本實用新型涉及柔性機器人領域，具體涉及一種能夠集成實現(xiàn)自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進的柔性驅(qū)動機構(gòu)。

背景技術：

當前，對于墓室的探測、外星球的探索、軍事偵察以及反恐偵察等類似危險的活動，人們多采用機器人來代替人類本身進行探測。上述場合一般地勢較為復雜，且存在各種障礙物，這就要求探測機器人具有多種運動能力、很高的運動自由度以越過這些障礙。當前機器人的運動方式大多只能實現(xiàn)單一的運動方式，例如，單獨實現(xiàn)步行、爬行、滾動或跳躍，也有少量的機器人能同時實現(xiàn)其中兩種功能。并且當前機器人的驅(qū)動方式主要是通過電機帶動剛性結(jié)構(gòu)運動，其中包含許多凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導柱等剛性傳動零件，剛性材料的采用使得機器人在受到外界沖擊時易產(chǎn)生錯位、損壞等問題，同時由于剛性結(jié)構(gòu)之間潤滑有限，在運行時容易產(chǎn)生較大噪聲。中國專利CN201010617013.5報道的機器人垂直彈跳機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，包括多種如前所述的剛性傳動零件，加工與組裝困難，結(jié)構(gòu)笨重，運行時能量損耗大；并且只能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向的跳躍，功能單一。

目前，還未見能夠集成步行、爬行、滾動、跳躍、突進多種功能于一體的，并且結(jié)構(gòu)簡單易加工的機器人。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種利用智能軟材料的本征應變驅(qū)動的，能夠?qū)崿F(xiàn)集自主步行(walk)、爬行(climb)、滾動(scroll)、跳躍(bounce)和突進多種功能于一體的柔性驅(qū)動機構(gòu)，也就是，本實用新型所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)能夠自主實現(xiàn)各種運動，包括自主步行、爬行、滾動、跳躍和突進，集各種簡單或復雜的運動方式于一體，上述的五種運動方式均為自主運動，即：自主步行、自主爬行、自主滾動、自主跳躍和自主突進。所述的突進指的是瞬間加速。所述跳躍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、傾斜任意角度的方向。所述的自主步行、爬行、滾動、跳躍和突進是指可以進行例如類似于人類的步行、蠕蟲的爬行、潮蟲的滾動、跳蚤的跳躍(數(shù)倍于自體的身長)、大齒猛蟻的突進(在極短的時間內(nèi)可以瞬間加速到10m/s)的運動，而不需要借助電機驅(qū)動傳動機構(gòu)(如凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導柱等)來實現(xiàn)自主步行、爬行、滾動、跳躍和突進。

所述的本征應變是指材料在外加激勵，例如電場、磁場、熱場、光場、電磁場、熱磁場的作用下產(chǎn)生的形變，這種形變不需要依賴外界的力載荷，也即這種形變是材料本身產(chǎn)生的，例如熱脹冷縮現(xiàn)象，這種形變產(chǎn)生的驅(qū)動力能使柔性驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生周期性的形變。所述智能軟材料是指在外界激勵的作用下，自主產(chǎn)生變形的軟材料。所述軟材料是指彈性模量小于1MPa的材料。所述智能軟材料可以選自介電高彈體、離子型EAP、形狀記憶聚合物、液晶高彈體等。所述的介電高彈體選自硅膠、橡膠、VHB膠帶、聚丙烯酸酯等。

所述柔性驅(qū)動機構(gòu)作為一個柔性的驅(qū)動裝置，充當了人工肌肉的角色。如同肌肉需要骨骼支撐一樣，柔性驅(qū)動機構(gòu)可以與支撐機構(gòu)組合發(fā)揮更大的作用，所述的支撐機構(gòu)可以選自柔性框架、柔性外殼。柔性驅(qū)動機構(gòu)與支撐機構(gòu)組合成柔性裝置之后，通過柔性驅(qū)動機構(gòu)來進行儲能以及釋放能量，能夠使得支撐機構(gòu)進行彎曲、扭轉(zhuǎn)等運動，也能使支撐機構(gòu)進行滾動、跳躍等運動。所述的柔性裝置是指有特定功能的柔性器件，例如柔性機器人，柔性玩具，柔性能量收集器。也就是，本實用新型所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)能夠讓柔性裝置(例如，柔性機器人等)不僅能實現(xiàn)像真實人類一樣靈活的、多種運動方式，而且還能實現(xiàn)人類難以實現(xiàn)的運動方式(例如：滾動和突進)。

為解決本實用新型的技術問題，本實用新型采用如下的技術方案：

一種柔性驅(qū)動機構(gòu)，所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)包括驅(qū)動單元、力放大單元、控制單元、儲能單元，所述的驅(qū)動單元利用智能軟材料的本征應變產(chǎn)生驅(qū)動力；所述的驅(qū)動單元不斷往復運動并且通過力放大單元將能量輸入到儲能單元中；所述控制單元控制儲能單元一次性釋放儲存的能量以實現(xiàn)柔性機構(gòu)的自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進；所述的控制單元控制輸出能量的大小以實現(xiàn)所述的自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進五種運動方式之間的切換；所述跳躍的方向為任意的方向，可以是任意的前、后、上、下、左、右方向，也可以是水平、垂直、傾斜任意角度的方向。所述的切換可以是很快速的。

本實用新型通過智能軟材料來充當驅(qū)動元件，同時通過力放大單元克服了智能軟材料輸出力小的缺點，再經(jīng)過多次循環(huán)加載將能量儲存到儲能單元中，同時通過控制單元控制儲能單元中所儲存的能量的大小，最后將儲能單元中存儲的能量一次性釋放出去。這樣通過驅(qū)動單元、力放大單元、控制單元、儲能單元相結(jié)合作為一個整體的作用，使得本實用新型所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)能夠集自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進(瞬間加速)五種運動功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)所述五種運動功能中的任意一種或任意多種功能。特別地，所述驅(qū)動單元、力放大單元、控制單元、儲能單元通過協(xié)同工作可以控制輸出能量的大小以實現(xiàn)各種運動方式之間的快速切換。

所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)的絕大部分都是柔性的結(jié)構(gòu)，所述的柔性是指結(jié)構(gòu)在受到超過200％的拉伸、壓縮或剪切應變后仍能夠恢復初始狀態(tài)。優(yōu)選的，驅(qū)動單元、儲能單元可以為完全柔性的結(jié)構(gòu)，力放大單元，控制單元需要包含極少量剛性結(jié)構(gòu)。所述的控制單元需要用到的極少量剛性結(jié)構(gòu)包括電路、電源，所述的力放大單元需要用到的極少量剛性結(jié)構(gòu)包括需要承受較大載荷的結(jié)構(gòu)。但上述剛性結(jié)構(gòu)所占整個柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積十分小，就如同在一堆棉花中有一顆石子一樣，一些很小的剛性結(jié)構(gòu)不會影響到整個結(jié)構(gòu)的柔性，仍可以大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

進一步地，所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)包括通信單元，所述的通信單元用于調(diào)控所述的控制單元。所述的通信單元可以近距離或遠程控制所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)。所述通信單元的通信方式為無線通信，可以選自藍牙、WIFI、紅外線、長波通信、短波通信、2G、2.5G、2.75G、3G、4G、5G通信方式和后續(xù)代的通信方式(5G以上的版本)中的任意一種或任意二種及以上的組合。所述通信單元可以固定在除了驅(qū)動單元的任意位置上，作為優(yōu)選，可以固定在力放大單元上。

進一步地，本實用新型所述的驅(qū)動單元的尺寸可以為0.1mm～2dm，相應的柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積約為0.1mm³～1000dm³。作為優(yōu)選，所述驅(qū)動單元的尺寸為1mm～0.5dm，相應的柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積約為100mm³～10dm³。更進一步的，所述驅(qū)動單元的尺寸為0.5cm～2cm，相應的柔性驅(qū)動機構(gòu)的體積約為10cm³～1000cm³。

進一步地，所述的力放大單元分別連接所述的驅(qū)動單元和所述的儲能單元。

進一步地，所述的驅(qū)動單元的數(shù)量為兩個以上，所述的驅(qū)動單元之間通過第一傳動機構(gòu)相連接。

進一步地，所述的力放大單元為相連的同軸心的兩個圓盤，優(yōu)選的，所述兩個圓盤的半徑比≥5。如圖2所示，將驅(qū)動單元與儲能單元分別連接在力放大單元(同軸心的兩個圓盤2-1、2-2上，其中，2-1為半徑大的圓盤，2-2為半徑小的圓盤)上，所述的驅(qū)動單元連接在大圓盤2-1上，也就是驅(qū)動單元所連接的一端半徑大，力臂較長，所述的儲能單元連接在小圓盤2-2上，也就是儲能單元所連接的一端半徑小，力臂較短，兩個力臂大小的比就是力的放大倍數(shù)。為了使智能軟材料構(gòu)成的驅(qū)動單元在變形過程中在受力方向不發(fā)生偏移，以保證驅(qū)動單元的動態(tài)穩(wěn)定以及更好的輸出力和位移，本實用新型采用兩個圓盤來進行力的放大，此時力的放大比即是半徑大的圓盤2-1與半徑小的圓盤2-2的半徑比，比值根據(jù)儲能單元所需的力的大小可以任意調(diào)整。驅(qū)動單元經(jīng)由力放大單元將力放大后作用于儲能單元上，輸出的力需要能夠?qū)δ軉卧斓揭欢ǔ潭?，所以力放大單元兩個圓盤的半徑比不能過小，過小的半徑比將無法充分拉伸儲能單元。但同時力放大單元在放大輸出力的同時縮小了輸出位移，需要通過驅(qū)動單元的反復運動來積累位移，過大的半徑比會導致位移積累所需的循環(huán)增多，結(jié)構(gòu)整體的效率下降。所以力放大單元的半徑比也不能過大。合適的半徑比能夠充分的提高整個機構(gòu)的效率，并且這樣可以最大限度的減輕結(jié)構(gòu)的重量，以得到最好的效果。作為優(yōu)選，所述力放大單元兩個圓盤的半徑比應在5～20之間。

進一步的，所述控制單元為可以改變相互間作用力的物體。優(yōu)選的，所述作用力選自磁力、摩擦力、庫侖力。優(yōu)選的，所述的控制單元為成對的物體。當所述作用力為磁力時，所述物體可以為一對電磁鐵，或者一個電磁鐵與一個磁鐵(或鐵塊)；當所述作用力為摩擦力時，所述物體可以為一對相互之間有摩擦力的摩擦片；當所述作用力為庫侖力時，所述的物體可以為一對帶有異種電荷的電容。

進一步地，所述驅(qū)動單元通過第一傳動機構(gòu)與力放大單元一端相連接，力放大單元的另一端再通過第二傳動機構(gòu)與儲能單元相連接。優(yōu)選的，第二傳動機構(gòu)與儲能單元的連接部分安裝有控制單元，所述的控制單元為成對的可以改變相互間作用力的物體，所述的控制單元分別固定在第二傳動機構(gòu)與儲能單元上。這樣依次連接才能最大程度地發(fā)揮驅(qū)動單元，力放大單元，控制單元以及儲能單元的協(xié)同性能。所述的第一傳動機構(gòu)和第二傳動機構(gòu)可相同或不同。所述第一傳動機構(gòu)或第二傳動機構(gòu)可以選自鏈傳動、皮帶傳動、齒輪傳動。鏈傳動與齒輪傳動都包含了鋼性部件，皮帶傳動是柔性結(jié)構(gòu)，為了盡可能減少鋼性部件，作為優(yōu)選，應選皮帶傳動。所述的皮帶可以是彈性的軟帶或彈性的軟繩。所述軟帶或軟繩是指能夠彎曲但拉伸變形小于1％的帶子或繩子。

更進一步的，所述力放大單元鑲嵌有單向軸承，所述單向軸承控制儲能單元單向運動以儲存能量。驅(qū)動單元通過力放大單元將輸出力放大后作用到儲能單元上，但同時也減小了輸出位移，為了彌補位移的損失，在力放大單元中增加了一個單向軸承。力放大單元中力臂較長的部分首先作用于單向軸承上，再通過單向軸承作用到力臂較短的部分上。驅(qū)動單元在外界周期性激勵的作用下進行往復運動，這里以驅(qū)動單元的材料選取介電高彈體為例進行說明。如圖2所示，當在驅(qū)動單元中的一段(驅(qū)動單元11)施加第一次電壓時(此時驅(qū)動單元12上沒有電壓)，這一段驅(qū)動單元舒張，通過力放大單元的作用，儲能單元被拉伸，在撤去這一段驅(qū)動單元(驅(qū)動單元11)上的電壓的同時對另一段驅(qū)動單元(驅(qū)動單元12)施加第二次電壓(此時驅(qū)動單元11上沒有電壓)，由于單向軸承的作用，儲能單元維持被拉伸的狀態(tài)，但驅(qū)動單元可以回復到原來的位置，這樣一個施加第一次電壓——施加第二次電壓的循環(huán)后(所述的第一次電壓和第二次電壓的數(shù)值可相同或不同)，儲能單元中就儲存了與驅(qū)動單元一次循環(huán)所做的功等量的能量，每循環(huán)一次儲能單元中就增加一定的能量。儲能單元所能夠儲存的能量可以是整個儲能單元所能儲存的最大能量以下的任意值。所述驅(qū)動單元11、驅(qū)動單元12的智能軟材料可以相同或不同。

進一步的，所述力放大單元的材料可以是鋼性材料或者是柔性材料，對于與驅(qū)動單元連接的力放大單元的部分，由于驅(qū)動單元輸出的力較小，這部分的材料可以選擇彈性模量相對較高的柔性材料，其彈性模量應大于構(gòu)成驅(qū)動單元的智能軟材料的彈性模量的10倍以上，以保證其不發(fā)生較大的變形。對于與儲能單元連接的力放大單元的部分，由于其受到的力比較大，使用柔性材料易發(fā)生較大的形變，并且其體積本身小，使用鋼性結(jié)構(gòu)基本不影響整個結(jié)構(gòu)的柔性，所以應采用鋼性材料，作為優(yōu)選，應采用比強度高的鈦合金。作為優(yōu)選，當所述的力放大單元為相連的同軸心的兩個圓盤時，所述的與驅(qū)動單元連接的力放大單元的部分為半徑大的圓盤2-1，所述與儲能單元連接的力放大單元的部分為半徑小的圓盤2-2。

進一步的，所述儲能單元選自彈性材料構(gòu)成的塊狀結(jié)構(gòu)或其他彈性結(jié)構(gòu)。所述彈性材料為彈性模量大于1MPa，最大拉伸形變大于200％的彈性材料，這樣可以保證在單位體積里儲能單元可以儲存足夠大的應變能，同時減輕結(jié)構(gòu)的重量，提高空間利用率。作為優(yōu)選，應選擇高模量的橡膠類材料。所述其他彈性結(jié)構(gòu)可選自彈簧、雙穩(wěn)態(tài)梁，所述雙穩(wěn)態(tài)梁利用梁在兩個穩(wěn)態(tài)之間的變化輸出能量。

更進一步的，所述儲能單元一次性釋放1×10^-3J～2KJ的能量。橡膠類材料的模量大致在0.05～4MP，最大拉伸變形能達到200％，按照彈性力學中彈性能的計算公式，可以計算得到儲能單元一次性能儲存的應變能為1KJ/m³～200KJ/m³，所述儲能單元的體積越大一次性能夠釋放的能量越多。對于小型的柔性驅(qū)動機構(gòu)，儲能單元的大小可取1～10cm³；對于大型柔性驅(qū)動機構(gòu)，儲能單元的大小可取1～10dm³，所以儲能單元一次性能夠釋放的能量為1×10^-3J～2KJ。

進一步的，所述驅(qū)動單元為智能軟材料薄膜，優(yōu)選的，所述的智能軟材料薄膜為管狀多層智能軟材料薄膜，所述的多層結(jié)構(gòu)可以進一步提高了單個驅(qū)動單元的輸出力，同時也增加了結(jié)構(gòu)的空間利用率。優(yōu)選的，所述的智能軟材料薄膜的整體形狀為短粗結(jié)構(gòu)，更優(yōu)選的，所述短粗結(jié)構(gòu)最長維度的長度不超過其他維度長度的5倍，這樣的結(jié)構(gòu)可以大大提高所述驅(qū)動器的穩(wěn)定性和機械性能。所述智能軟材料薄膜可以選自介電高彈體薄膜、離子型EAP薄膜、形狀記憶聚合物薄膜、液晶高彈體薄膜等。所述的介電高彈體選自硅膠、橡膠、VHB膠帶、聚丙烯酸酯等。

作為優(yōu)選，應選擇介電高彈體薄膜。多個所述的智能軟材料薄膜之間可以通過第一傳動機構(gòu)相連接。更優(yōu)選的，所述智能軟材料薄膜可以通過彈性繩串聯(lián)起來。

當選擇介電高彈體薄膜作為驅(qū)動單元時，更進一步的，所述介電高彈體薄膜需要在軸向進行預拉伸，所述軸向預拉伸的大小為120％～500％，預拉伸過小無法發(fā)揮薄膜的驅(qū)動性能，預拉伸過大會導致薄膜產(chǎn)生褶皺。根據(jù)所選薄膜材料的不同所選的預拉伸也不同，對于硅膠薄膜，預拉伸值為120％～180％，作為優(yōu)選，可為150％，對于VHB膠帶，預拉伸值為300％～500％，作為優(yōu)選，可為400％。

更進一步的，所述驅(qū)動單元在大于50Hz的外界周期性激勵下快速往復變形，并且兩段驅(qū)動單元(驅(qū)動單元11、驅(qū)動單元12)所施加的激勵相差半個周期的相位。所述智能軟材料具有響應快速的特點，通過高頻率的外界激勵，可以使智能軟材料所帶動的第一傳動機構(gòu)在單位時間內(nèi)(例如每秒)達到該材料最大的往復移動的總路程，從而使得驅(qū)動單元所帶動的力放大單元在單位時間內(nèi)的往復移動的總路程最大化，最終使得儲能單元在單位時間內(nèi)的拉伸達到最大。兩段驅(qū)動單元所施加的激勵相差半個周期的相位。以介電高彈體薄膜作為驅(qū)動單元為例，在零時刻，給其中一段薄膜上施加電壓，此時另一段薄膜上沒有電壓，經(jīng)過T/2時刻后，將已施加電壓的薄膜上的電壓撤去，在另一段薄膜上施加電壓，再經(jīng)過T/2時刻重復以上步驟從而使薄膜不斷伸縮運動。一次施加電壓的周期就是T，兩段薄膜上電壓相差了T/2。這樣一個循環(huán)薄膜移動了X的路程，每次循環(huán)都會增加X的路程，單位時間內(nèi)移動的總路程即為循環(huán)次數(shù)乘以一次的路程X，這里記總路程的大小為Y，上述的加載方式可以使單位時間內(nèi)的總路程達到最大化，進而經(jīng)由力放大單元輸出的位移也會達到最大化，最后儲能單元中儲存的能量最大化。由于介電高彈體薄膜本身具有粘彈性，在過高的激勵頻率下會發(fā)生滯后，所以作為優(yōu)選，外界激勵的頻率應在100Hz左右，即周期為0.01s。

儲能單元在儲存到足夠的能量之后，就可以將所述的能量一次性釋放出去，通過在儲能單元與力放大單元之間施加一個控制單元就可以控制儲能單元釋放時所儲存的能量的大小，以及控制儲能單元一次性釋放能量。所述作用力選自磁力、摩擦力、庫侖力。這里以磁力為例進行說明。所述控制單元可以為兩個電磁鐵，其中一個固定在儲能單元上，另一個固定在力放大單元較小的力臂上，在兩個電磁鐵上通上電流后就可以產(chǎn)生吸引力，所述吸引力的大小與兩個電磁鐵上所通的電流的大小相關，電磁鐵上所通的電流越大，兩個磁鐵間的吸引力也越大。通過調(diào)整電磁鐵上所通的電流的大小可以控制儲能單元所釋放的能量的大小，當儲能單元所儲存的能量達到要求后，立即斷掉電磁鐵上的電流，失去約束的儲能單元在瞬間將所儲存的彈性能釋放出去。不同大小的輸出能量可以實現(xiàn)不同的功能，較小的輸出能量可以實現(xiàn)自主爬行、步行、滾動等功能，較大的輸出能量可以實現(xiàn)自主跳躍、突進等功能。

本實用新型的第二個目的是提供一種柔性驅(qū)動機構(gòu)組，所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)組包括以上所述的任意一種結(jié)構(gòu)的柔性驅(qū)動機構(gòu)。本實用新型的柔性驅(qū)動機構(gòu)可單獨工作，也可以多個之間相連接(例如粘接)形成柔性驅(qū)動機構(gòu)組，實現(xiàn)柔性驅(qū)動機構(gòu)的串聯(lián)、并聯(lián)組裝，例如將兩個柔性驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動單元與驅(qū)動單元固定起來，力放大單元與力放大單元固定起來、儲能單元與儲能單元固定起來，就能將柔性驅(qū)動機構(gòu)的輸出能量提高一倍，從而提升柔性驅(qū)動機構(gòu)的性能。

本實用新型的第三個目的是提供一種柔性裝置，所述的柔性裝置包含一個或多個支撐機構(gòu)、一個或多個如前所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)組。優(yōu)選的，所述的支撐機構(gòu)選自柔性框架、柔性外殼。所述的柔性裝置是指有特定功能的柔性器件，例如柔性機器人，柔性玩具，柔性能量收集器等。

進一步地，將柔性驅(qū)動機構(gòu)按陣列固定在球形或者圓柱形的柔性外殼內(nèi)部時就可以實現(xiàn)滾動以及跳躍的功能，根據(jù)所選的外殼形狀可以有不同的排列，若選擇圓柱形外殼，柔性驅(qū)動機構(gòu)則呈環(huán)向陣列排列。如選擇球形外殼，則柔性驅(qū)動機構(gòu)以經(jīng)緯線排列。在未遇到障礙物時，所有柔性驅(qū)動機構(gòu)都執(zhí)行滾動的功能，其控制單元控制儲能單元釋放較小的能量。當遇到障礙物時，處于底部的柔性驅(qū)動機構(gòu)的控制單元將提高儲能單元釋放的能量以實現(xiàn)跳躍的功能來越過障礙物，而當需要突進(瞬間加速)的時候，處于后方的柔性驅(qū)動機構(gòu)的控制單元將提高儲能單元釋放的能量以實現(xiàn)加速的功能。當需要斜向跳躍時，將運行至側(cè)后方的柔性跳躍機構(gòu)的能量釋放掉就可以實現(xiàn)斜向跳躍。將柔性驅(qū)動機構(gòu)與柔性框架相結(jié)合時就可以實現(xiàn)步行與爬行的功能，在柔性驅(qū)動機構(gòu)儲存與釋放能量的過程中，給予柔性框架一個驅(qū)動力以實現(xiàn)柔性框架的彎曲、扭轉(zhuǎn)等運動。除了柔性裝置自主的控制以外，還可以通過通信單元人為的調(diào)控各個控制單元，使儲能單元在需要加速的時候釋放較大的能量，需要減速的時候釋放較少的能量。所述通信單元在近距離時(直線距離小于10米)通過藍牙，紅外線進行控制，在遠距離時(直線距離大于10米)通過長波通信、短波通信、2G、2.5G、2.75G、3G、4G、5G通信方式和后續(xù)代的通信方式(5G以上的版本)來進行控制。

進一步的，當選擇柔性材料作為外殼時，外殼本身也可以充當儲能單元。具體為將力放大機構(gòu)通過直接與外殼相連接，在驅(qū)動單元的作用下外殼受到拉力的作用發(fā)生變形，當拉力超過控制單元所設置的力的閾值時，外殼將恢復原本的形狀，同時給予地面一個沖擊力，完成跳躍的過程。

本實用新型所述的柔性驅(qū)動機構(gòu)可應用于機器人，玩具，能量收集領域。例如在機器人領域，可利用柔性驅(qū)動機構(gòu)制成偵查用的機器人。在玩具領域柔性驅(qū)動機構(gòu)可以制成全柔性的爬行、滾動玩具，避免了對小孩造成傷害的可能。在能量收集領域，可利用柔性驅(qū)動機構(gòu)制成安放于人體上(如鞋底)的能量收集裝置。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果在于：

1.本實用新型的柔性驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，通過巧妙的設計，將結(jié)構(gòu)極其簡單的驅(qū)動單元、力放大單元、控制單元、儲能單元結(jié)合在一起，使其作為一個整體協(xié)同作用，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的、多種形式的運動功能(自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自主步行、爬行、滾動、跳躍、突進五種運動方式之間的快速切換，能夠滿足廣泛的多樣化需求，進一步還可以廣泛的與其他外部結(jié)構(gòu)組合實現(xiàn)更多的功能。

2.本實用新型的柔性驅(qū)動機構(gòu)采用智能軟材料作為驅(qū)動單元，其機電轉(zhuǎn)換效率高，能量密度大，噪音低，制得的柔性裝置(例如柔性機器人)可以不易被探知。

3.本實用新型的柔性驅(qū)動機構(gòu)的絕大部分都是柔性的結(jié)構(gòu)，抗破壞能力很強，即使受到很大的外壓，沖擊或摔落都不會造成損壞。由于柔性的結(jié)構(gòu)還具彈性，由本實用新型的柔性驅(qū)動機構(gòu)制得的柔性裝置(例如柔性機器人，柔性玩具，柔性能量收集器)，即便受到外界壓力產(chǎn)生很大變形，也能在短時間內(nèi)恢復原形，繼續(xù)工作。

4.當柔性裝置使用球形外殼時，通過對滾動機構(gòu)的排布，可以實現(xiàn)多個方向的運動與跳躍，有更多的運動自由度。

5.本實用新型的柔性驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，功能強大，成本低廉，方便大規(guī)模制造，具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為第一驅(qū)動機構(gòu)連接兩個驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為柔性驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為儲能單元、控制單元與傳動機構(gòu)連接的示意圖；

圖4為圓柱形的外殼與柔性驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合的整體示意圖；

圖5為球形的外殼與柔性驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合的整體示意圖。

(圖中，11、12是驅(qū)動單元，2-1是力放大單元中半徑大的圓盤，2-2是力放大單元中半徑小的圓盤，3是控制單元，4是儲能單元，5是單向軸承，6是第二傳動機構(gòu)，13是第一傳動機構(gòu))

具體實施方式

以下實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述。

本實用新型提供了一種柔性驅(qū)動機構(gòu)，由驅(qū)動單元11、12，力放大單元2，控制單元3，儲能單元4組成，如圖1-圖3所示，所述的驅(qū)動單元為兩段管狀的VHB4910(一種介電高彈體)薄膜通過第一傳動機構(gòu)13(一根彈性繩13)相連接。所述的力放大單元為兩個半徑大小不同的同心圓盤2-1、2-2，其半徑比為5，半徑較大的圓盤2-1開有凹槽，在力放大單元的內(nèi)部鑲嵌有單向軸承5，力放大單元通過傳動皮帶6與儲能單元4通過控制單元3相連接，這里的儲能單元4采用的是勁度系數(shù)k＝1000N/M的彈簧4，控制單元3采用的電磁鐵與鐵塊的組合。

將兩段VHB4910分別卷成圓柱狀后沿軸向進行四倍的預拉伸后將其與彈性繩13相連，再將彈性繩13連接到半徑較大的圓盤2-1上，通過彈性繩13與圓盤2-1之間的摩擦力進行傳動。

半徑較小的圓盤2-2則通過帶有鐵塊的傳動皮帶6與帶有電磁鐵的彈簧4相連接，彈簧4則固定在外殼1上，傳動皮帶6與力放大單元中半徑較小的圓盤2-2通過固定軸固定起來。

當在驅(qū)動單元中一段VHB薄膜11上施加5KV電壓，這一段VHB薄膜松弛，在受到彈性繩13另一端的VHB薄膜12的拉力作用下，整個大圓盤2-1順時針轉(zhuǎn)動，帶動小圓盤2-2順時針轉(zhuǎn)動，進而帶動傳動皮帶6順時針轉(zhuǎn)動，通過電磁鐵的作用將彈簧4壓縮，在將VHB薄膜11上的電壓撤去，在VHB薄膜12上施加5KV電壓，由于VHB薄膜12松弛，在彈性繩13另一端的VHB薄膜11的拉力作用下，帶動大圓盤2-1沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，但由于有單向軸承5的作用，當大圓盤2-1沿逆時針方向運動時，不會給小圓盤2-2施加外力，所以彈簧4還是維持被壓縮的狀態(tài)，重復以上的加電壓和撤去電壓的步驟，在100Hz的交流電載荷下，驅(qū)動單元沿軸向不停地進行往復運動，帶動彈性繩13來回運動，進而帶動大圓盤2-1來回轉(zhuǎn)動，由于其鑲嵌有單向軸承5，大圓盤2-1的來回傳動變成了小圓盤2-2的單方向轉(zhuǎn)動，將彈簧4不斷地壓縮，直到彈簧中所儲存的彈性能達到要求后，撤去電磁鐵中的電流，彈簧在瞬間與傳動皮帶6脫離，釋放其中儲存的彈性能。

圖4與圖5分別為兩種不同外殼與柔性驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合的機器人。

圖4是柔性驅(qū)動機構(gòu)與圓柱狀的外殼相結(jié)合得到的機器人，其內(nèi)部一共部署了4個柔性驅(qū)動機構(gòu)。在平地上移動時，這4個柔性驅(qū)動機構(gòu)單次儲存的彈性能較小，每個柔性驅(qū)動機構(gòu)在移動到前方時就將其中儲存的能量釋放掉以推動結(jié)構(gòu)向前滾動，在其余的時間用來給儲能單元充入彈性能。當遇到障礙物的時候，處于下方的柔性驅(qū)動機構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲能單元所能儲存的彈性能增加，當彈性能釋放出去的時候可以實現(xiàn)跳躍的功能。當需要瞬間加速的時候，處于后方的柔性驅(qū)動機構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲能單元所能儲存的彈性能增加，當彈性能釋放出去的時候可以實現(xiàn)突進的功能。

圖5是柔性驅(qū)動機構(gòu)與球狀的外殼相結(jié)合得到的機器人，其內(nèi)部一共部署了6個柔性驅(qū)動機構(gòu)，可以控制整個機器人沿四個不同方向進行滾動。在平地上移動時，這6個柔性驅(qū)動機構(gòu)單次儲存的彈性能較小，當一個柔性驅(qū)動機構(gòu)移動到水平位置時就將其中儲存的能量釋放掉以推動結(jié)構(gòu)向該方向滾動，在其余的時間用來給儲能單元充入彈性能。當遇到障礙物的時候，處于下方的柔性驅(qū)動機構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲能單元。所能儲存的彈性能增加，當彈性能釋放出去的時候可以實現(xiàn)跳躍的功能。當需要瞬間加速的時候，處于后方的柔性驅(qū)動機構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲能單元所能儲存的彈性能增加，當彈性能釋放出去的時候可以實現(xiàn)突進的功能。

將柔性驅(qū)動機構(gòu)與柔性框架相結(jié)合時就可以實現(xiàn)步行與爬行的功能，在柔性驅(qū)動機構(gòu)儲存與釋放能量的過程中，給予柔性框架一個驅(qū)動力以實現(xiàn)柔性框架的彎曲、扭轉(zhuǎn)等運動。例如一個與人體或動物軀體的形狀相似的柔性框架，如果在柔性框架與人體或動物軀體相對應的地方安裝上柔性驅(qū)動機構(gòu)，例如在類似人體肘關節(jié)的地方安裝一個柔性驅(qū)動機構(gòu)就能實現(xiàn)手臂的彎曲，此時將手臂部分的框架作為儲能單元，在驅(qū)動單元不斷施加載荷的時候手臂就會彎曲，如果將框架中儲存的能量一次性釋放出去就可以實現(xiàn)快速的擺臂，如果將框架中的能量逐漸釋放出去就可以實現(xiàn)緩慢的擺臂。同時在框架外側(cè)安裝一對柔性驅(qū)動機構(gòu)就能實現(xiàn)手肘的轉(zhuǎn)動，這一對柔性驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動單元同時施加載荷的時候就能夠給手臂一個力偶，將其中的能量一次性釋放出去就能實現(xiàn)手臂的轉(zhuǎn)動。同樣的，人體和動物的關節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)的就是不同方向的彎曲和轉(zhuǎn)動，只要在對應的關節(jié)位置合理地安裝柔性驅(qū)動機構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)所有類人以及仿生的動作。

本實用新型還可以用于制造各種外形的玩具，將柔性框架制成小型的動物(如貓，狗，大象，昆蟲等)以及人體的形狀，同時將小型的柔性驅(qū)動機構(gòu)安裝在這些柔性框架的關節(jié)處，同時將小型的電源安裝于柔性框架內(nèi)部，這樣就可以實現(xiàn)一個完全模仿人體和動物的玩具。同時一個全柔性的玩具不僅不容易對小孩造成傷害，而且不容易被小孩損壞。