CN114102555A - 一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，包括绝缘胶带、U形躯体、运动足、形状记忆驱动体。绝缘胶带分别封装于U型躯体的两端。U形躯体由双层薄膜构成，其中一层薄膜的热膨胀系数大于另一层薄膜的热膨胀系数。运动足由3个铜线足组成，其中2个运动足连接于U形躯体开口端的两侧，另1个涂有环氧树脂基材料的运动足连接于U形躯体的闭口端。形状记忆驱动体连接于U形躯体上。U形躯体和形状记忆驱动体，可在外部电源或热源控制下发生应激变形，通过外部电源/热源的接入‑撤销，实现弯曲‑展开运动，从而实现微型机器人的周期性运动。

Description

一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人

技术领域

本申请属于微小型机器人领域，特别涉及一种基于智能薄膜和仿生结构的微型柔性机器人。

背景技术

随着“智能+”时代的到来，基于新一代机器人的研究吸引了学术界、工业界的广泛兴趣。

传统机器人一般由刚性模块通过运动副结构连接而成，具有执行效率高、可靠性高等优点。但其刚性结构导致传统刚性机器人存在灵活度不足、隐蔽性不足、机构/结构复杂等问题，难以在狭小空间作业，环境适应性较差。相比于传统刚性机器人，柔性机器人具有更强的灵活性，可实现弯曲、扭转等大尺寸变形，且其连续而非间断变形赋予了柔性机器人更强的环境适应性。

发展仿生微型柔性机器人技术，未来有望用于管道内部检查、狭小空间作业、代替危险环境下人类作业、废墟内探测救援等方面。

发明内容

本申请解决的技术问题是：提出一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人技术，通过“智能双层薄膜应激变形+形状记忆复合材料应激变形+仿生构型设计”，大幅提升了微型机器人的运动能力，具备结构重量轻、小型化、柔性可变形等优点，未来可实现狭小、危险环境下作业。

本发明的技术解决方案是：

一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，包括U形躯体、运动足、封装胶带、形状记忆辅助驱动体；

U形躯体通过绝缘胶带与运动足连接；

U形躯体为双层薄膜，其中一层薄膜的热膨胀系数大于另一层薄膜的热膨胀系数；

运动足由3个铜线足构成，其中2个导电的运动足分别连接于U形躯体的开口端两侧，另1个涂覆有环氧树脂基材料的绝缘运动足连接于U形躯体的闭口端；

所述形状记忆驱动体桥连接于U形躯体热膨胀系数较小的一侧；

在外部电源/热源控制下，所述U形躯体和形状记忆辅助驱动体均产生应激变形。

所述U形躯体可在外部电源/热源加载-卸载作用下，产生弯曲-展开的应激变形，并通过连接的铜线足在地上或铜导轨上实现驱动运动。

当外部电源加载时，电流通过整个软体机器人形成闭合回路，电能转化为热能。由于U型躯体的双层薄膜热膨胀系数不同，U型躯体在外部电源加载下会产生应激形变。当外部电源卸载时，U形躯体恢复到初始的形态。当外部电源再次加载-卸载时，重复上述产生变形-变形恢复过程。通过上述作用机制，实现U形躯体的周期性弯曲-展开运动。

上述仿生微型机器人中，所述U形躯体中两层薄膜的热膨胀系数相差至少为1个数量级。

上述仿生微型机器人中，所述微型机器人可在地面通过有线导线连接控制，也可在铜导轨表面实现无线控制。

上述仿生微型机器人中，所述形状记忆辅助驱动体连接于U形躯体双层薄膜的弯曲面内侧薄膜上，由形状记忆聚合物复合材料构成，可在外部电源/热源刺激下，实现应激变形。

当外部电源加载时，由形状记忆聚合物复合材料构成的形状记忆驱动体会产生应激变形，外部电源卸载后，变形恢复。通过反复的电源加载-卸载过程，实现收缩-伸展运动，从而辅助微型柔性机器人驱动，增大软体机器人运动步长。

上述仿生微型机器人中，所述U形躯体中双层薄膜中一层薄膜为碳纳米材料，另一层薄膜为聚合物复合材料。

上述仿生微型机器人中，所述双层薄膜中的碳纳米材料层薄膜为石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或几种，聚合物复合材料层薄膜为聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷复合材料。

上述仿生微型机器人中，所述U形躯体的厚度为0.2-1.5mm，第二层薄膜的厚度为0.15-1.4mm。

通过上述技术方案，在该厚度限定范围内，U形躯体更利于产生应激变形，变形幅度更大。

上述仿生微型机器人中，所述运动足呈钩型，运动足的直径范围为0.1mm-1mm。

上述仿生微型机器人中，所述U形躯体通过绝缘胶带与运动足连接。

上述仿生微型机器人中，所述连接于U型躯体封口端的运动足涂覆有环氧树脂基材料。

上述仿生微型机器人中，外加电源的电压范围为2-10V。

上述仿生微型机器人中，所述U形躯体的制备包括以下制备步骤：

将碳纳米材料溶解于溶剂中，混合得到第一混合液，将第一混合液倒入模具，溶剂蒸干后，得到第一层薄膜；

将聚合物复合材料的溶液倒入盛有第一层薄膜的模具中，加热烘干得到U形躯体双层薄膜。

上述仿生微型机器人中，所述溶剂为去离子水、丙酮、乙醇中的任意一种或多种。

上述仿生微型机器人中，沉积U形躯体的基板为玻璃基板、塑料基板、铜金属薄片基板中的任意一种或多种。

与现有技术相比，本申请至少具有如下有益效果：

(1)本申请利用双层复合薄膜的设计，实现了微型柔性机器人在外加电源/热源下的应激变形运动。双层复合薄膜由碳纳米材料层和高聚物复合材料层构成，利用双层复合薄膜自身的自驱动特性，实现了微型机器人的驱动设计。材料功能一体化的设计一方面降低了微型机器人的重量，减小了体积，另一方面满足了微型机器人的高效运动要求，实现了微型机器人的轻质、微小型、强机动能力。

(2)本申请设计的双层复合薄膜采用了U型设计，简化了微型机器人的研制流程。

(3)本申请设计了3足微型机器人，利用三角形的稳定性原理，提升了微型机器人静置和运动过程中的稳定性。

(4)本申请通过形状记忆聚合物复合材料辅助驱动的设计，大大提升了微型机器人的运动步长，弥补了现有双层复合薄膜应激变形量不足的问题。

附图说明

图1为一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人侧面结构示意图；

图2为U形薄膜躯体俯视图；

图3为U形薄膜躯体截面图。

附图标号说明：1、绝缘胶带；2、U形躯体；3、运动足；31、导电的运动足；32、绝缘的运动足；4、形状记忆辅助驱动体；5、第一层薄膜；6、第二层薄膜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本申请做进一步详细的描述：

石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷，均由市售获得。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面为其中一种实施方式，以进行进一步说明。

本申请实施例公开一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人。通过“研制的2种智能材料+仿爬行昆虫运动模式”设计，实现了微型机器人的灵活爬行。

参照图1、图2和图3，一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人包括可随着电源/热源的加载-卸载而实现弯曲-展开的U形躯体2、连接于U形躯体2的运动足3、连接于U形躯体2且在外部电源/热源刺激下可实现应激变形的形状记忆辅助驱动体4。U形躯体2作为第一驱动体，形状记忆辅助驱动体4作为第二驱动体，两种驱动方式共同作用实现了微型机器人的运动、并增强了微型机器人运动的步长。

参照图2、3，U形躯体2为双层薄膜，其中一层薄膜的热膨胀系数大于另一层薄膜的热膨胀系数，双层薄膜中两层的热膨胀系数相差一个数量级，双层薄膜包括第一层薄膜5和第二层薄膜6，第一层薄膜5为碳纳米材料层，具体的，第一层薄膜5材质为石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的任意一种或多种，本实施例中，第一层薄膜5为石墨烯和碳纳米管的复合物，第二层薄膜6为聚合物复合材料层，本实施例中，第二层薄膜6材料为聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷复合材料，U形躯体2的厚度为0.2-1.5mm，第二层薄膜6的厚度为0.15-1.4mm。

运动足3通过绝缘胶带1粘贴到U形躯体2上，运动足呈钩型，运动足的直径为0.1mm-1mm，本实施例中，运动足3为铜线足，共有3个铜线足。利用三角形稳定原理设计的3个铜线足，增强了微型机器人的稳定性。三个铜线足分别为两个导电的运动足31和一个绝缘的运动足32，绝缘的运动足32涂覆有环氧树脂基材料，两个导电的运动足31分别连接于U形躯体2的开口端两侧，一个绝缘的运动足32连接于U形躯体2的闭口端。

当控制电源为电源时，微型机器人可在地面通过有线导线连接控制，此时，导线连接于导电的运动足31；微型机器人也可在铺设的铜导轨表面实现无线控制，此时，铜导轨与运动足3相接触。连接电源的电压范围为2-10V。

参照图1，形状记忆辅助驱动体4为类波浪形构型，由形状记忆聚合物复合材料构成。形状记忆辅助驱动体4的两端分别连接于U型薄膜2靠近开口端和靠近闭口端位置的两端，且连接于双层薄膜中的内侧。电流可通过U形躯体2传输于形状记忆辅助驱动体4，当外部电源加载时，形状记忆驱动体4会产生应激变形，外部电源卸载后，变形恢复。通过反复的电源加载-卸载过程，实现收缩-拉伸运动，从而辅助微型柔性机器人驱动，增大软体机器人运动步长。

本实施例中的U形躯体的制备过程：

将100mg石墨烯和碳纳米管的复合物放入80mL丙酮中，磁力搅拌1h，然后超声振动3h，随后将溶液倒入宽8cm、长12cm的金属模具中，并在常温静置48h，待丙酮蒸发后即可得到第一层薄膜5。

将聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷的粘稠液体倒入盛有第一层薄膜的复合薄膜模具中，利用混合液自身重力，均匀涂覆于碳纳米复合层表面。静置半小时后，在干燥箱中加热干燥2h，完成U形躯体2双层薄膜的制备，在该U形躯体2中，双层薄膜中两个层的热膨胀系数相差一个数量级。

本申请仿生微型机器人可实现外加电源/热源下的应激变形运动。设计的智能材料，实现了材料功能一体化，大大降低了微型机器人的重量和体积；U型双层复合薄膜的设计，简化了微型机器人的制备过程；3足微型机器人的特殊设计，实现了微型机器人的稳定运动；形状记忆聚合物复合材料辅助驱动的新型设计，大幅度提升了微型机器人运动步长。

本实施例的实施原理为：

当外部电源加载时，电流在微型机器人内部形成闭合回路，此时微型机器人电能转化为热能，由于U型躯体2双层薄膜中碳材料层薄膜的热膨胀系数远小于高聚物复合材料层的热膨胀系数，致使U形躯体2产生弯曲变形，当外部电源卸载时，U形躯体2回复至原始展开状态。通过电源的反复加载-卸载实现微型机器人的驱动运动。此外，形状记忆辅助驱动体4，由于其组成为形状记忆聚合物复合材料，由于其自身的应激变形特性，也可在外部电源的加载-卸载下，实现收缩-拉伸的反复运动，进一步提升微型机器人的驱动能力，增加运动步长。

本申请说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：包括绝缘胶带(1)、U形躯体(2)、运动足(3)、形状记忆辅助驱动体(4)；U形躯体(2)通过绝缘胶带(1)与运动足(3)连接；

所述U形躯体(2)为双层薄膜，其中一层薄膜的热膨胀系数大于另一层薄膜的热膨胀系数；

所述运动足(3)包括两个导电的运动足(31)和一个绝缘的运动足(32)，导电的运动足(31)连接于U形躯体(2)的开口端两侧，绝缘的运动足(32)连接于U形躯体(2)的闭口端；

所述形状记忆驱动体(4)桥连于U形躯体(2)连接于U形躯体(2)热膨胀系数较小的一侧；

在外部电源/热源控制下，所述U形躯体(2)和形状记忆辅助驱动体(4)均产生应激变形。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述绝缘的运动足(3)涂覆有环氧树脂基材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述U形躯体(2)，其中一层为碳纳米材料层，另一层为聚合物复合材料层。

4.根据权利要求3所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述碳纳米材料层为石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或几种，聚合物复合材料层为聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷复合材料。

5.根据权利要求3所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述U形躯体(2)的厚度为0.2-1.5mm，聚合物复合材料层的厚度为0.15-1.4mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述运动足(3)呈钩型，运动足(3)的直径为0.1mm-1mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：当所述控制源为电源时，电压范围为2-10V。

8.根据权利要求2所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述U形躯体(2)包括以下制备步骤：

将碳纳米材料溶解于溶剂中，混合得到第一混合液，将第一混合液倒入模具，溶剂蒸干后，得到U形躯体(2)双层薄膜的第一层薄膜(5)；

将聚合物复合材料的溶液倒入盛有第一层薄膜(5)的模具中，加热烘干得到构成U形躯体(2)的双层薄膜。

9.根据权利要求8所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述溶剂为去离子水、丙酮、乙醇中的一种或几种。

10.根据权利要求8所述的一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，其特征在于：所述沉积双层薄膜的基板为玻璃基板、塑料基板、铜金属薄片基板中的一种或几种。

Images