本實(shí)用新型涉及柔性機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種能夠集成實(shí)現(xiàn)自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，對(duì)于墓室的探測(cè)、外星球的探索、軍事偵察以及反恐偵察等類似危險(xiǎn)的活動(dòng)，人們多采用機(jī)器人來代替人類本身進(jìn)行探測(cè)。上述場(chǎng)合一般地勢(shì)較為復(fù)雜，且存在各種障礙物，這就要求探測(cè)機(jī)器人具有多種運(yùn)動(dòng)能力、很高的運(yùn)動(dòng)自由度以越過這些障礙。當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式大多只能實(shí)現(xiàn)單一的運(yùn)動(dòng)方式，例如，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)步行、爬行、滾動(dòng)或跳躍，也有少量的機(jī)器人能同時(shí)實(shí)現(xiàn)其中兩種功能。并且當(dāng)前機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要是通過電機(jī)帶動(dòng)剛性結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其中包含許多凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導(dǎo)柱等剛性傳動(dòng)零件，剛性材料的采用使得機(jī)器人在受到外界沖擊時(shí)易產(chǎn)生錯(cuò)位、損壞等問題，同時(shí)由于剛性結(jié)構(gòu)之間潤(rùn)滑有限，在運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生較大噪聲。中國(guó)專利CN201010617013.5報(bào)道的機(jī)器人垂直彈跳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括多種如前所述的剛性傳動(dòng)零件，加工與組裝困難，結(jié)構(gòu)笨重，運(yùn)行時(shí)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(dòng)、跳躍、突進(jìn)多種功能于一體的，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工的機(jī)器人。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用智能軟材料的本征應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的，能夠?qū)崿F(xiàn)集自主步行(walk)、爬行(climb)、滾動(dòng)(scroll)、跳躍(bounce)和突進(jìn)多種功能于一體的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也就是，本實(shí)用新型所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠自主實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)，包括自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍和突進(jìn)，集各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式于一體，上述的五種運(yùn)動(dòng)方式均為自主運(yùn)動(dòng)，即：自主步行、自主爬行、自主滾動(dòng)、自主跳躍和自主突進(jìn)。所述的突進(jìn)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(dòng)、跳躍和突進(jìn)是指可以進(jìn)行例如類似于人類的步行、蠕蟲的爬行、潮蟲的滾動(dòng)、跳蚤的跳躍(數(shù)倍于自體的身長(zhǎng))、大齒猛蟻的突進(jìn)(在極短的時(shí)間內(nèi)可以瞬間加速到10m/s)的運(yùn)動(dòng)，而不需要借助電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、棘輪、棘爪、軸承、鉸鏈、導(dǎo)柱等)來實(shí)現(xiàn)自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍和突進(jìn)。

所述的本征應(yīng)變是指材料在外加激勵(lì)，例如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、光場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熱磁場(chǎng)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(dòng)力能使柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(lì)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(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)柔性的驅(qū)動(dòng)裝置，充當(dāng)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(dòng)機(jī)構(gòu)可以與支撐機(jī)構(gòu)組合發(fā)揮更大的作用，所述的支撐機(jī)構(gòu)可以選自柔性框架、柔性外殼。柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與支撐機(jī)構(gòu)組合成柔性裝置之后，通過柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來進(jìn)行儲(chǔ)能以及釋放能量，能夠使得支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，也能使支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行滾動(dòng)、跳躍等運(yùn)動(dòng)。所述的柔性裝置是指有特定功能的柔性器件，例如柔性機(jī)器人，柔性玩具，柔性能量收集器。也就是，本實(shí)用新型所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠讓柔性裝置(例如，柔性機(jī)器人等)不僅能實(shí)現(xiàn)像真實(shí)人類一樣靈活的、多種運(yùn)動(dòng)方式，而且還能實(shí)現(xiàn)人類難以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式(例如：滾動(dòng)和突進(jìn))。

為解決本實(shí)用新型的技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案：

一種柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)單元、力放大單元、控制單元、儲(chǔ)能單元，所述的驅(qū)動(dòng)單元利用智能軟材料的本征應(yīng)變產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力；所述的驅(qū)動(dòng)單元不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且通過力放大單元將能量輸入到儲(chǔ)能單元中；所述控制單元控制儲(chǔ)能單元一次性釋放儲(chǔ)存的能量以實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)構(gòu)的自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)；所述的控制單元控制輸出能量的大小以實(shí)現(xiàn)所述的自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)五種運(yùn)動(dòng)方式之間的切換；所述跳躍的方向?yàn)槿我獾姆较颍梢允侨我獾那啊⒑蟆⑸稀⑾隆⒆蟆⒂曳较颍部梢允撬健⒋怪薄A斜任意角度的方向。所述的切換可以是很快速的。

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

所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(yīng)變后仍能夠恢復(fù)初始狀態(tài)。優(yōu)選的，驅(qū)動(dòng)單元、儲(chǔ)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(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(huì)影響到整個(gè)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(jìn)一步地，所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(yuǎn)程控制所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。所述通信單元的通信方式為無線通信，可以選自藍(lán)牙、WIFI、紅外線、長(zhǎng)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(dòng)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(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述的驅(qū)動(dòng)單元的尺寸可以為0.1mm～2dm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積約為0.1mm³～1000dm³。作為優(yōu)選，所述驅(qū)動(dòng)單元的尺寸為1mm～0.5dm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積約為100mm³～10dm³。更進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)單元的尺寸為0.5cm～2cm，相應(yīng)的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積約為10cm³～1000cm³。

進(jìn)一步地，所述的力放大單元分別連接所述的驅(qū)動(dòng)單元和所述的儲(chǔ)能單元。

進(jìn)一步地，所述的驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量為兩個(gè)以上，所述的驅(qū)動(dòng)單元之間通過第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接。

進(jìn)一步地，所述的力放大單元為相連的同軸心的兩個(gè)圓盤，優(yōu)選的，所述兩個(gè)圓盤的半徑比≥5。如圖2所示，將驅(qū)動(dòng)單元與儲(chǔ)能單元分別連接在力放大單元(同軸心的兩個(gè)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(dòng)單元連接在大圓盤2-1上，也就是驅(qū)動(dòng)單元所連接的一端半徑大，力臂較長(zhǎng)，所述的儲(chǔ)能單元連接在小圓盤2-2上，也就是儲(chǔ)能單元所連接的一端半徑小，力臂較短，兩個(gè)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(dòng)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(dòng)單元的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及更好的輸出力和位移，本實(shí)用新型采用兩個(gè)圓盤來進(jìn)行力的放大，此時(shí)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(chǔ)能單元所需的力的大小可以任意調(diào)整。驅(qū)動(dòng)單元經(jīng)由力放大單元將力放大后作用于儲(chǔ)能單元上，輸出的力需要能夠?qū)?chǔ)能單元拉伸到一定程度，所以力放大單元兩個(gè)圓盤的半徑比不能過小，過小的半徑比將無法充分拉伸儲(chǔ)能單元。但同時(shí)力放大單元在放大輸出力的同時(shí)縮小了輸出位移，需要通過驅(qū)動(dòng)單元的反復(fù)運(yùn)動(dòng)來積累位移，過大的半徑比會(huì)導(dǎo)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(gè)機(jī)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(gè)圓盤的半徑比應(yīng)在5～20之間。

進(jìn)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(kù)侖力。優(yōu)選的，所述的控制單元為成對(duì)的物體。當(dāng)所述作用力為磁力時(shí)，所述物體可以為一對(duì)電磁鐵，或者一個(gè)電磁鐵與一個(gè)磁鐵(或鐵塊)；當(dāng)所述作用力為摩擦力時(shí)，所述物體可以為一對(duì)相互之間有摩擦力的摩擦片；當(dāng)所述作用力為庫(kù)侖力時(shí)，所述的物體可以為一對(duì)帶有異種電荷的電容。

進(jìn)一步地，所述驅(qū)動(dòng)單元通過第一傳動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)與儲(chǔ)能單元相連接。優(yōu)選的，第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與儲(chǔ)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(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)與儲(chǔ)能單元上。這樣依次連接才能最大程度地發(fā)揮驅(qū)動(dòng)單元，力放大單元，控制單元以及儲(chǔ)能單元的協(xié)同性能。所述的第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可相同或不同。所述第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以選自鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)都包含了鋼性部件，皮帶傳動(dòng)是柔性結(jié)構(gòu)，為了盡可能減少鋼性部件，作為優(yōu)選，應(yīng)選皮帶傳動(dòng)。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(jìn)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(chǔ)能單元單向運(yùn)動(dòng)以儲(chǔ)存能量。驅(qū)動(dòng)單元通過力放大單元將輸出力放大后作用到儲(chǔ)能單元上，但同時(shí)也減小了輸出位移，為了彌補(bǔ)位移的損失，在力放大單元中增加了一個(gè)單向軸承。力放大單元中力臂較長(zhǎng)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(dòng)單元在外界周期性激勵(lì)的作用下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這里以驅(qū)動(dòng)單元的材料選取介電高彈體為例進(jìn)行說明。如圖2所示，當(dāng)在驅(qū)動(dòng)單元中的一段(驅(qū)動(dòng)單元11)施加第一次電壓時(shí)(此時(shí)驅(qū)動(dòng)單元12上沒有電壓)，這一段驅(qū)動(dòng)單元舒張，通過力放大單元的作用，儲(chǔ)能單元被拉伸，在撤去這一段驅(qū)動(dòng)單元(驅(qū)動(dòng)單元11)上的電壓的同時(shí)對(duì)另一段驅(qū)動(dòng)單元(驅(qū)動(dòng)單元12)施加第二次電壓(此時(shí)驅(qū)動(dòng)單元11上沒有電壓)，由于單向軸承的作用，儲(chǔ)能單元維持被拉伸的狀態(tài)，但驅(qū)動(dòng)單元可以回復(fù)到原來的位置，這樣一個(gè)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(chǔ)能單元中就儲(chǔ)存了與驅(qū)動(dòng)單元一次循環(huán)所做的功等量的能量，每循環(huán)一次儲(chǔ)能單元中就增加一定的能量。儲(chǔ)能單元所能夠儲(chǔ)存的能量可以是整個(gè)儲(chǔ)能單元所能儲(chǔ)存的最大能量以下的任意值。所述驅(qū)動(dòng)單元11、驅(qū)動(dòng)單元12的智能軟材料可以相同或不同。

進(jìn)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(duì)于與驅(qū)動(dòng)單元連接的力放大單元的部分，由于驅(qū)動(dòng)單元輸出的力較小，這部分的材料可以選擇彈性模量相對(duì)較高的柔性材料，其彈性模量應(yīng)大于構(gòu)成驅(qū)動(dòng)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(duì)于與儲(chǔ)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(gè)結(jié)構(gòu)的柔性，所以應(yīng)采用鋼性材料，作為優(yōu)選，應(yīng)采用比強(qiáng)度高的鈦合金。作為優(yōu)選，當(dāng)所述的力放大單元為相連的同軸心的兩個(gè)圓盤時(shí)，所述的與驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能單元連接的力放大單元的部分為半徑小的圓盤2-2。

進(jìn)一步的，所述儲(chǔ)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(chǔ)能單元可以儲(chǔ)存足夠大的應(yīng)變能，同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)的重量，提高空間利用率。作為優(yōu)選，應(yīng)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(gè)穩(wěn)態(tài)之間的變化輸出能量。

更進(jìn)一步的，所述儲(chǔ)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(dá)到200％，按照彈性力學(xué)中彈性能的計(jì)算公式，可以計(jì)算得到儲(chǔ)能單元一次性能儲(chǔ)存的應(yīng)變能為1KJ/m³～200KJ/m³，所述儲(chǔ)能單元的體積越大一次性能夠釋放的能量越多。對(duì)于小型的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)能單元的大小可取1～10cm³；對(duì)于大型柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)能單元的大小可取1～10dm³，所以儲(chǔ)能單元一次性能夠釋放的能量為1×10^-3J～2KJ。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)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(jìn)一步提高了單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的輸出力，同時(shí)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(zhǎng)維度的長(zhǎng)度不超過其他維度長(zhǎng)度的5倍，這樣的結(jié)構(gòu)可以大大提高所述驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性和機(jī)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(yīng)選擇介電高彈體薄膜。多個(gè)所述的智能軟材料薄膜之間可以通過第一傳動(dòng)機(jī)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(dāng)選擇介電高彈體薄膜作為驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，更進(jìn)一步的，所述介電高彈體薄膜需要在軸向進(jìn)行預(yù)拉伸，所述軸向預(yù)拉伸的大小為120％～500％，預(yù)拉伸過小無法發(fā)揮薄膜的驅(qū)動(dòng)性能，預(yù)拉伸過大會(huì)導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生褶皺。根據(jù)所選薄膜材料的不同所選的預(yù)拉伸也不同，對(duì)于硅膠薄膜，預(yù)拉伸值為120％～180％，作為優(yōu)選，可為150％，對(duì)于VHB膠帶，預(yù)拉伸值為300％～500％，作為優(yōu)選，可為400％。

更進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)單元在大于50Hz的外界周期性激勵(lì)下快速往復(fù)變形，并且兩段驅(qū)動(dòng)單元(驅(qū)動(dòng)單元11、驅(qū)動(dòng)單元12)所施加的激勵(lì)相差半個(gè)周期的相位。所述智能軟材料具有響應(yīng)快速的特點(diǎn)，通過高頻率的外界激勵(lì)，可以使智能軟材料所帶動(dòng)的第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在單位時(shí)間內(nèi)(例如每秒)達(dá)到該材料最大的往復(fù)移動(dòng)的總路程，從而使得驅(qū)動(dòng)單元所帶動(dòng)的力放大單元在單位時(shí)間內(nèi)的往復(fù)移動(dòng)的總路程最大化，最終使得儲(chǔ)能單元在單位時(shí)間內(nèi)的拉伸達(dá)到最大。兩段驅(qū)動(dòng)單元所施加的激勵(lì)相差半個(gè)周期的相位。以介電高彈體薄膜作為驅(qū)動(dòng)單元為例，在零時(shí)刻，給其中一段薄膜上施加電壓，此時(shí)另一段薄膜上沒有電壓，經(jīng)過T/2時(shí)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(shí)刻重復(fù)以上步驟從而使薄膜不斷伸縮運(yùn)動(dòng)。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(gè)循環(huán)薄膜移動(dòng)了X的路程，每次循環(huán)都會(huì)增加X的路程，單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)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(shí)間內(nèi)的總路程達(dá)到最大化，進(jìn)而經(jīng)由力放大單元輸出的位移也會(huì)達(dá)到最大化，最后儲(chǔ)能單元中儲(chǔ)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(lì)頻率下會(huì)發(fā)生滯后，所以作為優(yōu)選，外界激勵(lì)的頻率應(yīng)在100Hz左右，即周期為0.01s。

儲(chǔ)能單元在儲(chǔ)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(chǔ)能單元與力放大單元之間施加一個(gè)控制單元就可以控制儲(chǔ)能單元釋放時(shí)所儲(chǔ)存的能量的大小，以及控制儲(chǔ)能單元一次性釋放能量。所述作用力選自磁力、摩擦力、庫(kù)侖力。這里以磁力為例進(jìn)行說明。所述控制單元可以為兩個(gè)電磁鐵，其中一個(gè)固定在儲(chǔ)能單元上，另一個(gè)固定在力放大單元較小的力臂上，在兩個(gè)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(gè)電磁鐵上所通的電流的大小相關(guān)，電磁鐵上所通的電流越大，兩個(gè)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(chǔ)能單元所釋放的能量的大小，當(dāng)儲(chǔ)能單元所儲(chǔ)存的能量達(dá)到要求后，立即斷掉電磁鐵上的電流，失去約束的儲(chǔ)能單元在瞬間將所儲(chǔ)存的彈性能釋放出去。不同大小的輸出能量可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，較小的輸出能量可以實(shí)現(xiàn)自主爬行、步行、滾動(dòng)等功能，較大的輸出能量可以實(shí)現(xiàn)自主跳躍、突進(jìn)等功能。

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

本實(shí)用新型的第三個(gè)目的是提供一種柔性裝置，所述的柔性裝置包含一個(gè)或多個(gè)支撐機(jī)構(gòu)、一個(gè)或多個(gè)如前所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組。優(yōu)選的，所述的支撐機(jī)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(jī)器人，柔性玩具，柔性能量收集器等。

進(jìn)一步地，將柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按陣列固定在球形或者圓柱形的柔性外殼內(nèi)部時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)則呈環(huán)向陣列排列。如選擇球形外殼，則柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以經(jīng)緯線排列。在未遇到障礙物時(shí)，所有柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都執(zhí)行滾動(dòng)的功能，其控制單元控制儲(chǔ)能單元釋放較小的能量。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，處于底部的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制單元將提高儲(chǔ)能單元釋放的能量以實(shí)現(xiàn)跳躍的功能來越過障礙物，而當(dāng)需要突進(jìn)(瞬間加速)的時(shí)候，處于后方的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制單元將提高儲(chǔ)能單元釋放的能量以實(shí)現(xiàn)加速的功能。當(dāng)需要斜向跳躍時(shí)，將運(yùn)行至側(cè)后方的柔性跳躍機(jī)構(gòu)的能量釋放掉就可以實(shí)現(xiàn)斜向跳躍。將柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與柔性框架相結(jié)合時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)步行與爬行的功能，在柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存與釋放能量的過程中，給予柔性框架一個(gè)驅(qū)動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)柔性框架的彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。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(gè)控制單元，使儲(chǔ)能單元在需要加速的時(shí)候釋放較大的能量，需要減速的時(shí)候釋放較少的能量。所述通信單元在近距離時(shí)(直線距離小于10米)通過藍(lán)牙，紅外線進(jìn)行控制，在遠(yuǎn)距離時(shí)(直線距離大于10米)通過長(zhǎng)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(jìn)行控制。

進(jìn)一步的，當(dāng)選擇柔性材料作為外殼時(shí)，外殼本身也可以充當(dāng)儲(chǔ)能單元。具體為將力放大機(jī)構(gòu)通過直接與外殼相連接，在驅(qū)動(dòng)單元的作用下外殼受到拉力的作用發(fā)生變形，當(dāng)拉力超過控制單元所設(shè)置的力的閾值時(shí)，外殼將恢復(fù)原本的形狀，同時(shí)給予地面一個(gè)沖擊力，完成跳躍的過程。

本實(shí)用新型所述的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可應(yīng)用于機(jī)器人，玩具，能量收集領(lǐng)域。例如在機(jī)器人領(lǐng)域，可利用柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)制成偵查用的機(jī)器人。在玩具領(lǐng)域柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以制成全柔性的爬行、滾動(dòng)玩具，避免了對(duì)小孩造成傷害的可能。在能量收集領(lǐng)域，可利用柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于：

1.本實(shí)用新型的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過巧妙的設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)單元、力放大單元、控制單元、儲(chǔ)能單元結(jié)合在一起，使其作為一個(gè)整體協(xié)同作用，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的、多種形式的運(yùn)動(dòng)功能(自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn))，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自主步行、爬行、滾動(dòng)、跳躍、突進(jìn)五種運(yùn)動(dòng)方式之間的快速切換，能夠滿足廣泛的多樣化需求，進(jìn)一步還可以廣泛的與其他外部結(jié)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)更多的功能。

2.本實(shí)用新型的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用智能軟材料作為驅(qū)動(dòng)單元，其機(jī)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(jī)器人)可以不易被探知。

3.本實(shí)用新型的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的絕大部分都是柔性的結(jié)構(gòu)，抗破壞能力很強(qiáng)，即使受到很大的外壓，沖擊或摔落都不會(huì)造成損壞。由于柔性的結(jié)構(gòu)還具彈性，由本實(shí)用新型的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)制得的柔性裝置(例如柔性機(jī)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(shí)間內(nèi)恢復(fù)原形，繼續(xù)工作。

4.當(dāng)柔性裝置使用球形外殼時(shí)，通過對(duì)滾動(dòng)機(jī)構(gòu)的排布，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)與跳躍，有更多的運(yùn)動(dòng)自由度。

5.本實(shí)用新型的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，成本低廉，方便大規(guī)模制造，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為儲(chǔ)能單元、控制單元與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的示意圖；

圖4為圓柱形的外殼與柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的整體示意圖。

(圖中，11、12是驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能單元，5是單向軸承，6是第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，13是第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu))

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實(shí)用新型講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)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(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實(shí)用新型提供了一種柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)單元11、12，力放大單元2，控制單元3，儲(chǔ)能單元4組成，如圖1-圖3所示，所述的驅(qū)動(dòng)單元為兩段管狀的VHB4910(一種介電高彈體)薄膜通過第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)13(一根彈性繩13)相連接。所述的力放大單元為兩個(gè)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(dòng)皮帶6與儲(chǔ)能單元4通過控制單元3相連接，這里的儲(chǔ)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(jìn)行四倍的預(yù)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(jìn)行傳動(dòng)。

半徑較小的圓盤2-2則通過帶有鐵塊的傳動(dòng)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(dòng)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(dāng)在驅(qū)動(dòng)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(gè)大圓盤2-1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小圓盤2-2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)皮帶6順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)大圓盤2-1沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于有單向軸承5的作用，當(dāng)大圓盤2-1沿逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)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(fù)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(dòng)單元沿軸向不停地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)彈性繩13來回運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)大圓盤2-1來回轉(zhuǎn)動(dòng)，由于其鑲嵌有單向軸承5，大圓盤2-1的來回傳動(dòng)變成了小圓盤2-2的單方向轉(zhuǎn)動(dòng)，將彈簧4不斷地壓縮，直到彈簧中所儲(chǔ)存的彈性能達(dá)到要求后，撤去電磁鐵中的電流，彈簧在瞬間與傳動(dòng)皮帶6脫離，釋放其中儲(chǔ)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(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的機(jī)器人。

圖4是柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與圓柱狀的外殼相結(jié)合得到的機(jī)器人，其內(nèi)部一共部署了4個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在平地上移動(dòng)時(shí)，這4個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)單次儲(chǔ)存的彈性能較小，每個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在移動(dòng)到前方時(shí)就將其中儲(chǔ)存的能量釋放掉以推動(dòng)結(jié)構(gòu)向前滾動(dòng)，在其余的時(shí)間用來給儲(chǔ)能單元充入彈性能。當(dāng)遇到障礙物的時(shí)候，處于下方的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲(chǔ)能單元所能儲(chǔ)存的彈性能增加，當(dāng)彈性能釋放出去的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)跳躍的功能。當(dāng)需要瞬間加速的時(shí)候，處于后方的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲(chǔ)能單元所能儲(chǔ)存的彈性能增加，當(dāng)彈性能釋放出去的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)突進(jìn)的功能。

圖5是柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與球狀的外殼相結(jié)合得到的機(jī)器人，其內(nèi)部一共部署了6個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以控制整個(gè)機(jī)器人沿四個(gè)不同方向進(jìn)行滾動(dòng)。在平地上移動(dòng)時(shí)，這6個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)單次儲(chǔ)存的彈性能較小，當(dāng)一個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)到水平位置時(shí)就將其中儲(chǔ)存的能量釋放掉以推動(dòng)結(jié)構(gòu)向該方向滾動(dòng)，在其余的時(shí)間用來給儲(chǔ)能單元充入彈性能。當(dāng)遇到障礙物的時(shí)候，處于下方的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲(chǔ)能單元。所能儲(chǔ)存的彈性能增加，當(dāng)彈性能釋放出去的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)跳躍的功能。當(dāng)需要瞬間加速的時(shí)候，處于后方的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電磁鐵的電流加大，儲(chǔ)能單元所能儲(chǔ)存的彈性能增加，當(dāng)彈性能釋放出去的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)突進(jìn)的功能。

將柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與柔性框架相結(jié)合時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)步行與爬行的功能，在柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存與釋放能量的過程中，給予柔性框架一個(gè)驅(qū)動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)柔性框架的彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。例如一個(gè)與人體或動(dòng)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(dòng)物軀體相對(duì)應(yīng)的地方安裝上柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如在類似人體肘關(guān)節(jié)的地方安裝一個(gè)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)手臂的彎曲，此時(shí)將手臂部分的框架作為儲(chǔ)能單元，在驅(qū)動(dòng)單元不斷施加載荷的時(shí)候手臂就會(huì)彎曲，如果將框架中儲(chǔ)存的能量一次性釋放出去就可以實(shí)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(shí)現(xiàn)緩慢的擺臂。同時(shí)在框架外側(cè)安裝一對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)手肘的轉(zhuǎn)動(dòng)，這一對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)施加載荷的時(shí)候就能夠給手臂一個(gè)力偶，將其中的能量一次性釋放出去就能實(shí)現(xiàn)手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣的，人體和動(dòng)物的關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)的就是不同方向的彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，只要在對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)位置合理地安裝柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)所有類人以及仿生的動(dòng)作。

本實(shí)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(dòng)物(如貓，狗，大象，昆蟲等)以及人體的形狀，同時(shí)將小型的柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在這些柔性框架的關(guān)節(jié)處，同時(shí)將小型的電源安裝于柔性框架內(nèi)部，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全模仿人體和動(dòng)物的玩具。同時(shí)一個(gè)全柔性的玩具不僅不容易對(duì)小孩造成傷害，而且不容易被小孩損壞。