传统的电机驱动和机械传动模式，使得柔性机器人的体积更小，重量更轻便，使得智能机器人的发展更加多样化。

Description

利用电场驱动的自成形柔性机器人

技术领域

本发明属于智能机器人的驱动领域，特别是一种利用电场驱动的自成形柔性机器人。

背景技术

智能机器人已经在各种工业现场、家庭、学校、超市等各种场合得到了广泛的应用。然而，目前机器人的生产制造仍然依赖于专业的机械制造技术，必须有专业的设计人员、加工设备和操作人员，用户定制产品成本高，耗时长。针对这一问题，哈佛大学的CagdasD.Onal等学者发明了基于折纸工艺和3D打印技术的柔性机器人的生产制造技术。该项技术参考折纸工艺，在平面上设计一定纹路、沟壑，再利用3D打印技术，以某种树脂是材料打印出带有设计纹路的薄板，并在需要折叠的位置布置记忆合金，之后通过一定条件(如提高温度)激发记忆合金，让2D薄板能按照这些纹路、沟壑自动折叠成3D造型，并采取了一系列的措施来提高产品的强度和刚度。这一技术提出了一种机器人设计制造的新思路，产品工艺简单，质量轻，能完成一定的功能，发展成熟后很有可能得到广泛的应用。

虽然这一技术在机器人的制造环节摆脱了传统的机械制造工艺，但是在驱动方面很大程度上仍然依赖传统的电机驱动。而传统的电机驱动方式体积和质量大，安装后会影响机器人的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够摆脱传统的电机驱动和机械驱动，结构简单，体积小，重量轻的利用电场驱动的自成形柔性机器人。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种利用电场驱动的自成形柔性机器人，包括电路层、造型层和驱动层，电路层包括电源和电路模块，造型层包括柔性薄片和记忆合金，驱动层为镀铜薄膜；电源和电路模块设置在柔性薄片上，电源和电路模块连接，柔性薄片包括主体和对称设置的偶数个端脚，对称的两个端脚为一对，每对端脚的其中一个端脚和主体的结合处设置与端脚垂直的一排通孔，开孔处的设置有记忆合金，柔性薄片端脚弯曲的内侧设置有镀铜薄膜，镀铜薄膜与电路模块连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

本发明采用全新的利用电场驱动的方式，摆脱了传统的电机驱动和机械传动模式，使得柔性机器人的体积更小，重量更轻便，使得智能机器人的发展更加多样化。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明利用电场驱动的自成形柔性机器人电路层的结构示意图。

图2是本发明利用电场驱动的自成形柔性机器人的总体结构示意图。

图3是本发明利用电场驱动的自成形柔性机器人的工作原理示意图，A：初始状态示意图，B：记忆合金受热后变形状态示意图，C：通电后镀铜薄膜之间电荷吸引力导致端脚的弯曲示意图，D：端脚弯曲后力的分析示意图，E：端脚变形恢复示意图。

图4是本发明利用电场驱动的自成形柔性机器人包含四个端脚的结构示意图。

具体实施方式

结合图1～图4：

本发明一种利用电场驱动的自成形柔性机器人，包括电路层、造型层和驱动层，电路层包括电源2和电路模块3，造型层包括柔性薄片4和记忆合金5，驱动层为镀铜薄膜6；电源2和电路模块3设置在柔性薄片4上，电源2和电路模块3连接，柔性薄片4包括主体和对称设置的偶数个端脚，对称的两个端脚为一对，每对端脚的其中一个端脚和主体的结合处设置与端脚垂直的一排通孔，开孔处的设置有记忆合金5，柔性薄片4端脚弯曲的内侧设置有镀铜薄膜6，镀铜薄膜6与电路模块3连接。

柔性薄片4上设置有基底1，电源2和电路模块3印刷在基底1上，基底采用塑料薄膜。

柔性薄片4采用聚醚醚酮树脂材料。

记忆合金5设置在一排开孔的两端。

电源2采用太阳能电池。

实施例1：

结合图1和图2：

一种利用电场驱动的自成形柔性机器人，包括电路层、造型层和驱动层，电路层包括电源2和电路模块3，造型层包括柔性薄片4和记忆合金5，驱动层为镀铜薄膜6；电源2采用太阳能电池，和电路模块3一起印刷在基底1上，基底1采用塑料薄膜，基底1设置在柔性薄片4的上表面，柔性薄片4采用聚醚醚酮树脂制作，电源2和电路模块3连接，柔性薄片4包括主体和对称设置的两个端脚，其中一个端脚和主体的结合处设置与端脚垂直的一排通孔以降低刚度，开孔的两端设置有记忆合金5，柔性薄片4端脚弯曲的内侧设置有镀铜薄膜6，镀铜薄膜6与电路模块3连接。

结合图3：

工作原理为：造型层开始为平面状态(如图3A)，通过激发条件(比如提高温度)，让记忆合金5变形，从而带动柔性薄片4发生变形，让造型层自动变形到需要的形状，作为机器人的主体(如图3B)；电源2供电，通过设计的电路模块3作用于驱动层，让一个驱动单元的两片镀铜薄膜6分别带上电荷，相互作用，作为动力；在需要运动的折叠关节处均匀打有若干通孔，从而降低关节处刚度，能让相应部分在电荷作用力下发生运动(图3B打孔位置为左侧折叠位置)；电路模块3应包含控制器，可以控制电路中电流的大小和方向，进而控制电荷作用力的大小和方向。通电让两片镀铜薄膜6带上相反的电荷，产生电荷吸引力，相应位置的柔性薄片4和记忆合金5发生弹性变形(如图3C)；通过改变电流的大小和方向，正负电荷消失，吸引力随之消失，之前发生弹性变形的柔性薄片4和记忆合金5就会恢复之前的形状，在回弹力的作用下，接触面会产生一个与之相平衡的推力，作为机器人前进的直接驱动力。

运动原理是：通过打孔确定需要运动的关节，通过接触点摩擦系数的设计让需要运动接触位置摩擦力略小，这样收到电场力变形后，需要运动的关节能弯曲，之后重心会偏向变形的这一侧，摩擦力会增大，这时候撤去电场力，接触面给机器人的推力就可以轻松地推动机器人前进(如图3D)。所以在运动过程中，接触点的摩擦力是变化的，也就是说如果机器人向内侧变形是前进，那么向外侧变形就是后退了。

当变形恢复，机器人就完成了一个运动周期，向前运动了一定距离(如图3E)；通过对电流大小和方向的连续控制，就能产生一定频率的回弹力，从而产生连续的运动，进而来驱动柔性机器人。

结合图4：

实施例2：

一种利用电场驱动的自成形柔性机器人，包括电路层、造型层和驱动层，电路层包括电源2和电路模块3，造型层包括柔性薄片4和记忆合金5，驱动层为镀铜薄膜6；电源2和电路模块3设置在柔性薄片4上，柔性薄片4采用聚醚醚酮树脂材料，电源2和电路模块3连接，电源2采用太阳能电池，柔性薄片4包括主体和对称设置的四个端脚，对称的两个端脚为一对，每对端脚的其中一个端脚和主体的结合处设置与端脚垂直的一排通孔，开孔的两端设置有记忆合金5，柔性薄片4端脚弯曲的内侧设置有镀铜薄膜6，镀铜薄膜6与电路模块3连接。

使用同样的驱动方法可以实现互相垂直的两个方向的移动。一对对称布置的端脚为一个驱动单元，一个柔性机器人可以包含多个驱动单元，具体驱动单元的布置可以视实际需求而定。

Claims (5)

1.一种利用电场驱动的自成形柔性机器人，其特征在于：包括电路层、造型层和驱动层，电路层包括电源(2)和电路模块(3)，造型层包括柔性薄片(4)和记忆合金(5)，驱动层为镀铜薄膜(6)；电源(2)和电路模块(3)设置在柔性薄片(4)上，电源(2)和电路模块(3)连接，柔性薄片(4)包括主体和对称设置的偶数个端脚，对称的两个端脚为一对，每对端脚的其中一个端脚和主体的结合处设置与端脚垂直的一排通孔，开孔处的设置有记忆合金(5)，柔性薄片(4)端脚弯曲的内侧设置有镀铜薄膜(6)，镀铜薄膜(6)与电路模块(3)连接。

2.根据权利要求1所述的利用电场驱动的自成形柔性机器人，其特征在于：所述的柔性薄片(4)上设置有基底(1)，电源(2)和电路模块(3)印刷在基底(1)上，基底采用塑料薄膜。

3.根据权利要求1所述的利用电场驱动的自成形柔性机器人，其特征在于：所述的柔性薄片(4)采用聚醚醚酮树脂材料。

4.根据权利要求1所述的利用电场驱动的自成形柔性机器人，其特征在于：所述的记忆合金(5)设置在一排开孔的两端。

5.根据权利要求1所述的利用电场驱动的自成形柔性机器人，其特征在于：所述的电源(2)采用太阳能电池。