CN105667617B - 柔性驱动机构、柔性驱动机构组及柔性装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性驱动机构，包括驱动单元、力放大单元、控制单元和储能单元。驱动单元通过镶嵌有单向轴承的力放大单元放大输出力作用于储能单元。驱动单元通过不断往复运动将能量输入储能单元中，当储能单元中的弹性能达到所需的要求时，通过通信单元遥控控制单元将储能单元中储存的弹性能一次性释放出来，以实现步行、爬行、滚动、跳跃、突进多种功能以及功能之间的相互切换。本发明采用智能软材料作为驱动器，其机电转换效率高，能量密度大，噪音低。并且大部分的结构都可以使用柔性材料进行替代，抗破坏能力强；同时柔性驱动机构通过与不同外壳的组合可以同时实现步行、爬行、滚动、跳跃、突进多种功能，可以应用于机器人，玩具，能量收集等多方面。

Description

柔性驱动机构、柔性驱动机构组及柔性装置

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。

本发明通过智能软材料来充当驱动元件，同时通过力放大单元克服了智能软材料输出力小的缺点，再经过多次循环加载将能量储存到储能单元中，同时通过控制单元控制储能单元中所储存的能量的大小，最后将储能单元中存储的能量一次性释放出去。这样通过驱动单元、力放大单元、控制单元、储能单元相结合作为一个整体的作用，使得本发明所述的柔性驱动机构能够集自主步行、爬行、滚动、跳跃、突进（瞬间加速）五种运动功能于一体，能够实现所述五种运动功能中的任意一种或任意多种功能。特别地，所述驱动单元、力放大单元、控制单元、储能单元通过协同工作可以控制输出能量的大小以实现各种运动方式之间的快速切换。

所述的柔性驱动机构的绝大部分都是柔性的结构，所述的柔性是指结构在受到超过200%的拉伸、压缩或剪切应变后仍能够恢复初始状态。优选的，驱动单元、储能单元可以为完全柔性的结构，力放大单元，控制单元需要包含极少量刚性结构。所述的控制单元需要用到的极少量刚性结构包括电路、电源，所述的力放大单元需要用到的极少量刚性结构包括需要承受较大载荷的结构。但上述刚性结构所占整个柔性驱动机构的体积十分小，就如同在一堆棉花中有一颗石子一样，一些很小的刚性结构不会影响到整个结构的柔性，仍可以大幅度提高结构的抗冲击性能。

进一步地，所述的柔性驱动机构包括通信单元，所述的通信单元用于调控所述的控制单元。所述的通信单元可以近距离或远程控制所述的柔性驱动机构。所述通信单元的通信方式为无线通信，可以选自蓝牙、WIFI、红外线、长波通信、短波通信、2G、2.5G、2.75G、3G、4G、5G 通信方式和后续代的通信方式（5G以上的版本）中的任意一种或任意二种及以上的组合。所述通信单元可以固定在除了驱动单元的任意位置上，作为优选，可以固定在力放大单元上。

进一步地，本发明所述的驱动单元的尺寸可以为0.1mm～2dm，相应的柔性驱动机构的体积约为0.1mm³～1000dm³。作为优选，所述驱动单元的尺寸为1mm～0.5dm，相应的柔性驱动机构的体积约为100mm³～10dm³。更进一步的，所述驱动单元的尺寸为0.5cm～2cm，相应的柔性驱动机构的体积约为10cm³～1000cm³。

进一步地，所述的力放大单元分别连接所述的驱动单元和所述的储能单元。

进一步地，所述的驱动单元的数量为两个以上，所述的驱动单元之间通过第一传动机构相连接。

进一步地，所述的力放大单元为相连的同轴心的两个圆盘，优选的，所述两个圆盘的半径比≥5。如图2所示，将驱动单元与储能单元分别连接在力放大单元（同轴心的两个圆盘2-1、2-2上，其中，2-1为半径大的圆盘，2-2为半径小的圆盘）上，所述的驱动单元连接在大圆盘2-1上，也就是驱动单元所连接的一端半径大，力臂较长，所述的储能单元连接在小圆盘2-2上，也就是储能单元所连接的一端半径小，力臂较短，两个力臂大小的比就是力的放大倍数。为了使智能软材料构成的驱动单元在变形过程中在受力方向不发生偏移，以保证驱动单元的动态稳定以及更好的输出力和位移，本发明采用两个圆盘来进行力的放大，此时力的放大比即是半径大的圆盘2-1与半径小的圆盘2-2的半径比，比值根据储能单元所需的力的大小可以任意调整。驱动单元经由力放大单元将力放大后作用于储能单元上，输出的力需要能够将储能单元拉伸到一定程度，所以力放大单元两个圆盘的半径比不能过小，过小的半径比将无法充分拉伸储能单元。但同时力放大单元在放大输出力的同时缩小了输出位移，需要通过驱动单元的反复运动来积累位移，过大的半径比会导致位移积累所需的循环增多，结构整体的效率下降。所以力放大单元的半径比也不能过大。合适的半径比能够充分的提高整个机构的效率，并且这样可以最大限度的减轻结构的重量，以得到最好的效果。作为优选，所述力放大单元两个圆盘的半径比应在5～20之间。

进一步的，所述控制单元为可以改变相互间作用力的物体。优选的，所述作用力选自磁力、摩擦力、库仑力。优选的，所述的控制单元为成对的物体。当所述作用力为磁力时，所述物体可以为一对电磁铁，或者一个电磁铁与一个磁铁（或铁块）；当所述作用力为摩擦力时，所述物体可以为一对相互之间有摩擦力的摩擦片；当所述作用力为库仑力时，所述的物体可以为一对带有异种电荷的电容。

进一步地，所述驱动单元通过第一传动机构与力放大单元一端相连接，力放大单元的另一端再通过第二传动机构与储能单元相连接。优选的，第二传动机构与储能单元的连接部分安装有控制单元，所述的控制单元为成对的可以改变相互间作用力的物体，所述的控制单元分别固定在第二传动机构与储能单元上。这样依次连接才能最大程度地发挥驱动单元，力放大单元，控制单元以及储能单元的协同性能。所述的第一传动机构和第二传动机构可相同或不同。所述第一传动机构或第二传动机构可以选自链传动、皮带传动、齿轮传动。链传动与齿轮传动都包含了钢性部件，皮带传动是柔性结构，为了尽可能减少钢性部件，作为优选，应选皮带传动。所述的皮带可以是弹性的软带或弹性的软绳。所述软带或软绳是指能够弯曲但拉伸变形小于1%的带子或绳子。

更进一步的，所述力放大单元镶嵌有单向轴承，所述单向轴承控制储能单元单向运动以储存能量。驱动单元通过力放大单元将输出力放大后作用到储能单元上，但同时也减小了输出位移，为了弥补位移的损失，在力放大单元中增加了一个单向轴承。力放大单元中力臂较长的部分首先作用于单向轴承上，再通过单向轴承作用到力臂较短的部分上。驱动单元在外界周期性激励的作用下进行往复运动，这里以驱动单元的材料选取介电高弹体为例进行说明。如图2所示，当在驱动单元中的一段（驱动单元11）施加第一次电压时（此时驱动单元12上没有电压），这一段驱动单元舒张，通过力放大单元的作用，储能单元被拉伸，在撤去这一段驱动单元（驱动单元11）上的电压的同时对另一段驱动单元（驱动单元12）施加第二次电压（此时驱动单元11上没有电压），由于单向轴承的作用，储能单元维持被拉伸的状态，但驱动单元可以回复到原来的位置，这样一个施加第一次电压——施加第二次电压的循环后（所述的第一次电压和第二次电压的数值可相同或不同），储能单元中就储存了与驱动单元一次循环所做的功等量的能量，每循环一次储能单元中就增加一定的能量。储能单元所能够储存的能量可以是整个储能单元所能储存的最大能量以下的任意值。所述驱动单元11、驱动单元12的智能软材料可以相同或不同。

进一步的，所述力放大单元的材料可以是钢性材料或者是柔性材料，对于与驱动单元连接的力放大单元的部分，由于驱动单元输出的力较小，这部分的材料可以选择弹性模量相对较高的柔性材料，其弹性模量应大于构成驱动单元的智能软材料的弹性模量的10倍以上，以保证其不发生较大的变形。对于与储能单元连接的力放大单元的部分，由于其受到的力比较大，使用柔性材料易发生较大的形变，并且其体积本身小，使用钢性结构基本不影响整个结构的柔性，所以应采用钢性材料，作为优选，应采用比强度高的钛合金。作为优选，当所述的力放大单元为相连的同轴心的两个圆盘时，所述的与驱动单元连接的力放大单元的部分为半径大的圆盘2-1，所述与储能单元连接的力放大单元的部分为半径小的圆盘2-2。

进一步的，所述储能单元选自弹性材料构成的块状结构或其他弹性结构。所述弹性材料为弹性模量大于1MPa，最大拉伸形变大于200%的弹性材料，这样可以保证在单位体积里储能单元可以储存足够大的应变能，同时减轻结构的重量，提高空间利用率。作为优选，应选择高模量的橡胶类材料。所述其他弹性结构可选自弹簧、双稳态梁，所述双稳态梁利用梁在两个稳态之间的变化输出能量。

更进一步的，所述储能单元一次性释放1×10^-3J～2KJ的能量。橡胶类材料的模量大致在0.05～4MP，最大拉伸变形能达到200%，按照弹性力学中弹性能的计算公式，可以计算得到储能单元一次性能储存的应变能为1KJ/m³～200KJ/m³，所述储能单元的体积越大一次性能够释放的能量越多。对于小型的柔性驱动机构，储能单元的大小可取1～10cm³；对于大型柔性驱动机构，储能单元的大小可取1～10dm³，所以储能单元一次性能够释放的能量为1×10^-3J～2KJ。

进一步的，所述驱动单元为智能软材料薄膜，优选的，所述的智能软材料薄膜为管状多层智能软材料薄膜，所述的多层结构可以进一步提高了单个驱动单元的输出力，同时也增加了结构的空间利用率。优选的，所述的智能软材料薄膜的整体形状为短粗结构，更优选的，所述短粗结构最长维度的长度不超过其他维度长度的5倍，这样的结构可以大大提高所述驱动器的稳定性和机械性能。所述智能软材料薄膜可以选自介电高弹体薄膜、离子型EAP薄膜、形状记忆聚合物薄膜、液晶高弹体薄膜等。所述的介电高弹体选自硅胶、橡胶、VHB胶带、聚丙烯酸酯等。

作为优选，应选择介电高弹体薄膜。多个所述的智能软材料薄膜之间可以通过第一传动机构相连接。更优选的，所述智能软材料薄膜可以通过弹性绳串联起来。

当选择介电高弹体薄膜作为驱动单元时，更进一步的，所述介电高弹体薄膜需要在轴向进行预拉伸，所述轴向预拉伸的大小为120%～500%，预拉伸过小无法发挥薄膜的驱动性能，预拉伸过大会导致薄膜产生褶皱。根据所选薄膜材料的不同所选的预拉伸也不同，对于硅胶薄膜，预拉伸值为120%～180%，作为优选，可为150%，对于VHB胶带，预拉伸值为300%～500%，作为优选，可为400%。

更进一步的，所述驱动单元在大于50Hz的外界周期性激励下快速往复变形，并且两段驱动单元（驱动单元11、驱动单元12）所施加的激励相差半个周期的相位。所述智能软材料具有响应快速的特点，通过高频率的外界激励，可以使智能软材料所带动的第一传动机构在单位时间内（例如每秒）达到该材料最大的往复移动的总路程，从而使得驱动单元所带动的力放大单元在单位时间内的往复移动的总路程最大化，最终使得储能单元在单位时间内的拉伸达到最大。两段驱动单元所施加的激励相差半个周期的相位。以介电高弹体薄膜作为驱动单元为例，在零时刻，给其中一段薄膜上施加电压，此时另一段薄膜上没有电压，经过T/2时刻后，将已施加电压的薄膜上的电压撤去，在另一段薄膜上施加电压，再经过T/2时刻重复以上步骤从而使薄膜不断伸缩运动。一次施加电压的周期就是T，两段薄膜上电压相差了T/2。这样一个循环薄膜移动了X的路程，每次循环都会增加X的路程，单位时间内移动的总路程即为循环次数乘以一次的路程X，这里记总路程的大小为Y，上述的加载方式可以使单位时间内的总路程达到最大化，进而经由力放大单元输出的位移也会达到最大化，最后储能单元中储存的能量最大化。由于介电高弹体薄膜本身具有粘弹性，在过高的激励频率下会发生滞后，所以作为优选，外界激励的频率应在100Hz左右，即周期为0.01s。

储能单元在储存到足够的能量之后，就可以将所述的能量一次性释放出去，通过在储能单元与力放大单元之间施加一个控制单元就可以控制储能单元释放时所储存的能量的大小，以及控制储能单元一次性释放能量。所述作用力选自磁力、摩擦力、库仑力。这里以磁力为例进行说明。所述控制单元可以为两个电磁铁，其中一个固定在储能单元上，另一个固定在力放大单元较小的力臂上，在两个电磁铁上通上电流后就可以产生吸引力，所述吸引力的大小与两个电磁铁上所通的电流的大小相关，电磁铁上所通的电流越大，两个磁铁间的吸引力也越大。通过调整电磁铁上所通的电流的大小可以控制储能单元所释放的能量的大小，当储能单元所储存的能量达到要求后，立即断掉电磁铁上的电流，失去约束的储能单元在瞬间将所储存的弹性能释放出去。不同大小的输出能量可以实现不同的功能，较小的输出能量可以实现自主爬行、步行、滚动等功能，较大的输出能量可以实现自主跳跃、突进等功能。

本发明的第二个目的是提供一种柔性驱动机构组，所述的柔性驱动机构组包括以上所述的任意一种结构的柔性驱动机构。本发明的柔性驱动机构可单独工作，也可以多个之间相连接（例如粘接）形成柔性驱动机构组，实现柔性驱动机构的串联、并联组装，例如将两个柔性驱动机构的驱动单元与驱动单元固定起来，力放大单元与力放大单元固定起来、储能单元与储能单元固定起来，就能将柔性驱动机构的输出能量提高一倍，从而提升柔性驱动机构的性能。

本发明的第三个目的是提供一种柔性装置，所述的柔性装置包含一个或多个支撑机构、一个或多个如前所述的柔性驱动机构组。优选的，所述的支撑机构选自柔性框架、柔性外壳。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，柔性能量收集器等。

进一步地，将柔性驱动机构按阵列固定在球形或者圆柱形的柔性外壳内部时就可以实现滚动以及跳跃的功能，根据所选的外壳形状可以有不同的排列，若选择圆柱形外壳，柔性驱动机构则呈环向阵列排列。如选择球形外壳，则柔性驱动机构以经纬线排列。在未遇到障碍物时，所有柔性驱动机构都执行滚动的功能，其控制单元控制储能单元释放较小的能量。当遇到障碍物时，处于底部的柔性驱动机构的控制单元将提高储能单元释放的能量以实现跳跃的功能来越过障碍物，而当需要突进（瞬间加速）的时候，处于后方的柔性驱动机构的控制单元将提高储能单元释放的能量以实现加速的功能。当需要斜向跳跃时，将运行至侧后方的柔性跳跃机构的能量释放掉就可以实现斜向跳跃。将柔性驱动机构与柔性框架相结合时就可以实现步行与爬行的功能，在柔性驱动机构储存与释放能量的过程中，给予柔性框架一个驱动力以实现柔性框架的弯曲、扭转等运动。除了柔性装置自主的控制以外，还可以通过通信单元人为的调控各个控制单元，使储能单元在需要加速的时候释放较大的能量，需要减速的时候释放较少的能量。所述通信单元在近距离时（直线距离小于10米）通过蓝牙，红外线进行控制，在远距离时（直线距离大于10米）通过长波通信、短波通信、2G、2.5G、2.75G、3G、4G、5G 通信方式和后续代的通信方式（5G以上的版本）来进行控制。

进一步的，当选择柔性材料作为外壳时，外壳本身也可以充当储能单元。具体为将力放大机构通过直接与外壳相连接，在驱动单元的作用下外壳受到拉力的作用发生变形，当拉力超过控制单元所设置的力的阈值时，外壳将恢复原本的形状，同时给予地面一个冲击力，完成跳跃的过程。

本发明所述的柔性驱动机构可应用于机器人，玩具，能量收集领域。例如在机器人领域，可利用柔性驱动机构制成侦查用的机器人。在玩具领域柔性驱动机构可以制成全柔性的爬行、滚动玩具，避免了对小孩造成伤害的可能。在能量收集领域，可利用柔性驱动机构制成安放于人体上（如鞋底）的能量收集装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的柔性驱动机构结构简单，通过巧妙的设计，将结构极其简单的驱动单元、力放大单元、控制单元、储能单元结合在一起，使其作为一个整体协同作用，能够实现复杂的、多种形式的运动功能（自主步行、爬行、滚动、跳跃、突进），并且能够实现自主步行、爬行、滚动、跳跃、突进五种运动方式之间的快速切换，能够满足广泛的多样化需求，进一步还可以广泛的与其他外部结构组合实现更多的功能。

2.本发明的柔性驱动机构采用智能软材料作为驱动单元，其机电转换效率高，能量密度大，噪音低，制得的柔性装置（例如柔性机器人）可以不易被探知。

3.本发明的柔性驱动机构的绝大部分都是柔性的结构，抗破坏能力很强，即使受到很大的外压，冲击或摔落都不会造成损坏。由于柔性的结构还具弹性，由本发明的柔性驱动机构制得的柔性装置（例如柔性机器人，柔性玩具，柔性能量收集器），即便受到外界压力产生很大变形，也能在短时间内恢复原形，继续工作。

4.当柔性装置使用球形外壳时，通过对滚动机构的排布，可以实现多个方向的运动与跳跃，有更多的运动自由度。

5. 本发明的柔性驱动机构结构简单，功能强大，成本低廉，方便大规模制造，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为第一驱动机构连接两个驱动单元的结构示意图；

图2为柔性驱动机构的结构示意图；

图3为储能单元、控制单元与传动机构连接的示意图；

图4为圆柱形的外壳与柔性驱动机构相结合的整体示意图；

图5为球形的外壳与柔性驱动机构相结合的整体示意图。

（图中，11、12是驱动单元，2-1是力放大单元中半径大的圆盘，2-2是力放大单元中半径小的圆盘，3是控制单元，4是储能单元，5是单向轴承，6是第二传动机构，13是第一传动机构）。

具体实施方式

以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种柔性驱动机构，由驱动单元11、12，力放大单元2，控制单元3，储能单元4组成，如图1-图3所示，所述的驱动单元为两段管状的VHB4910（一种介电高弹体）薄膜通过第一传动机构13（一根弹性绳13）相连接。所述的力放大单元为两个半径大小不同的同心圆盘2-1、2-2，其半径比为5，半径较大的圆盘2-1开有凹槽，在力放大单元的内部镶嵌有单向轴承5，力放大单元通过传动皮带6与储能单元4通过控制单元3相连接，这里的储能单元4采用的是劲度系数k=1000N/M的弹簧4，控制单元3采用的电磁铁与铁块的组合。

将两段VHB4910分别卷成圆柱状后沿轴向进行四倍的预拉伸后将其与弹性绳13相连，再将弹性绳13连接到半径较大的圆盘2-1上，通过弹性绳13与圆盘2-1之间的摩擦力进行传动。

半径较小的圆盘2-2则通过带有铁块的传动皮带6与带有电磁铁的弹簧4相连接，弹簧4则固定在外壳1上，传动皮带6与力放大单元中半径较小的圆盘2-2通过固定轴固定起来。

当在驱动单元中一段VHB薄膜11上施加5KV电压，这一段VHB薄膜松弛，在受到弹性绳13另一端的VHB薄膜12的拉力作用下，整个大圆盘2-1顺时针转动，带动小圆盘2-2顺时针转动，进而带动传动皮带6顺时针转动，通过电磁铁的作用将弹簧4压缩，在将VHB薄膜11上的电压撤去，在VHB薄膜12上施加5KV电压，由于VHB薄膜12松弛，在弹性绳13另一端的VHB薄膜11的拉力作用下，带动大圆盘2-1沿逆时针方向转动，但由于有单向轴承5的作用，当大圆盘2-1沿逆时针方向运动时，不会给小圆盘2-2施加外力，所以弹簧4还是维持被压缩的状态，重复以上的加电压和撤去电压的步骤，在100Hz的交流电载荷下，驱动单元沿轴向不停地进行往复运动，带动弹性绳13来回运动，进而带动大圆盘2-1来回转动，由于其镶嵌有单向轴承5，大圆盘2-1的来回传动变成了小圆盘2-2的单方向转动，将弹簧4不断地压缩，直到弹簧中所储存的弹性能达到要求后，撤去电磁铁中的电流，弹簧在瞬间与传动皮带6脱离，释放其中储存的弹性能。

图4与图5分别为两种不同外壳与柔性驱动机构相结合的机器人。

图4是柔性驱动机构与圆柱状的外壳相结合得到的机器人，其内部一共部署了4个柔性驱动机构。在平地上移动时，这4个柔性驱动机构单次储存的弹性能较小，每个柔性驱动机构在移动到前方时就将其中储存的能量释放掉以推动结构向前滚动，在其余的时间用来给储能单元充入弹性能。当遇到障碍物的时候，处于下方的柔性驱动机构中电磁铁的电流加大，储能单元所能储存的弹性能增加，当弹性能释放出去的时候可以实现跳跃的功能。当需要瞬间加速的时候，处于后方的柔性驱动机构中电磁铁的电流加大，储能单元所能储存的弹性能增加，当弹性能释放出去的时候可以实现突进的功能。

图5是柔性驱动机构与球状的外壳相结合得到的机器人，其内部一共部署了6个柔性驱动机构，可以控制整个机器人沿四个不同方向进行滚动。在平地上移动时，这6个柔性驱动机构单次储存的弹性能较小，当一个柔性驱动机构移动到水平位置时就将其中储存的能量释放掉以推动结构向该方向滚动，在其余的时间用来给储能单元充入弹性能。当遇到障碍物的时候，处于下方的柔性驱动机构中电磁铁的电流加大，储能单元。所能储存的弹性能增加，当弹性能释放出去的时候可以实现跳跃的功能。当需要瞬间加速的时候，处于后方的柔性驱动机构中电磁铁的电流加大，储能单元所能储存的弹性能增加，当弹性能释放出去的时候可以实现突进的功能。

将柔性驱动机构与柔性框架相结合时就可以实现步行与爬行的功能，在柔性驱动机构储存与释放能量的过程中，给予柔性框架一个驱动力以实现柔性框架的弯曲、扭转等运动。例如一个与人体或动物躯体的形状相似的柔性框架，如果在柔性框架与人体或动物躯体相对应的地方安装上柔性驱动机构，例如在类似人体肘关节的地方安装一个柔性驱动机构就能实现手臂的弯曲，此时将手臂部分的框架作为储能单元，在驱动单元不断施加载荷的时候手臂就会弯曲，如果将框架中储存的能量一次性释放出去就可以实现快速的摆臂，如果将框架中的能量逐渐释放出去就可以实现缓慢的摆臂。同时在框架外侧安装一对柔性驱动机构就能实现手肘的转动，这一对柔性驱动机构的驱动单元同时施加载荷的时候就能够给手臂一个力偶，将其中的能量一次性释放出去就能实现手臂的转动。同样的，人体和动物的关节能够实现的就是不同方向的弯曲和转动，只要在对应的关节位置合理地安装柔性驱动机构就能够实现所有类人以及仿生的动作。

本发明还可以用于制造各种外形的玩具，将柔性框架制成小型的动物（如猫，狗，大象，昆虫等）以及人体的形状，同时将小型的柔性驱动机构安装在这些柔性框架的关节处，同时将小型的电源安装于柔性框架内部，这样就可以实现一个完全模仿人体和动物的玩具。同时一个全柔性的玩具不仅不容易对小孩造成伤害，而且不容易被小孩损坏。

Claims (12)

1.一种柔性驱动机构，其特征在于：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驱动机构的自主步行、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。

2.根据权利要求1所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述的柔性驱动机构进一步包括通信单元，所述的通信单元用于调控所述的控制单元。

3.根据权利要求1所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述的力放大单元为相连的同轴心的两个圆盘。

4.根据权利要求3所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述两个圆盘的半径比≥5。

5.根据权利要求3所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述力放大单元镶嵌有单向轴承，所述单向轴承控制储能单元单向运动以储存能量。

6.根据权利要求1-5任一项所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述驱动单元通过第一传动机构连接力放大单元，再通过第二传动机构与储能单元相连，所述的第一传动机构和第二传动机构可相同或不同。

7.根据权利要求1-5任一项所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述储能单元选自弹性材料构成的块状结构或其他弹性结构。

8.根据权利要求1-5任一项所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述驱动单元为智能软材料薄膜。

9.根据权利要求8所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述的智能软材料薄膜为管状多层智能软材料薄膜或者所述的智能软材料薄膜的整体形状为短粗结构。

10.根据权利要求1-5任一项所述的柔性驱动机构，其特征在于：所述控制单元为可以改变相互间作用力的物体。

11.一种柔性驱动机构组，其特征在于：所述的柔性驱动机构组包含多个权利要求1-10任一项所述的柔性驱动机构。

12.一种柔性装置，其特征在于：所述的柔性装置包含一个或多个支撑机构、一个或多个权利要求11所述的柔性驱动机构组。