CN110816706B - 一种基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，为了解决跳跃机器人的重量以及体积较大的问题，提供了一种基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人，包括：驱动部件、驱动控制部件以及储能部件，驱动部件形成为液晶弹性体，驱动控制部件与驱动部件相连，驱动控制部件用于控制驱动部件进行伸缩运动，储能部件与驱动部件可分离相连。利用驱动部件的液晶弹性材料的可逆性特性，通过驱动控制部件对驱动部件进行控制，使驱动部件进行自伸缩运动，并且驱动部件可以带动储能部件进行伸缩运动，当储能部件与驱动部件分离时，储能部件可以在自身的势能作用下，迅速恢复原来的形状，从而可以实现在无外驱动力的作用下进行连续跳跃，进而可以降低基机器人的重量以及体积。

Description

一种基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人。

背景技术

基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人可应用于许多行业，例如制造业、工业、医疗等应用，现有的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人一般均采用电动装置(如电动机、电磁铁)进行驱动，通过电动装置直接作用于弹性元件使其变形，从而储存弹性势能，随后靠弹性元件的弹性回复产生弹跳机器人跳跃，但是电动装置的重量较大，且体积也较为庞大，这会制约基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人的使用工况。

液晶弹性体(Liquid Crystalline Elastomer)，简称LCE，它是液晶(LiquidCrystalline)和弹性体(Elastomer)的结合体，因此LCE材料具有它们各自的优点：既有液晶的各向异性，也有橡胶的弹性。换句话说，LCE材料就是拥有液晶性质的橡胶，因此，温度、pH、电、湿度都可以使它发生形变，即在晶体的不同面，有不同性质如导电性、导热性等的差异，并且LCE材料形变在一定条件下的可逆性可达100％，这为基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人利用LCE材料进行驱动提供了启发。

发明内容

本发明为了解决基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人的重量以及体积较大的问题，提供了一种基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人。

根据本发明实施例的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人，包括：驱动部件、驱动控制部件以及储能部件，所述驱动部件形成为液晶弹性体，所述驱动部件适于进行自伸缩运动，当所述驱动部件收缩至极限时，所述驱动部件处于压缩状态，当所述驱动部件伸展至自然状态时，所述驱动部件处于伸展状态，所述驱动控制部件与所述驱动部件相连，所述驱动控制部件用于控制所述驱动部件进行伸缩运动，所述储能部件的下端与所述驱动部件的下端固定连接，所述储能部件的上端与所述驱动部件的上端可分离相连，当所述驱动部件处于伸展状态时，所述储能部件的上端与所述驱动部件的上端相连，且当所述驱动部件进行压缩运动时，所述驱动部件适于带动所述储能部件进行压缩，所述储能部件将形变能储存转化为势能，当所述驱动部件处于所述压缩状态时，所述驱动部件与所述储能部件分离，所述储能部件在势能作用下跳起，所述驱动部件在所述压缩状态与所述伸展状态之间交替切换，所述储能部件的上端与所述驱动部件的上端交替相连或分离，以控制所述储能部件的弹性势能与动能的转换进而实现机器人连续跳跃。

根据本发明的一个实施例，还包括：开关部件，所述开关部件与所述驱动部件固定连接，所述开关部件控制所述驱动部件与所述储能部件的连接与分离。

根据本发明的一个实施例，所述储能部件的内部设有驱动部件空腔，所述驱动部件空腔贯穿所述储能部件，所述驱动部件位于所述驱动部件空腔中，所述驱动部件适于在所述驱动部件空腔中进行伸缩运动，所述开关部件位于所述驱动部件的上端，当所述驱动部件处于所述伸展状态时，所述开关部件适于卡滞在所述储能部件的上端，当所述驱动部件处于压缩状态时，所述开关部件收缩，进入到所述驱动部件空腔中。

根据本发明的一个实施例，所述基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人还包括：上支撑架与下支撑架，所述下支撑架位于所述驱动部件与所述储能部件的下方，且所述驱动部件的下端与所述储能部件的下端均与所述下支撑架固定连接，所述上支撑架位于所述驱动部件与所述储能部件的上方，且所述所述储能部件的上端与所述上支撑架固定连接，所述上支撑架设有开关口，所述开关口与所述开关部件对齐，当所述驱动部件处于所述伸展状态时，所述开关部件卡滞在所述开关口处，当所述驱动部件处于压缩状态时，所述开关部件收缩，并从所述开关口进入到所述驱动部件空腔中。

根据本发明的一个实施例，所述开关部件包括：容腔体、开关控制部件以及伸缩支撑件，所述容腔体位于所述驱动部件上方，且所述容腔体适于穿设所述开关口；

所述开关控制部件位于所述容腔体的上方，且所述开关控制部件与所述容腔体相连，所述开关控制部件适于进行自伸缩运动，所述伸缩支撑件包裹所述开关控制部件的侧壁与底壁，且所述伸缩支撑件的侧壁与所述开关控制部件的侧壁固定连接，当所述开关控制部件伸展时，所述伸缩支撑件的底壁适于卡滞在所述开关口处，当所述开关控制部件收缩时，所述伸缩支撑件的底壁适于侵入到所述容腔体的空腔中，且所述伸缩支撑件从所述开关口处进入到驱动部件空腔中。

根据本发明的一个实施例，所述开关控制部件形成为液晶弹性体，所述开关控制部件与所述驱动控制部件相连，所述驱动控制部件用于控制所述开关控制部件进行伸缩运动。

根据本发明的一个实施例，所述驱动控制部件为光驱控制部件。

根据本发明的一个实施例，所述驱动控制部件为电驱控制部件。

根据本发明的一个实施例，所述储能部件为弹簧储能部件。

本发明的技术效果：

通过将驱动部件形成为液晶弹性体，利用驱动部件的液晶弹性材料的可逆性特性，通过驱动控制部件对驱动部件进行控制，使驱动部件进行自伸缩运动，并且驱动部件可以带动储能部件进行伸缩运动，且当驱动部件带动储能部件进行压缩时，储能部件可以将自身的形变能转变为势能储存起来，当储能部件与驱动部件分离时，储能部件可以在自身的势能作用下，迅速恢复原来的形状，在此过程中，储能部件可以进行跳起，从而可以实现在无外驱动力的作用下进行连续跳跃，进而可以降低基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人的重量以及体积。

附图说明

图1为本发明实施例的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人处于伸展状态时的示意图；

图2为本发明实施例的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人的驱动部件处于压缩状态、开关控制部处于伸展状态时的示意图；

图3为本发明实施例的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人的驱动部件处于压缩状态、开关控制部处于收缩状态时的示意图；

图4为本发明实施例基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人的储能部件跳跃时的示意图；

图5为上支撑架的示意图；

图6为下支撑架的示意图；

图7为储能部件的示意图。

图中：

10：基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人；1：驱动部件；3：储能部件；4：开关部件；41：容腔体；42：开关控制部件；43：伸缩支撑件；5：上支撑架；51：开关口；6：下支撑架。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图7所示，根据本发明实施例的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10驱动部件1、驱动控制部件以及储能部件3，驱动部件1形成为液晶弹性体，驱动部件1适于进行自伸缩运动，当驱动部件1收缩至极限时，驱动部件1处于压缩状态，当驱动部件1伸展至自然状态时，驱动部件1处于伸展状态，驱动控制部件与驱动部件1相连，驱动控制部件用于控制驱动部件1进行伸缩运动，储能部件3的下端与驱动部件1的下端固定连接，储能部件3的上端与驱动部件1的上端可分离相连，当驱动部件1处于伸展状态时，储能部件3的上端与驱动部件1的上端相连，且当驱动部件1进行压缩运动时，驱动部件1适于带动储能部件3进行压缩，储能部件3将形变能储存转化为势能，当驱动部件1处于压缩状态时，驱动部件1的上端与储能部件3的上端分离，储能部件3在势能作用下跳起。所述驱动部件1在所述压缩状态与所述伸展状态之间交替切换，所述储能部件3的上端与所述驱动部件1的上端交替相连或分离，以控制所述储能部件3的弹性势能与动能的转换进而实现机器人连续跳跃。

也就是说，利用驱动部件1的液晶弹性材料的特性，通过驱动控制部件对驱动部件1进行控制(例如：通过对驱动部件1进行光、电、热等外界刺激)，使驱动部件1进行自伸缩运动，并且驱动部件1可以带动储能部件3进行伸缩运动，且当驱动部件1带动储能部件3进行压缩时，储能部件3可以将自身的形变能转变为势能储存起来，当储能部件3与驱动部件1分离时，储能部件3可以在自身的势能作用下，迅速恢复原来的形状，在此过程中，储能部件3可以进行跳起，从而可以实现在无外驱动力(例如：电机)的作用下，基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10进行跳起，进而可以降低基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的重量以及体积。

在具体实施例中，驱动控制部件可以对驱动部件1进行有规律的控制，从而使得驱动部件1进行有规律的伸缩，进而可以使储能部件3进行有规律的跳起，进而保证基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的使用需求。

根据本发明实施例的，通过将驱动部件1形成为液晶弹性体，利用驱动部件1的液晶弹性材料的可逆性特性，通过驱动控制部件对驱动部件1进行控制，使驱动部件1进行自伸缩运动，并且驱动部件1可以带动储能部件3进行伸缩运动，且当驱动部件1带动储能部件3进行压缩时，储能部件3可以将自身的形变能转变为势能储存起来，当储能部件3与驱动部件1分离时，储能部件3可以在自身的势能作用下，迅速恢复原来的形状，在此过程中，储能部件3可以进行跳起，从而可以实现在无外驱动力的作用下，基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10进行跳起，进而可以降低基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的重量以及体积。

根据本发明的一个实施例，如图1-图4所示，基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10还包括：开关部件4，开关部件4与驱动部件1固定连接，开关部件4控制驱动部件1与储能部件3的连接与分离，从而保证驱动部件1可以对储能部件3进行压缩，以及当处于驱动部件1处于压缩状态时，驱动部件1与储能部件3可以及时分离，进而使储能部件3储存的弹性势能快速释放，使得基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10进行跳跃。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，储能部件3的内部设有驱动部件空腔，驱动部件空腔贯穿储能部件3，驱动部件1位于驱动部件空腔中，驱动部件1适于在驱动部件空腔中进行伸缩运动，开关部件4位于驱动部件1的上端，也就是说，驱动部件1位于储能部件3的驱动部件空腔中，且驱动部件1的下端与储能部件3的下端固定连接。

并且，如图1-图2所示，当驱动部件1处于伸展状态时，开关部件4适于卡滞在储能部件3的上端，从而驱动部件1开始进行压缩时，在驱动部件1的带动下，开关部件4可以带动储能部件3进行压缩，从而实现储能部件3进行储能，当驱动部件1处于压缩状态时，开关部件4进入到驱动部件空腔中，开关部件4可以控制驱动部件1与储能部件3分离时，储能部件3迅速进行伸展，从而可以进行跳起。

根据本发明的一个实施例，如图1-图4所示，基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10还包括：上支撑架5与下支撑架6，下支撑架6位于驱动部件1与储能部件3的下方，且驱动部件1的下端与储能部件3的下端均与下支撑架6固定连接，上支撑架5位于驱动部件1与储能部件3的上方，且储能部件3的上端与上支撑架5固定连接，上支撑架5设有开关口51，开关口51与开关部件4对齐，当驱动部件1处于伸展状态时，开关部件4卡滞在开关口51处，当驱动部件1处于压缩状态时，开关部件4收缩，并从开关口51进入到驱动部件空腔中。

也就是说，通过设置上支撑架5与下支撑架6，为驱动部件1与储能部件3提供了支撑，在具体实施例中，上支撑架5与下支撑架6可以由硬质材料制作而成，因此，当开关部件4通过上支撑架5对储能部件3进行间接压缩时，可以保证储能部件3的形变稳定性较好，并且，当储能部件3进行伸展反弹时，通过下支撑架6的间接支撑可以保证储能部件3的反弹迅速，从而保证基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的工作可靠性高。

在具体实施例中，参考图5-图6所示，上支撑架5与下支撑架6可以为圆环状支撑架，对应地，储能部件3可以为圆柱状储能部件，并且储能部件3的上端与下端适于与上支撑架5与下支撑架6的进行对齐固定，且上支撑架5上的开关口51适于供开关部件4进行穿设，也就是说，开关部件4穿过开关口51，从而保证当驱动部件1处于压缩状态时，开关部件4适于从开关口51进入到驱动部件空腔中。

在其他未展示的实施例中，上支撑架5与下支撑架6也可以为方形或其他片状结构，仅需保证储能部件3的上端与下端均可分别于上支撑架5与下支撑架6仅需对齐固定即可。

具体的，上支撑架5与下支撑架6可以为镂空结构，从而可以降低基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的重量。

根据本发明的一个实施例，如图1-图4所示，开关部件4包括：容腔体41、开关控制部件42以及伸缩支撑件43，容腔体41位于驱动部件1上方，且容腔体41的适于穿设开关口51，开关控制部件42位于容腔体41的上方，即空腔体位于开关控制部件42与驱动部件1之间，且开关控制部件42适于进行自伸缩运动，伸缩支撑件43包裹开关控制部件42的侧壁与底壁，且伸缩支撑件43的侧壁与开关控制部件42的侧壁固定连接，即伸缩支撑件43对开关控制部件42进行保护，具体地，伸缩支撑件43可以由硬质材料制作而成，因此，通过设置伸缩支撑架可以对开关控制部件42进行支撑，当容腔体41伸展时，伸缩支撑件43的底壁适于卡滞在开关口51处，从而保证开关部件4对上支撑架5施加的下压力稳定性好。

当开关控制部件42收缩时，伸缩支撑件43的底壁适于侵入到容腔体41的空腔中，且伸缩支撑件43从开关口51处进入到驱动部件空腔中，也就是说，当开关控制部件42收缩时，在开关控制部件42的带动下进行朝向中心方向移动，从而使的伸缩支撑件43的底壁进入到容腔体41内的空腔中，进而可以缩短伸缩支撑件43的长度，保证当开关部件4控制驱动部件1与储能部件3分离时，开关部件4可以及时进入到驱动部件空腔中，从而解放对上支撑架5的压力。

根据本发明的一个实施例，开关控制部件42形成为液晶弹性体，开关控制部件42与驱动控制部件相连，驱动控制部件用于控制开关控制部件42进行伸缩运动，也就是说，开关控制部件42同样由液晶弹性材料制作而成，利用液晶弹性材料的可逆性特性，保证开关控制部件42可以可靠、及时地对驱动部件1与储能部件3的连接与分离进行控制，并且，开关控制部件42同样由驱动控制部件控制，可以减少基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的零部件数量，从而有利于减小基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的体积以及重量。

根据本发明的一个实施例，驱动控制部件为光驱控制部件，即驱动控制部件可以对驱动部件1以及开关控制部件42施加光刺激，从而使得驱动部件1以及开关控制部件42可以在光驱作用下进行形变。

根据本发明的一个实施例，驱动控制部件为电驱控制部件，即驱动控制部件可以对驱动部件1以及开关控制部件42施加电刺激，从而使得驱动部件1以及开关控制部件42可以在电驱作用下进行形变。

在其他实施例中，驱动控制部件还可以为温度驱动部件1或pH驱动部件1等。

根据本发明的一个实施例，如图7所示，储能部件3为弹簧储能部件3，因此，当储能部件3在驱动部件1的带动下进行压缩，在驱动部件1与储能部件3分离时，储能部件3可以及时、迅速地进行反弹，并跳起。

下面简要说明基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的单次跳起过程，其中，以驱动控制部件为光驱控制部件为例进行说明：

当基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10处于静止状态(即处于伸展状态)时，如图1所示，开关部件4位于上支撑架5的上侧，并卡滞在上支撑架5的开关口51处，此时，通过驱动控制部件对驱动部件1施加红外光照射使驱动部件1产生收缩变形，驱动部件1在收缩的过程中，开关部件4的伸缩支撑件43对上支撑架5产生向下的压力，从而带动储能部件3向下产生形变，直至处于压缩状态，如图2所示，在此过程中，储能部件3将形变能转变为弹性势能。

随后，驱动控制部件对开关部件4的开关控制部件42施加红外光照射，此时开关控制部件42发生收缩，并在收缩的过程中拉动伸缩支撑件43进入容腔体41的腔体中，如图3所示。与此开关部件4从开关口51进入到驱动部件空腔中，驱动部件1与储能部件3脱离，储能部件3的弹性势能瞬间释放，基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10向上跳起，如图4。

机器人跳起后，驱动控制部件先撤去对驱动部件1的红外光照射，待驱动部件1恢复至原长，开关装置再次从开关口51处穿过，回到上支撑架5的上侧时，再撤去对开关部件4的开关控制部件42的红外光照射，开关控制部件42在恢复时，推动伸缩支撑件43从容腔体41中伸出，恢复至伸展状态，即如图1所示。从而完成基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的单次跳起过程。

在具体实施例中，可以将驱动控制部件对驱动部件1以及开关控制部件42的伸缩进行有规律的控制，从而实现重复上述的过程，进而可以实现基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人10的连续跳起。

以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)，其特征在于，包括：

驱动部件(1)，所述驱动部件(1)形成为液晶弹性体，所述驱动部件(1)适于进行自伸缩运动，当所述驱动部件(1)收缩至极限时，所述驱动部件(1)处于压缩状态，当所述驱动部件(1)伸展至自然状态时，所述驱动部件(1)处于伸展状态；

驱动控制部件，所述驱动控制部件与所述驱动部件(1)相连，所述驱动控制部件用于控制所述驱动部件(1)进行伸缩运动；

储能部件(3)，所述储能部件(3)的下端与所述驱动部件(1)的下端固定连接，所述储能部件(3)的上端与所述驱动部件(1)的上端可分离相连，当所述驱动部件(1)处于伸展状态时，所述储能部件(3)的上端与所述驱动部件(1)的上端相连，且当所述驱动部件(1)进行压缩运动时，所述驱动部件(1)适于带动所述储能部件(3)进行压缩，所述储能部件(3)储存弹性势能，当所述驱动部件(1)处于所述压缩状态时，所述驱动部件(1)的上端与所述储能部件(3)的上端分离，所述储能部件(3)的弹性势能转化成动能带动机器人跳跃；

所述驱动部件(1)在所述压缩状态与所述伸展状态之间交替切换，所述储能部件(3)的上端与所述驱动部件(1)的上端交替相连或分离，以控制所述储能部件(3)的弹性势能与动能的转换进而实现机器人连续跳跃；

还包括：开关部件(4)，所述开关部件(4)与所述驱动部件(1)固定连接，所述开关部件(4)控制所述驱动部件(1)与所述储能部件(3)的连接与分离；

所述储能部件(3)的内部设有驱动部件空腔，所述驱动部件空腔贯穿所述储能部件(3)，所述驱动部件(1)位于所述驱动部件空腔中，所述驱动部件(1)适于在所述驱动部件空腔中进行伸缩运动，所述开关部件(4)位于所述驱动部件(1)的上端，当所述驱动部件(1)处于所述伸展状态时，所述开关部件(4)适于卡滞在所述储能部件(3)的上端，当所述驱动部件(1)处于压缩状态时，所述开关部件(4)收缩，进入到所述驱动部件空腔中。

2.根据权利要求1所述的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)，其特征在于，所述基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)还包括：上支撑架(5)与下支撑架(6)，所述下支撑架(6)位于所述驱动部件(1)与所述储能部件(3)的下方，且所述驱动部件(1)的下端与所述储能部件(3)的下端均与所述下支撑架(6)固定连接，所述上支撑架(5)位于所述驱动部件(1)与所述储能部件(3)的上方，且所述储能部件(3)的上端与所述上支撑架(5)固定连接，所述上支撑架(5)设有开关口(51)，所述开关口(51)与所述开关部件(4)对齐，当所述驱动部件(1)处于所述伸展状态时，所述开关部件(4)卡滞在所述开关口(51)处，当所述驱动部件(1)处于压缩状态时，所述开关部件(4)收缩，并从所述开关口(51)进入到所述驱动部件空腔中。

3.根据权利要求2所述的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)，其特征在于，所述开关部件(4)包括：容腔体(41)、开关控制部件(42)以及伸缩支撑件(43)，所述容腔体(41)位于所述驱动部件(1)上方，且所述容腔体(41)可穿过所述开关口(51)；

所述开关控制部件(42)位于所述容腔体(41)的上方，所述开关控制部件(42)适于进行自伸缩运动，所述伸缩支撑件(43)包裹所述开关控制部件(42)的侧壁与底壁，且所述伸缩支撑件(43)的侧壁与所述开关控制部件(42)的侧壁固定连接，当所述开关控制部件(42)伸展时，所述伸缩支撑件(43)的底壁适于卡滞在所述开关口(51)处，当所述开关控制部件(42)收缩时，所述伸缩支撑件(43)的底壁适于侵入到所述容腔体(41)的空腔中，且所述伸缩支撑件(43)从所述开关口(51)处进入到驱动部件空腔中。

4.根据权利要求3所述的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)，其特征在于，所述开关控制部件(42)形成为液晶弹性体，所述开关控制部件(42)与所述驱动控制部件相连，所述驱动控制部件用于控制所述开关控制部件(42)进行伸缩运动。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)，其特征在于，所述驱动控制部件为光驱控制部件。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)，其特征在于，所述驱动控制部件为电驱控制部件。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的基于主动材料驱动的可连续跳跃机器人(10)，其特征在于，所述储能部件(3)为弹簧储能部件。

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