專利名稱：可變形貌式雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物機(jī)器人爬行腳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可變形貌式雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物機(jī)器人爬行腳。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有機(jī)器人的爬行腳底面采用剛性或者不可變的柔性表面，其爬行效果差、柔性差、仿生能力差等問題，從而解決現(xiàn)有技術(shù)很難在航空航天、人工肌肉、面部表情等領(lǐng)域應(yīng)用。本發(fā)明是利用一種新型聚(丙烯酸叔丁酯)，它是一種新型聚合物(BSEP)。它能夠剛性對剛性的驅(qū)動，并且結(jié)合了介電彈性體和形狀記憶的特性，具有大變形的驅(qū)動特性。同時通過引入一種材料方法克服了它的拉伸不穩(wěn)定特點(diǎn)。此外材料可同時記憶多種納米尺度形貌，通過控制溫度和電壓可使其形貌逐步轉(zhuǎn)變。他有一個略高于周圍環(huán)境的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)，當(dāng)加熱到Tg時，這種材料就會變成類似橡膠的彈性體。當(dāng)降低溫度和除去驅(qū)動電壓時形狀不變。這種結(jié)構(gòu)是雙穩(wěn)態(tài)的。這個過程是可逆的和重復(fù)的，直到電解質(zhì)破壞或者機(jī)械疲勞。這使得這種材料能夠有一個很好的形貌變化。聚(丙烯酸叔丁酯)(PTBA)通過UV合成為雙穩(wěn)態(tài)電活性聚合物。通過這種方式合成的聚合物結(jié)構(gòu)呈線性，使得他在室溫條件下具有熱縮性。好處是這種聚合物在溶劑中可溶且很容易處理成薄膜，例如在甲苯中。通過對外部電場的控制，使得BESP的形貌發(fā)生改變，進(jìn)而改變粗糙程度達(dá)到改變摩擦力的效果。此外，這種材料的制造過程具有可擴(kuò)展性和兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它有很好的形狀記憶屬性，應(yīng)變100%恢復(fù)和形狀記憶98%恢復(fù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過運(yùn)用雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物(包含形狀記憶和介電彈性的新的聚合物)改變以往被動改變機(jī)器人爬行腳下表面的粗糙程度、仿生能力、柔韌性等問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)如下:一種可變形貌式雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物機(jī)器人爬行腳機(jī)構(gòu)，包括兩個爬行腳和驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置的兩端分別與兩個爬行腳連接，所述的爬行腳底部覆蓋有膜片執(zhí)行器，所述的膜片執(zhí)行器包括層狀聚丙烯酸叔丁酯膜、加熱器元件陣列和硅膠板，硅膠板上以平均間隔開有多個鏤空的孔，加熱器元件陣列上面覆有層狀聚丙烯酸叔丁酯膜，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜上覆有硅膠板；層狀聚丙烯酸叔丁酯膜和加熱器元件陣列分別設(shè)置有兩個電極的引出端；當(dāng)向前爬行時:第一爬行腳和第二爬行腳分別受到驅(qū)動裝置的驅(qū)動力驅(qū)動，同時對第一爬行腳底部覆蓋的膜片執(zhí)行器施加電壓，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜發(fā)生突起；第二爬行腳的膜片執(zhí)行器形貌不發(fā)生變化；驅(qū)動力小于第一爬行腳的最大靜摩擦力大于第二爬行腳的最大靜摩擦力，驅(qū)動裝置給第二爬行腳向前運(yùn)動的作用力，第一爬行腳保持靜止，第二爬行腳向前運(yùn)動；當(dāng)?shù)诙佬心_的最大靜摩擦力大于第一爬行腳的最大靜摩擦力時，使得第二爬行腳保持靜止，第一爬行腳向前運(yùn)動，如此往復(fù)的驅(qū)動，促使機(jī)器人向前爬行；當(dāng)向后爬行時:第一爬行腳和第二爬行腳分別會受到驅(qū)動裝置的驅(qū)動力驅(qū)動，同時對第二爬行腳底部覆蓋的膜片執(zhí)行器施加電壓，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜發(fā)生突起；第一爬行腳的膜片執(zhí)行器形貌不發(fā)生變化；驅(qū)動力小于第二爬行腳的最大靜摩擦力大于第一爬行腳的最大靜摩擦力，使得第二爬行腳保持靜止第一爬行腳向后運(yùn)動；第一爬行腳的最大靜摩擦力大于第二爬行腳的最大靜摩擦力時，使得第一爬行腳保持靜止，第二爬行腳向后運(yùn)動，如此往復(fù)的驅(qū)動，促使機(jī)器人向后爬行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:本發(fā)明具有所需響應(yīng)時間相對短、體積小、耗電量小、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重量輕、柔性好、仿生性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物薄膜是一種智能高分子材料，它能夠在外加電場作用下，通過材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而伸縮、彎曲、束緊和膨脹。本發(fā)明在面部表情、航空航天、機(jī)器人、機(jī)器昆蟲、人工肌肉、噪聲控制、觸覺接口、肌肉的復(fù)位與增長、液體和氣體流量控制等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。此技術(shù)通過改變其材料形貌(納米級別)增加表面粗糙成度，也可以增強(qiáng)材料的對膠接強(qiáng)度，同時在可變性細(xì)胞，可調(diào)節(jié)疏水性能方面有巨大潛在應(yīng)用價值。


圖1是爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖‘圖2是機(jī)器人爬行腳底部膜片執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式實施例1如圖1-2所示，一種可變形貌式雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物機(jī)器人爬行腳機(jī)構(gòu)，包括兩個爬行腳1.2和驅(qū)動裝置3，驅(qū)動裝置3的兩端分別與兩個爬行腳1.2連接，所述的爬行腳底部覆蓋有膜片執(zhí)行器4，所述的膜片執(zhí)行器4包括層狀聚丙烯酸叔丁酯膜5、加熱器元件陣列6和硅膠板7，硅膠板7上以平均間隔開有多個鏤空的孔，加熱器元件陣列6上面覆有層狀聚丙烯酸叔丁酯膜7，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜5上覆有硅膠板6 ;層狀聚丙烯酸叔丁酯膜5和加熱器元件陣列6分別設(shè)置有兩個電極的引出端；驅(qū)動裝置3由電腦控制；當(dāng)向前爬行時:第一爬行腳I和第二爬行腳2分別受到驅(qū)動裝置3的驅(qū)動力驅(qū)動，同時對第一爬行腳I底部覆蓋的膜片執(zhí)行器4施加電壓，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜7在Maxwell力作用下和加熱器元件陣列6的作用下發(fā)生突起，增大第一爬行腳I的膜片執(zhí)行器表面的粗糙程度；而第二爬行腳2的膜片執(zhí)行器形貌不發(fā)生變化；第一爬行腳I底面粗糙度大于第二爬行腳2底面的粗糙度，所以第一爬行腳I的最大靜摩擦力大于第二爬行腳2的最大靜摩擦力；驅(qū)動力小于第一爬行腳I的最大靜摩擦力大于第二爬行腳2的最大靜摩擦力，使得驅(qū)動裝置給第二爬行腳2向前運(yùn)動的作用力，使得第一爬行腳I保持靜止，第二爬行腳2向前運(yùn)動；當(dāng)?shù)诙佬心_2的最大靜摩擦力大于第一爬行腳I的最大靜摩擦力時，使得第二爬行腳2保持靜止，第一爬行腳I向前運(yùn)動，如此往復(fù)的驅(qū)動，促使機(jī)器人向前爬行。當(dāng)向后爬行時:
第一爬行腳I和第二爬行腳2分別會受到驅(qū)動裝置的驅(qū)動力驅(qū)動，同時對第二爬行腳2底部覆蓋的膜片執(zhí)行器4施加電壓，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜5在Maxwell力作用下和加熱器元件陣列的作用下發(fā)生突起，而增大第二爬行腳膜片執(zhí)行器表面的粗糙程度；第一爬行腳I的膜片執(zhí)行器形貌不發(fā)生變化；第二爬行腳2底面粗糙度大于第一爬行腳I底面的粗糙度，第二爬行腳2的最大靜摩擦力大于第一爬行腳I的最大靜摩擦力，當(dāng)驅(qū)動力小于第二爬行腳2的最大靜摩擦力大于第一爬行腳I的最大靜摩擦力，使得第二爬行腳2保持靜止第一爬行腳I向后運(yùn)動；當(dāng)?shù)谝慌佬心_I的最大靜摩擦力大于第二爬行腳2的最大靜摩擦力時，使得第一爬行腳I保持靜止，第二爬行腳2向后運(yùn)動，如此往復(fù)的驅(qū)動，促使機(jī)器人向后爬行。
權(quán)利要求
1.一種可變形貌式雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物機(jī)器人爬行腳機(jī)構(gòu)，包括兩個爬行腳和驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置的兩端分別與兩個爬行腳連接，其特征在于:所述的爬行腳底部覆蓋有膜片執(zhí)行器，所述的膜片執(zhí)行器包括層狀聚丙烯酸叔丁酯膜、加熱器元件陣列和硅膠板，硅膠板上以平均間隔開有多個鏤空的孔，加熱器元件陣列上面覆有層狀聚丙烯酸叔丁酯膜，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜上覆有硅膠板；層狀聚丙烯酸叔丁酯膜和加熱器元件陣列分別設(shè)置有兩個電極的引出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可變形貌式雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物機(jī)器人爬行腳機(jī)構(gòu)，其特征在于: 當(dāng)向前爬行時: 第一爬行腳和第二爬行腳分別受到驅(qū)動裝置的驅(qū)動力驅(qū)動，同時對第一爬行腳底部覆蓋的膜片執(zhí)行器施加電壓，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜發(fā)生突起；第二爬行腳的膜片執(zhí)行器形貌不發(fā)生變化；驅(qū)動力小于第一爬行腳的最大靜摩擦力大于第二爬行腳的最大靜摩擦力，驅(qū)動裝置給第二爬行腳向前運(yùn)動的作用力，第一爬行腳保持靜止，第二爬行腳向前運(yùn)動；當(dāng)?shù)诙佬心_的最大靜摩擦力大于第一爬行腳的最大靜摩擦力時，使得第二爬行腳保持靜止，第一爬行腳向前運(yùn)動，如此往復(fù)的驅(qū)動，促使機(jī)器人向前爬行； 當(dāng)向后爬行時: 第一爬行腳和第二爬行腳分別會受到驅(qū)動裝置的驅(qū)動力驅(qū)動，同時對第二爬行腳底部覆蓋的膜片執(zhí)行器施加電壓，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜發(fā)生突起；第一爬行腳的膜片執(zhí)行器形貌不發(fā)生變化；驅(qū)動力小于第二爬行腳的最大靜摩擦力大于第一爬行腳的最大靜摩擦力，使得第二爬行腳保持靜止第一爬行腳向后運(yùn)動；第一爬行腳的最大靜摩擦力大于第二爬行腳的最大靜摩擦力時，使得第一爬行腳保持靜止，第二爬行腳向后運(yùn)動，如此往復(fù)的驅(qū)動，促使機(jī)器人向后爬行。
全文摘要
一種可變形貌式雙穩(wěn)態(tài)電致活性聚合物機(jī)器人爬行腳機(jī)構(gòu)，包括兩個爬行腳和驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置的兩端分別與兩個爬行腳連接，其特征在于所述的爬行腳底部覆蓋有膜片執(zhí)行器，所述的膜片執(zhí)行器包括層狀聚丙烯酸叔丁酯膜、加熱器元件陣列和硅膠板，硅膠板上以平均間隔開有多個鏤空的孔，加熱器元件陣列上面覆有層狀聚丙烯酸叔丁酯膜，層狀聚丙烯酸叔丁酯膜上覆有硅膠板；層狀聚丙烯酸叔丁酯膜和加熱器元件陣列分別連接有電源導(dǎo)線；本發(fā)明具有所需響應(yīng)時間相對短、體積小、耗電量小、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重量輕、柔性好、仿生性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02N2/00GK103208942SQ20131010378
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者冷勁松, 劉彥菊, 劉志臣, 劉立武 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)