[发明专利]柔性驱动机构、柔性驱动机构组及柔性装置

说明书

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，具体涉及一种能够集成实现自主步行、爬行、滚动、跳跃、突进的柔性驱动机构。

背景技术

当前，对于墓室的探测、外星球的探索、军事侦察以及反恐侦察等类似危险的活动，人们多采用机器人来代替人类本身进行探测。上述场合一般地势较为复杂，且存在各种障碍物，这就要求探测机器人具有多种运动能力、很高的运动自由度以越过这些障碍。当前机器人的运动方式大多只能实现单一的运动方式，例如，单独实现步行、爬行、滚动或跳跃，也有少量的机器人能同时实现其中两种功能。并且当前机器人的驱动方式主要是通过电机带动刚性结构运动，其中包含许多凸轮、棘轮、棘爪、轴承、铰链、导柱等刚性传动零件，刚性材料的采用使得机器人在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。中国专利CN201010617013.5报道的机器人垂直弹跳机构结构复杂，包括多种如前所述的刚性传动零件，加工与组装困难，结构笨重，运行时能量损耗大；并且只能够实现垂直方向的跳跃，功能单一。

目前，还未见能够集成步行、爬行、滚动、跳跃、突进多种功能于一体的，并且结构简单易加工的机器人。

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，能够实现集自主步行（walk）、爬行（climb）、滚动（scroll）、跳跃（bounce）和突进多种功能于一体的柔性驱动机构，也就是，本发明所述的柔性驱动机构能够自主实现各种运动，包括自主步行、爬行、滚动、跳跃和突进，集各种简单或复杂的运动方式于一体，上述的五种运动方式均为自主运动，即：自主步行、自主爬行、自主滚动、自主跳跃和自主突进。所述的突进指的是瞬间加速。所述跳跃的方向可以是任意的方向，可以是任意的前、后、上、下、左、右方向，也可以是水平、垂直、倾斜任意角度的方向。所述的自主步行、爬行、滚动、跳跃和突进是指可以进行例如类似于人类的步行、蠕虫的爬行、潮虫的滚动、跳蚤的跳跃（数倍于自体的身长）、大齿猛蚁的突进（在极短的时间内可以瞬间加速到10m/s）的运动，而不需要借助电机驱动传动机构（如凸轮、棘轮、棘爪、轴承、铰链、导柱等）来实现自主步行、爬行、滚动、跳跃和突进。

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驱动机构产生周期性的形变。所述智能软材料是指在外界激励的作用下，自主产生变形的软材料。所述软材料是指弹性模量小于1MPa的材料。所述智能软材料可以选自介电高弹体、离子型EAP、形状记忆聚合物、液晶高弹体等。所述的介电高弹体选自硅胶、橡胶、VHB胶带、聚丙烯酸酯等。

所述柔性驱动机构作为一个柔性的驱动装置，充当了人工肌肉的角色。如同肌肉需要骨骼支撑一样，柔性驱动机构可以与支撑机构组合发挥更大的作用，所述的支撑机构可以选自柔性框架、柔性外壳。柔性驱动机构与支撑机构组合成柔性装置之后，通过柔性驱动机构来进行储能以及释放能量，能够使得支撑机构进行弯曲、扭转等运动，也能使支撑机构进行滚动、跳跃等运动。所述的柔性装置是指有特定功能的柔性器件，例如柔性机器人，柔性玩具，柔性能量收集器。也就是，本发明所述的柔性驱动机构能够让柔性装置（例如，柔性机器人等）不仅能实现像真实人类一样灵活的、多种运动方式，而且还能实现人类难以实现的运动方式（例如：滚动和突进）。

为解决本发明的技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种柔性驱动机构，所述的柔性驱动机构包括驱动单元、力放大单元、控制单元、储能单元，所述的驱动单元利用智能软材料的本征应变产生驱动力；所述的驱动单元不断往复运动并且通过力放大单元将能量输入到储能单元中；所述控制单元控制储能单元一次性释放储存的能量以实现柔性机构的自主步行、爬行、滚动、跳跃、突进；所述的控制单元控制输出能量的大小以实现所述的自主步行、爬行、滚动、跳跃、突进五种运动方式之间的切换；所述跳跃的方向为任意的方向，可以是任意的前、后、上、下、左、右方向，也可以是水平、垂直、倾斜任意角度的方向。所述的切换可以是很快速的。