[发明专利]柔性智能爬行机器

说明书

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。