利用電場驅動的自成形柔性機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用電場驅動的自成形柔性機器人，包括電路層、造型層和驅動層，電路層包括電源和電路模塊，造型層包括柔性薄片和記憶合金，驅動層為鍍銅薄膜；電源和電路模塊設置在柔性薄片上，電源和電路模塊連接，柔性薄片包括主體和對稱設置的偶數個端腳，對稱的兩個端腳為一對，每對端腳的其中一個端腳和主體的結合處設置與端腳垂直的一排通孔，開孔處的設置有記憶合金，柔性薄片端腳彎曲的內側設置有鍍銅薄膜，鍍銅薄膜與電路模塊連接；本發明采用全新的利用電場驅動的方式，擺脫了傳統的電機驅動和機械傳動模式，使得柔性機器人的體積更小，重量更輕便，使得智能機器人的發展更加多樣化。
【專利說明】利用電場驅動的自成形柔性機器人
【技術領域】
[0001]本發明屬于智能機器人的驅動領域，特別是一種利用電場驅動的自成形柔性機器人。
【背景技術】
[0002]智能機器人已經在各種工業現場、家庭、學校、超市等各種場合得到了廣泛的應用。然而，目前機器人的生產制造仍然依賴于專業的機械制造技術，必須有專業的設計人員、加工設備和操作人員，用戶定制產品成本高，耗時長。針對這一問題，哈佛大學的Cagdas
D.0nal等學者發明了基于折紙工藝和3D打印技術的柔性機器人的生產制造技術。該項技術參考折紙工藝，在平面上設計一定紋路、溝壑，再利用3D打印技術，以某種樹脂是材料打印出帶有設計紋路的薄板，并在需要折疊的位置布置記憶合金，之后通過一定條件(如提高溫度)激發記憶合金，讓2D薄板能按照這些紋路、溝壑自動折疊成3D造型，并采取了一系列的措施來提高產品的強度和剛度。這一技術提出了一種機器人設計制造的新思路，產品工藝簡單，質量輕，能完成一定的功能，發展成熟后很有可能得到廣泛的應用。
[0003]雖然這一技術在機器人的制造環節擺脫了傳統的機械制造工藝，但是在驅動方面很大程度上仍然依賴傳統的電機驅動。而傳統的電機驅動方式體積和質量大，安裝后會影響機器人的靈活性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種能夠擺脫傳統的電機驅動和機械驅動，結構簡單，體積小，重量輕的利用電場驅動的自成形柔性機器人。
[0005]實現本發明目的的技術解決方案為:
[0006]一種利用電場驅動的自成形柔性機器人，包括電路層、造型層和驅動層，電路層包括電源和電路模塊，造型層包括柔性薄片和記憶合金，驅動層為鍍銅薄膜；電源和電路模塊設置在柔性薄片上，電源和電路模塊連接，柔性薄片包括主體和對稱設置的偶數個端腳，對稱的兩個端腳為一對，每對端腳的其中一個端腳和主體的結合處設置與端腳垂直的一排通孔，開孔處的設置有記憶合金，柔性薄片端腳彎曲的內側設置有鍍銅薄膜，鍍銅薄膜與電路模塊連接。
[0007]本發明與現有技術相比，其顯著優點:
[0008]本發明采用全新的利用電場驅動的方式，擺脫了傳統的電機驅動和機械傳動模式，使得柔性機器人的體積更小，重量更輕便，使得智能機器人的發展更加多樣化。
[0009]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明利用電場驅動的自成形柔性機器人電路層的結構示意圖。
[0011]圖2是本發明利用電場驅動的自成形柔性機器人的總體結構示意圖。
[0012]圖3是本發明利用電場驅動的自成形柔性機器人的工作原理示意圖，A:初始狀態示意圖，B:記憶合金受熱后變形狀態示意圖，C:通電后鍍銅薄膜之間電荷吸引力導致端腳的彎曲示意圖，D:端腳彎曲后力的分析示意圖，E:端腳變形恢復示意圖。
[0013]圖4是本發明利用電場驅動的自成形柔性機器人包含四個端腳的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]結合圖1?圖4:
[0015]本發明一種利用電場驅動的自成形柔性機器人，包括電路層、造型層和驅動層，電路層包括電源2和電路模塊3，造型層包括柔性薄片4和記憶合金5，驅動層為鍍銅薄膜6 ；電源2和電路模塊3設置在柔性薄片4上，電源2和電路模塊3連接，柔性薄片4包括主體和對稱設置的偶數個端腳，對稱的兩個端腳為一對，每對端腳的其中一個端腳和主體的結合處設置與端腳垂直的一排通孔，開孔處的設置有記憶合金5，柔性薄片4端腳彎曲的內側設置有鍍銅薄膜6，鍍銅薄膜6與電路模塊3連接。
[0016]柔性薄片4上設置有基底1，電源2和電路模塊3印刷在基底I上，基底采用塑料薄膜。
[0017]柔性薄片4采用聚醚醚酮樹脂材料。
[0018]記憶合金5設置在一排開孔的兩端。
[0019]電源2采用太陽能電池。
[0020]實施例1:
[0021]結合圖1和圖2:
[0022]一種利用電場驅動的自成形柔性機器人，包括電路層、造型層和驅動層，電路層包括電源2和電路模塊3，造型層包括柔性薄片4和記憶合金5，驅動層為鍍銅薄膜6 ;電源2采用太陽能電池，和電路模塊3 —起印刷在基底I上，基底I采用塑料薄膜，基底I設置在柔性薄片4的上表面，柔性薄片4采用聚醚醚酮樹脂制作，電源2和電路模塊3連接，柔性薄片4包括主體和對稱設置的兩個端腳，其中一個端腳和主體的結合處設置與端腳垂直的一排通孔以降低剛度，開孔的兩端設置有記憶合金5，柔性薄片4端腳彎曲的內側設置有鍍銅薄膜6，鍍銅薄膜6與電路模塊3連接。
[0023]結合圖3:
[0024]工作原理為:造型層開始為平面狀態(如圖3A)，通過激發條件(比如提高溫度)，讓記憶合金5變形，從而帶動柔性薄片4發生變形，讓造型層自動變形到需要的形狀，作為機器人的主體(如圖3B);電源2供電，通過設計的電路模塊3作用于驅動層，讓一個驅動單元的兩片鍍銅薄膜6分別帶上電荷，相互作用，作為動力；在需要運動的折疊關節處均勻打有若干通孔，從而降低關節處剛度，能讓相應部分在電荷作用力下發生運動(圖3B打孔位置為左側折疊位置)；電路模塊3應包含控制器，可以控制電路中電流的大小和方向，進而控制電荷作用力的大小和方向。通電讓兩片鍍銅薄膜6帶上相反的電荷，產生電荷吸引力，相應位置的柔性薄片4和記憶合金5發生彈性變形(如圖3C);通過改變電流的大小和方向，正負電荷消失，吸引力隨之消失，之前發生彈性變形的柔性薄片4和記憶合金5就會恢復之前的形狀，在回彈力的作用下，接觸面會產生一個與之相平衡的推力，作為機器人前進的直接驅動力。
[0025]運動原理是:通過打孔確定需要運動的關節，通過接觸點摩擦系數的設計讓需要運動接觸位置摩擦力略小，這樣收到電場力變形后，需要運動的關節能彎曲，之后重心會偏向變形的這一側，摩擦力會增大，這時候撤去電場力，接觸面給機器人的推力就可以輕松地推動機器人前進(如圖3D)。所以在運動過程中，接觸點的摩擦力是變化的，也就是說如果機器人向內側變形是前進，那么向外側變形就是后退了。
[0026]當變形恢復，機器人就完成了一個運動周期，向前運動了一定距離(如圖3E);通過對電流大小和方向的連續控制，就能產生一定頻率的回彈力，從而產生連續的運動，進而來驅動柔性機器人。
[0027]結合圖4:
[0028]實施例2:
[0029]一種利用電場驅動的自成形柔性機器人，包括電路層、造型層和驅動層，電路層包括電源2和電路模塊3，造型層包括柔性薄片4和記憶合金5，驅動層為鍍銅薄膜6 ;電源2和電路模塊3設置在柔性薄片4上，柔性薄片4采用聚醚醚酮樹脂材料，電源2和電路模塊3連接，電源2采用太陽能電池，柔性薄片4包括主體和對稱設置的四個端腳，對稱的兩個端腳為一對，每對端腳的其中一個端腳和主體的結合處設置與端腳垂直的一排通孔，開孔的兩端設置有記憶合金5，柔性薄片4端腳彎曲的內側設置有鍍銅薄膜6，鍍銅薄膜6與電路模塊3連接。
[0030]使用同樣的驅動方法可以實現互相垂直的兩個方向的移動。一對對稱布置的端腳為一個驅動單元，一個柔性機器人可以包含多個驅動單元，具體驅動單元的布置可以視實際需求而定。
【權利要求】
1.一種利用電場驅動的自成形柔性機器人，其特征在于:包括電路層、造型層和驅動層，電路層包括電源(2)和電路模塊(3)，造型層包括柔性薄片(4)和記憶合金(5)，驅動層為鍍銅薄膜(6);電源(2)和電路模塊(3)設置在柔性薄片⑷上，電源(2)和電路模塊(3)連接，柔性薄片(4)包括主體和對稱設置的偶數個端腳，對稱的兩個端腳為一對，每對端腳的其中一個端腳和主體的結合處設置與端腳垂直的一排通孔，開孔處的設置有記憶合金(5)，柔性薄片(4)端腳彎曲的內側設置有鍍銅薄膜￠)，鍍銅薄膜￠)與電路模塊(3)連接。
2.根據權利要求1所述的利用電場驅動的自成形柔性機器人，其特征在于:所述的柔性薄片⑷上設置有基底(1)，電源⑵和電路模塊⑶印刷在基底⑴上，基底采用塑料薄膜。
3.根據權利要求1所述的利用電場驅動的自成形柔性機器人，其特征在于:所述的柔性薄片(4)采用聚醚醚酮樹脂材料。
4.根據權利要求1所述的利用電場驅動的自成形柔性機器人，其特征在于:所述的記憶合金(5)設置在一排開孔的兩端。
5.根據權利要求1所述的利用電場驅動的自成形柔性機器人，其特征在于:所述的電源⑵采用太陽能電池。
【文檔編號】B25J9/00GK104369181SQ201410584059
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】孫宇, 丁武學, 王禹, 武凱, 王栓虎 申請人:南京理工大學