CN109968328B - 微型柔性机器人、系统及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微型柔性机器人、系统及制作方法，该微型柔性机器人包括：驱动层、位于驱动层上的上结构层、位于驱动层下的下结构层，其中，驱动层包括驱动薄膜，位于驱动薄膜上侧的上金属层和位于驱动薄膜下侧的下金属层；上结构层包括上层腿部和具有镂空结构的上层躯干部，所述上层躯干部粘接至所述上金属层的上表面；下结构层包括下层躯干部、下层腿部和尾部，所述下层躯干部粘接至所述下金属层的下表面。本发明提出的微型柔性机器人运动控制灵活。
Description
技术领域
本发明涉及的是微型机器人领域，特别涉及一种微型柔性机器人、系统及制作方法。
背景技术
随着机器人技术及传感器技术的发展，微型机器人由于其小型化、轻量化及高度功能集成等特点在救灾、探测、环境监测等领域越来越得到重视与发展。与昆虫重量与体积相似的微型机器人，具有能够在管道内或者狭缝中移动的能力，通过其搭载的不同类型的诸如气体、光线、声音等传感器完成对周围环境的探测感知，并且通过无线方式将信号传输至基站，通过多机器人组网，完成对复杂环境的探测和建模。微型机器人可以广泛应用于地下管道危险气体泄漏检测，抗震救灾等领域。
现有的微型机器人依据其结构的不同，可以分为硬质框架结构微型机器人与全微型柔性机器人。微型柔性机器人相对于非微型柔性机器人具有更高的鲁棒性以及压力承载恢复特性，能够在受到外部撞击及碾压的情况后仍然保持一定的运动机能。为获得更高的运动性能，一般从柔性材料及柔性结构进行研究。但目前微型柔性机器人运动控制不够灵活。
发明内容
本发明提供一种微型柔性机器人，运动控制灵活，该微型柔性机器人包括：驱动层、位于驱动层上的上结构层、位于驱动层下的下结构层，其中，
驱动层包括驱动薄膜，位于驱动薄膜上侧的上金属层和位于驱动薄膜下侧的下金属层；
上结构层包括上层腿部和具有镂空结构的上层躯干部，所述上层躯干部粘接至所述上金属层的上表面；
下结构层包括下层躯干部、下层腿部和尾部，所述下层躯干部粘接至所述下金属层的下表面。
本发明提供一种微型柔性机器人系统，运动控制灵活，该微型柔性机器人系统包括上述微型柔性机器人和传感器，其中，
所述传感器设于所述微型柔性机器人上，用于在所述微型柔性机器人的移动过程中探测外部信号。
本发明提供一种微型柔性机器人的制作方法，形成的微型柔性机器人运动控制灵活，该方法包括：
分别在驱动薄膜的上侧和下层沉积金属层，形成驱动层；
分别制作上层腿部和镂空结构的上层躯干部，形成上结构层；
分别制作下层腿部、下层躯干部和尾部，形成下结构层；
将上层躯干部粘接至上金属层的上表面，将下层躯干部粘接至下金属层的下表面。
本发明提供一种微型柔性机器人系统的制作方法，形成的微型柔性机器人系统运动控制灵活，该方法包括：
分别在驱动薄膜的上侧和下层沉积金属层，形成驱动层；
分别制作上层腿部和镂空结构的上层躯干部，形成上结构层；
分别制作下层腿部、下层躯干部和尾部，形成下结构层；
将上层躯干部粘接至上金属层的上表面，将下层躯干部粘接至下金属层的下表面；
将传感器放置在微型柔性机器人的靠近尾部的一端。
在本发明实施例中，驱动层包括驱动薄膜，位于驱动薄膜上侧的上金属层和位于驱动薄膜下侧的下金属层；上结构层包括上层腿部和具有镂空结构的上层躯干部，所述上层躯干部粘接至所述上金属层的上表面；下结构层包括下层躯干部、下层腿部和尾部，所述下层躯干部粘接至所述下金属层的下表面。由于本发明实施例提出的微型柔性机器人的上结构层的上层躯干部具有镂空结构，当驱动层被施加电压时，微型柔性机器人开始振动，通过该镂空结构传递到上层腿部，可形成不同的振动模态，使得上层腿部出现了不对称的运动状态，实现了微型柔性机器人的灵活运动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中微型柔性机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例提出的微型柔性机器人进行探测的路径；
图3本发明实施例中微型柔性机器人的制作方法的流程图；
图4为采用本发明实施例中微型柔性机器人系统的制作方法制作的微型柔性机器人的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1为本发明实施例中微型柔性机器人的结构示意图，如图1所示，该微型柔性机器人包括：驱动层1、位于驱动层1上的上结构层2、位于驱动层1下的下结构层3，其中，
驱动层1包括驱动薄膜4，位于驱动薄膜4上侧的上金属层5和位于驱动薄膜4下侧的下金属层6；
上结构层2包括上层腿部7和具有镂空结构的上层躯干部8，所述上层躯干部8粘接至所述上金属层5的上表面；
下结构层3包括下层躯干部9、下层腿部10和尾部11，所述下层躯干部9粘接至所述下金属层6的下表面。
在本发明实施例中，微型柔性机器人的上结构层的上层躯干部具有镂空结构，当驱动层被施加电压时，微型柔性机器人开始振动，通过该镂空结构传递到上层腿部，可形成不同的振动模态，使得上层腿部出现了不对称的运动状态，实现了微型柔性机器人的灵活运动。
另外，以上的结构的尾部11可以控制微型柔性机器人的平衡。
在一实施例中，所述上层腿部7和下层腿部10为可折叠结构；
上层腿部7与上层躯干部8的夹角范围为[20度，90度]；
下层腿部10与下层躯干部9的夹角范围为[20度，90度]。
以上较大的夹角范围可使得微型柔性机器人通过腿部自由灵活的移动，且以上结构可以通过微加工工艺来实现。
在一实施例中，上层腿部7有两个，分别位于上层躯干部8的中轴线的对称两侧；下层腿部10有两个，分别位于下层躯干部9的中轴线的对称两侧。
具体实施时，4条腿部可使得微型柔性机器人轻松地支撑起躯干部，使得微型柔性机器人灵活移动。
在一实施例中，所述镂空结构相对于上层躯干部8的中轴线非对称分布。
具体实施时，镂空结构可以达到如下效果：当驱动层被施加电压时，微型柔性机器人开始振动，通过该镂空结构传递到上层腿部，可形成不同的振动模态，使得上层腿部出现了不对称的运动状态，实现了微型柔性机器人的灵活运动。因此，未达到更好地不对称运动的效果，使得上层躯干部8上面的镂空结构非对称分布，使得微型柔性机器人开始振动时，腿部形成更好地形成不对称运动。
在一实施例中，所述镂空结构为六边形镂空阵列、圆形镂空阵列、三角形镂空阵列、三角形镂空阵列或矩形镂空阵列。
以上镂空结构仅为举例，还可以包括其他形状的镂空阵列，相关变化例均应落入本发明的保护范围。
另外，镂空结构中每个图形单元(例如，每个六边形)的尺寸范围为[10微米，500微米]。
在一实施例中，微型柔性机器人还包括上粘性层12和下粘性层13；
所述上层躯干部8通过上粘性层12粘接至所述上金属层5的上表面；
所述下层躯干部9通过下粘性层13粘接至所述下金属层6的下表面。
上粘性层12和下粘性层13可使得上结构层2和下结构层3与驱动层1形成一个整体。
在一实施例中，粘性层厚度范围为[10微米，100微米]。
合适的粘性层厚度使得上结构层2和下结构层3与驱动层1粘结牢固且重量不大，有利于微型柔性机器人的整体运动。
在一实施例中，驱动薄膜4采用柔性压电材料。
在一实施例中，所述柔性压电材料为PVDF或者稀土压电陶瓷。
在一实施例中，所述柔性压电材料厚度范围为[1微米，200微米]。
以上柔性压电材料可使得驱动薄膜4的厚度小，从而使微型柔性机器人的质量轻、体积小。
在一实施例中，所述上金属层5和所述下金属层6采用Au、Ag、Mg、Pd、Ti和Al材料中的其中一种或任意组合。
在一实施例中，所述上金属层5和所述下金属层6的厚度范围为[10纳米，100纳米]。
上金属层5和下金属层6的所用材料和厚度可使得上金属层5和所述下金属层6的厚度小，从而使微型柔性机器人的质量轻、体积小。
在一实施例中，所述上结构层2和所述下结构层3采用聚合物薄膜材料。
在一实施例中，所述聚合物薄膜材料为PI、PET、PDMS、TPU和硅橡胶中的其中一种或任意组合。
在一实施例中，所述聚合物薄膜材料厚度范围为[10微米，500微米]。
以上聚合物薄膜材料及厚度可使得微型柔性机器人的质量轻、体积小。
在一实施例中，所述上层腿部和下层腿部的长度范围为[0.5毫米，20毫米]之间。具体实施时，所述上层腿部和下层腿部的以上长度范围可以微型柔性机器人在体积小的优势下可灵活运动。
在本发明实施例提出的微型柔性机器人中，微型柔性机器人的上结构层的上层躯干部具有镂空结构，当驱动层被施加不同频率、幅值的电压时，微型柔性机器人开始振动，通过该镂空结构传递到上层腿部，可形成不同的振动模态，使得上层腿部出现了不对称的运动状态，实现了微型柔性机器人的灵活运动，包括前进、后退、转向和跳跃等。微型柔性机器人所施加电压的范围为[1V，600V]，所施加电压信号的频率范围为0.5Hz到1kHz，所施加的电压信号的波形可以为方波、三角波、正弦波或者多种叠加的波形。另外，聚合物薄膜材料、柔性压电材料可使得微型柔性机器人的体积小、重量轻。
本发明实施例还提出一种微型柔性机器人系统，包括：上述微型柔性机器人和传感器，其中，
所述传感器设于所述微型柔性机器人上，用于在所述微型柔性机器人的移动过程中探测外部信号。
具体实施时，所探测的外部信号包括气体、湿度、温度等，所述传感器为微型传感器，包括一种或多种MEMS传感器，可以搭载在所述微型柔性机器人的靠近尾端的部分。
图2为本发明实施例提出的微型柔性机器人进行探测的路径，如图2所示，在微型柔性机器人上搭载了微型气体传感器用来探测乙醇浓度值。在不同频率的300V方波信号电压下，微型柔性机器人形成了如图2所示的运动轨迹控制。
在本发明实施例提出的微型柔性机器人系统中，微型柔性机器人的上结构层的上层躯干部具有镂空结构，当驱动层被施加不同频率、幅值的电压时，微型柔性机器人开始振动，通过该镂空结构传递到上层腿部，可形成不同的振动模态，使得上层腿部出现了不对称的运动状态，实现了微型柔性机器人的灵活运动，包括前进、后退、转向和跳跃等。另外，所述传感器设于所述微型柔性机器人上，可用于在所述微型柔性机器人的移动过程中探测外部信号。
图3本发明实施例中微型柔性机器人的制作方法的流程图，如图3所示，该方法包括：
步骤301，在驱动薄膜4的上侧沉积上金属层5，在驱动薄膜4的下侧沉积下金属层6，形成驱动层1；
步骤302，分别制作上层腿部7和镂空结构的上层躯干部8，形成上结构层2；
步骤303，分别制作下层腿部10、下层躯干部9和尾部11，形成下结构层3；
步骤304，将上层躯干部8粘接至上金属层5的上表面，将下层躯干部9粘接至下金属层6的下表面。
具体实施时，首先制作驱动薄膜4，例如，驱动薄膜4可以为用20微米厚的PVDF材料，然后制作上金属层5和下金属层6，例如，通过Ebeam工艺在PVDF材料上沉积Au作为导电电极。
制作镂空结构的上层躯干部8，可以将制作上层躯干部8的材料通过剪纸工艺加工出微型的镂空阵列结构，例如采用带有粘附层的60微米厚的PET薄膜材料，通过剪纸工艺加工出微型的六边形镂空阵列结构。具体加工方式可以为：将带有衬底的PET薄膜材料放置于剪纸机中，通过绘制好的图案将上下层PET薄膜材料裁切至设计图案，然后将PET薄膜材料从衬底上剥离。
在制作上层腿部7和下层腿部10时，可以通过剪纸工艺加工出可折叠结构的折痕。
在一实施例中，在将下层躯干部9粘接至下金属层6的下表面之后，还包括：
将上层腿部7折叠至与上层躯干部8的夹角范围为[20度，90度]；
将下层腿部10折叠至与下层躯干部9的夹角范围为[20度，90度]。
在一实施例中，将上层躯干部8粘接至上金属层(5)的上表面，将下层躯干部9粘接至下金属层6的下表面，包括：
制作上粘性层12和下粘性层13；
将上层躯干部8通过上粘性层12粘接至上金属层5的上表面；
将下层躯干部9通过下粘性层13粘接至下金属层6的下表面。
在本发明实施例提出的微型柔性机器人的制作方法中，微型柔性机器人的上结构层的上层躯干部具有镂空结构，当驱动层被施加不同频率、幅值的电压时，微型柔性机器人开始振动，通过该镂空结构传递到上层腿部，可形成不同的振动模态，使得上层腿部出现了不对称的运动状态，实现了微型柔性机器人的灵活运动，包括前进、后退、转向和跳跃等。
本发明实施例还提出一种微型柔性机器人系统的制作方法，包括：
在驱动薄膜4的上侧沉积上金属层5，在驱动薄膜4的下侧沉积下金属层6，形成驱动层1；
分别制作上层腿部7和镂空结构的上层躯干部8，形成上结构层2；
分别制作下层腿部10、下层躯干部9和尾部11，形成下结构层3；
将上层躯干部8粘接至上金属层5的上表面，将下层躯干部9粘接至下金属层6的下表面；
将传感器放置在微型柔性机器人的靠近尾部11的一端。
图4为采用本发明实施例中微型柔性机器人系统的制作方法制作的微型柔性机器人的示意图，可以看到，该微型柔性机器人轻薄、带有可探测外部信号的传感器。
在本发明实施例提出的微型柔性机器人系统的制作方法中，微型柔性机器人的上结构层的上层躯干部具有镂空结构，当驱动层被施加不同频率、幅值的电压时，微型柔性机器人开始振动，通过该镂空结构传递到上层腿部，可形成不同的振动模态，使得上层腿部出现了不对称的运动状态，实现了微型柔性机器人的灵活运动，包括前进、后退、转向和跳跃等。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种微型柔性机器人，其特征在于，包括：驱动层(1)、位于驱动层(1)上的上结构层(2)、位于驱动层(1)下的下结构层(3)，其中，
驱动层(1)包括驱动薄膜(4)，位于驱动薄膜(4)上侧的上金属层(5)和位于驱动薄膜(4)下侧的下金属层(6)；
上结构层(2)包括上层腿部(7)和具有镂空结构的上层躯干部(8)，所述上层躯干部(8)粘接至所述上金属层(5)的上表面；所述镂空结构相对于上层躯干部(8)的中轴线非对称分布；
下结构层(3)包括下层躯干部(9)、下层腿部(10)和尾部(11)，所述下层躯干部(9)粘接至所述下金属层(6)的下表面。
2.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述上层腿部(7)和下层腿部(10)为可折叠结构；
上层腿部(7)与上层躯干部(8)的夹角范围为[20度，90度]；
下层腿部(10)与下层躯干部(9)的夹角范围为[20度，90度]。
3.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，上层腿部(7)有两个，分别位于上层躯干部(8)的中轴线的对称两侧；
下层腿部(10)有两个，分别位于下层躯干部(9)的中轴线的对称两侧。
4.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述镂空结构为六边形镂空阵列、圆形镂空阵列、三角形镂空阵列、三角形镂空阵列或矩形镂空阵列。
5.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，还包括上粘性层(12)和下粘性层(13)；
所述上层躯干部(8)通过上粘性层(12)粘接至所述上金属层(5)的上表面；
所述下层躯干部(9)通过下粘性层(13)粘接至所述下金属层(6)的下表面。
6.如权利要求5所述的微型柔性机器人，其特征在于，粘性层厚度范围为[10微米，100微米]。
7.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，驱动薄膜(4)采用柔性压电材料。
8.如权利要求7所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述柔性压电材料为PVDF或者稀土压电陶瓷。
9.如权利要求7所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述柔性压电材料厚度范围为[1微米，200微米]。
10.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述上金属层(5)和所述下金属层(6)采用Au、Ag、Mg、Pd、Ti和Al材料中的其中一种或任意组合。
11.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述上金属层(5)和所述下金属层(6)的厚度范围为[10纳米，100纳米]。
12.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述上结构层(2)和所述下结构层(3)采用聚合物薄膜材料。
13.如权利要求12所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述聚合物薄膜材料为PI、PET、PDMS、TPU和硅橡胶中的其中一种或任意组合。
14.如权利要求12所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述聚合物薄膜材料厚度范围为[10微米，500微米]。
15.如权利要求1所述的微型柔性机器人，其特征在于，所述上层腿部和下层腿部的长度范围为[0.5毫米，20毫米]之间。
16.一种微型柔性机器人系统，其特征在于，包括：如权利要求1至15任一所述的微型柔性机器人和传感器，其中，
所述传感器设于所述微型柔性机器人上，用于在所述微型柔性机器人的移动过程中探测外部信号。
17.一种微型柔性机器人的制作方法，其特征在于，包括：
在驱动薄膜(4)的上侧沉积上金属层(5)，在驱动薄膜(4)的下侧沉积下金属层(6)，形成驱动层(1)；
分别制作上层腿部(7)和镂空结构的上层躯干部(8)，形成上结构层(2)；所述镂空结构相对于上层躯干部(8)的中轴线非对称分布；
分别制作下层腿部(10)、下层躯干部(9)和尾部(11)，形成下结构层(3)；
将上层躯干部(8)粘接至上金属层(5)的上表面，将下层躯干部(9)粘接至下金属层(6)的下表面。
18.如权利要求17所述的微型柔性机器人的制作方法，其特征在于，在将下层躯干部(9)粘接至下金属层(6)的下表面之后，还包括：
将上层腿部(7)折叠至与上层躯干部(8)的夹角范围为[20度，90度]；
将下层腿部(10)折叠至与下层躯干部(9)的夹角范围为[20度，90度]。
19.如权利要求17所述的微型柔性机器人的制作方法，其特征在于，将上层躯干部(8)粘接至上金属层(5)的上表面，将下层躯干部(9)粘接至下金属层(6)的下表面，包括：
制作上粘性层(12)和下粘性层(13)；
将上层躯干部(8)通过上粘性层(12)粘接至上金属层(5)的上表面；
将下层躯干部(9)通过下粘性层(13)粘接至下金属层(6)的下表面。
20.一种微型柔性机器人系统的制作方法，其特征在于，包括：
在驱动薄膜(4)的上侧沉积上金属层(5)，在驱动薄膜(4)的下侧沉积下金属层(6)，形成驱动层(1)；
分别制作上层腿部(7)和镂空结构的上层躯干部(8)，形成上结构层(2)；所述镂空结构相对于上层躯干部(8)的中轴线非对称分布；
分别制作下层腿部(10)、下层躯干部(9)和尾部(11)，形成下结构层(3)；
将上层躯干部(8)粘接至上金属层(5)的上表面，将下层躯干部(9)粘接至下金属层(6)的下表面；
将传感器放置在微型柔性机器人的靠近尾部(11)的一端。
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