阅读说明：本技术 一种微型弹跳机器人 (Miniature bounce robot ) 是由 张旻 梁家铭 陈慧敏 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：一种微型弹跳机器人,包括：前腿结构、后腿结构、连接结构和驱动结构,前腿结构与后腿结构通过连接结构相连,并使得后腿结构相对于前腿结构能够自由转动,其中,前腿结构包括前腿弹性片,后腿结构包括后腿弹性片,驱动结构包括具有形状记忆功能的驱动器和具有吸附力的制动器,制动器将前腿结构与后腿结构吸附在一起,驱动器的两端分别固定在前腿弹性片与后腿弹性片上,驱动器在被施加电压之后发生自身形变而产生驱动力,当驱动力大于制动器能够提供的最大制动力时,弹性势能被瞬间释放转化为机器人的跳起动能,使机器人跳起。该微型弹跳机器人具备极好的弹跳能力,可实现数倍以上于自身身高的弹跳,翻越障碍物能力极强,且弹跳控制灵活。(A micro-bounce robot, comprising: the front leg structure is connected with the rear leg structure through the connecting structure, the rear leg structure can rotate freely relative to the front leg structure, the front leg structure comprises a front leg elastic sheet, the rear leg structure comprises a rear leg elastic sheet, the driving structure comprises a driver with a shape memory function and a brake with adsorption force, the brake adsorbs the front leg structure and the rear leg structure together, two ends of the driver are fixed on the front leg elastic sheet and the rear leg elastic sheet respectively, the driver generates self deformation after being applied with voltage to generate driving force, when the driving force is larger than the maximum braking force which can be provided by the brake, elastic potential energy is released instantly to be converted into jumping kinetic energy of the robot, and the robot jumps. The micro bouncing robot has excellent bouncing capability, can realize bouncing more than several times of self height, has extremely strong capability of crossing obstacles, and is flexible in bouncing control.)

一种微型弹跳机器人

技术领域

本发明涉及微型机器人领域，特别是涉及一种微型弹跳机器人。

背景技术

随着机器人技术及传感器技术的发展，微型机器人由于其小型化、轻量化及高度功能集成等特点在救灾、探测、环境监测等领域越来越得到重视与发展。与昆虫重量与体积相似的微型机器人，具有能够在管道内或者狭缝中移动的能力，通过其搭载的不同类型的诸如气体、光线、声音等传感器完成对周围环境的探测感知，并且通过无线方式将信号传输至基站，通过多机器人组网，完成对复杂环境的探测和建模。微型机器人可以广泛应用于地下管道危险气体泄漏检测，抗震救灾与军事监听等领域。

生物体常见的运动姿态有行走、跳跃、飞行等。目前关于微型机器人的研究主要集中在行走的研究。由于微型机器人本身尺寸小，翻越较大障碍物的能力不足，导致现有的微型机器人较难适应存在各种障碍物的极端工作环境。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够在极端环境下工作的具有弹跳能力的微型弹跳机器人。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微型弹跳机器人，包括：前腿结构、后腿结构、连接结构和驱动结构，所述前腿结构与所述后腿结构通过所述连接结构相连，并使得所述后腿结构相对于所述前腿结构能够自由转动，其中，所述前腿结构包括前腿弹性片，所述后腿结构包括后腿弹性片，所述驱动结构包括具有形状记忆功能的驱动器和具有吸附力的制动器，所述制动器将所述前腿结构与所述后腿结构吸附在一起，以提供阻止所述前腿弹性片与所述后腿弹性片产生位移的制动力，所述驱动器的两端分别固定在所述前腿弹性片与所述后腿弹性片上，所述驱动器在被施加电压之后发生自身形变而产生驱动力，能量以弹性势能的形式储存在所述前腿弹性片与所述后腿弹性片中，当所述驱动力大于所述制动器能够提供的最大制动力时，所述弹性势能被瞬间释放转化为机器人的跳起动能，使机器人跳起。

进一步地：

所述前腿弹性片的前端具有两条细长的前腿，所述后腿弹性片的后端具有两条细长的后腿。

所述后腿结构还包括后腿压片和第一粘性层，所述后腿弹性片和所述后腿压片分别粘接在所述第一粘性层的上表面和下表面，所述连接结构包括上连接压片和第二粘性层，所述上连接压片与所述后腿弹性片位于同一层，所述上连接压片的下表面与所述第一粘性层的上表面的前端多出部分粘接，所述上连接压片的上表面通过所述第二粘性层与所述前腿弹性片粘接，所述第一粘性层成为所述前腿结构和所述后腿结构之间的铰链关节。

所述连接结构还包括下连接压片，所述下连接压片与所述后腿压片位于同一层，所述下连接压片的上表面与所述第一粘性层的下表面的前端多出部分粘接。

所述驱动器为具有形状记忆效应的合金材料，优选为镍钛合金。

所述驱动器的至少一部分为弹簧结构。

所述驱动器设置在所述前腿结构和所述后腿结构的下方，优选地，所述驱动器的两端分别固定在所述前腿弹性片和所述后腿弹性片上的镂空结构处。

所述制动器包括有吸附力的第一组件和第二组件，所述第一组件和所述第二组件分别相对应地固定在所述前腿结构与所述后腿结构上，优选地，所述第一组件和所述第二组件分别固定在所述前腿弹性片和所述后腿弹性片上的镂空结构处，优选的，所述制动器为磁铁吸附结构、胶粘吸附结构或静电吸附结构。

所述前腿弹性片和所述后腿弹性片的主体形状为多边形，优选地，所述前腿弹性片的主体形状为下底对接的两个梯形，所述后腿弹性片的主体形状与所述前腿弹性片的下半截梯形相同，优选地，所述上连接压片、所述下连接压片和所述后腿压片的形状为梯形，尺寸与所述前腿弹性片和所述后腿弹性片相对应。

所述前腿结构、所述后腿结构和所述连接结构均由弹性材料制成，优选地，所述弹性材料为碳纤维材料，优选地，所述弹性材料的厚度为50微米-500微米。

所述第一粘性层和所述第二粘性层的厚度为10微米-200微米。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的微型弹跳机器人具备极佳的弹跳能力，可实现数倍以上于自身身高的弹跳，翻越障碍物能力极强，该机器人不仅可以在较为平坦的环境下行走或跳跃移动，也能够从容应对障碍物多的环境和崎岖的路况，且弹跳控制灵活，适应于在极端环境下的工作条件，完成更高难度的工作。

附图说明

图1为本发明实施例的微型弹跳机器人的构成部件拆解示意图；

图2为本发明实施例的微型弹跳机器人的立体结构图；

图3为本发明实施例的微型弹跳机器人的装配过程侧视图；

图4为本发明实施例的微型弹跳机器人的制作方法流程图；

图5为本发明实施例的微型弹跳机器人的实例图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1-图3及图5，在一种实施例中，一种微型弹跳机器人，包括：前腿结构1、后腿结构2、连接结构3和驱动结构4，所述前腿结构1与所述后腿结构2通过所述连接结构3相连，并使得所述后腿结构2相对于所述前腿结构1能够自由转动，其中，所述前腿结构1包括前腿弹性片，所述后腿结构2包括后腿弹性片5，所述驱动结构4包括具有形状记忆功能的驱动器11和具有吸附力的制动器，所述制动器将所述前腿结构1与所述后腿结构2吸附在一起，以提供阻止所述前腿弹性片与所述后腿弹性片5产生位移的制动力，所述驱动器11的两端分别固定在所述前腿弹性片与所述后腿弹性片5上，所述驱动器11在被施加电压之后自身发生形变而产生驱动力，能量以弹性势能的形式储存在所述前腿弹性片与所述后腿弹性片5中，当所述驱动力大于所述制动器所能够提供的最大制动力时，所述弹性势能被瞬间释放转化为机器人的跳起动能，使机器人跳起。该微型弹跳机器人具备极佳的弹跳能力，可实现数倍以上于自身身高的弹跳，翻越障碍物能力极强，该机器人不仅可以在较为平坦的环境下行走或跳跃移动，也能够从容应对障碍物多的环境和崎岖的路况，且弹跳控制灵活，适应于极端环境下的工作条件，完成更高难度的工作。

在优选的实施例中，所述前腿弹性片的前端具有两条细长的前腿，所述后腿弹性片5的后端具有两条细长的后腿。

在优选的实施例中，所述后腿结构2还包括后腿压片6和第一粘性层7，所述后腿弹性片5和所述后腿压片6分别粘接在所述第一粘性层7的上表面和下表面，所述连接结构3包括上连接压片8和第二粘性层10，所述上连接压片8与所述后腿弹性片5位于同一层，所述上连接压片8的下表面与所述第一粘性层7的上表面的前端多出部分粘接，所述上连接压片8的上表面通过所述第二粘性层10与所述前腿弹性片粘接，所述第一粘性层7成为所述前腿结构1和所述后腿结构2之间的铰链关节。

在进一步优选的实施例中，所述连接结构3还包括下连接压片9，所述下连接压片9与所述后腿压片6位于同一层，所述下连接压片9的上表面与所述第一粘性层7的下表面的前端多出部分粘接。

在优选的实施例中，所述驱动器11为具有形状记忆效应的合金材料，优选为镍钛合金。

在优选的实施例中，所述驱动器11的至少一部分为弹簧结构。

在优选的实施例中，所述驱动器11设置在所述前腿结构1和所述后腿结构2的下方，沿前后方向延伸。根据一种具体的实施例，可以将所述驱动器11的两端分别固定在所述前腿弹性片和所述后腿弹性片5上的镂空结构处。

在优选的实施例中，所述制动器包括有吸附力的第一组件12和第二组件13，所述第一组件12和所述第二组件13分别相对应地固定在所述前腿结构1与所述后腿结构2上。根据一种具体的实施例，所述第一组件12和所述第二组件13分别固定在所述前腿弹性片和所述后腿弹性片5上的镂空结构处，

在不同的实施例中，所述制动器可以为磁铁吸附结构、胶粘吸附结构或静电吸附结构。以上吸附结构经配置可以产生有固定的最大值的吸附力，也就是吸附力有确定的阈值，在驱动力达到最大制动阈值之后，形变结构释放，使机器人跳起。根据一种典型的实施例，第一组件12和第二组件13采用的磁铁组合。

应理解，所述制动器的第一组件12和第二组件13既可以设置在所述前腿弹性片与所述后腿弹性片5上的额外部件，也可以是由所述前腿弹性片与所述后腿弹性片5本身的材料经配置形成。

在优选的实施例中，所述前腿弹性片和所述后腿弹性片5的主体形状为多边形。在进一步优选的实施例中，所述前腿弹性片的主体形状为下底对接的两个梯形，所述后腿弹性片5的主体形状与所述前腿弹性片的下半截梯形相同。在更优选的实施例中，优选地，所述上连接压片8、所述下连接压片9和所述后腿压片6的形状为梯形，尺寸与所述前腿弹性片和所述后腿弹性片5相对应。

在优选的实施例中，所述前腿结构1、所述后腿结构2和所述连接结构3均由弹性材料制成。所述弹性材料优选为碳纤维材料。在进一步优选的实施例中，所述弹性材料的厚度为50微米-500微米。

以上弹性结构的优选设计可使得机器人的前腿结构与后腿结构实现很好的弹性势能的储存，并且机器人的整体质量轻，从而使微型机器人能够完成高弹跳。

在优选的实施例中，所述第一粘性层7和所述第二粘性层10的厚度为10微米-200微米。

优选的粘性层厚度使得前腿结构1和后腿结构2粘结牢固且重量轻，同时具备优越的机械性能，有利于微型机器人的整体弹跳运动。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的微型弹跳机器人结构特征、原理和制作方法。

图1为本发明优选实施例中微型机器人的构成部件拆解示意图，如图1至图3所示，该微型柔性机器人包括：前腿结构1、后腿结构2、连接结构3、驱动结构4，其中前腿结构1包括前腿弹性片；后腿结构2包括后腿弹性片5、后腿压片6和粘性层7；连接结构3包括两片形状相同的连接压片8、9和粘性层10；前腿结构1与后腿结构2通过连接结构连接构成完整的身体结构；驱动结构4包括具有形状记忆功能的驱动器11和具有吸附功能的制动器，驱动器11为具有形状记忆效应的材料，制动器包括具有相互吸附力的组件12、13，驱动器11的两端分别连接至前腿结构1和后腿结构2上，制动器的组件12、13分别相对应地固定在前腿结构1和后腿结构2上。

根据优选实施例的微型机器人的整体结构如图2所示。前腿结构1与后腿结构2通过连接结构3连接之后，其中粘性层7成为连接铰链关节，后腿结构可以自由转动；安装在前腿结构1上的制动器的组件12与安装在后腿结构2上的制动器的组件13之间存在吸附力，使得前腿结构1与后腿结构2贴合在一起；驱动器11在被施加电压之后，驱动器11自身会产生形变产生驱动力，带动前腿结构1与后腿结构2产生位移；但是由于前腿与后腿存在制动结构，制动器阻止前腿与后腿产生位移，产生制动力；驱动器11拉动身体结构，制动器阻止，使得前腿与后腿结构产生形变，能量以弹性势能的形式储存在前腿与后腿中；驱动器持续形变，驱动力逐渐增大，当驱动力大于制动器可提供的最大制动力时，前腿和后腿的形变被释放，即储存弹性势能被瞬间释放转化为机器人的初动能；动能有会转化为重力势能，机器人就会跳起。采用此种设计的微型弹跳机器人具有极好的弹跳能力，可实现数倍以上于自身身高的弹跳，且弹跳控制十分灵活。

在一实施例中，前腿结构1的宽度范围为[4毫米，20毫米]。

在一实施例中，前腿结构1的长度范围为[20毫米，80毫米]。

在一实施例中，前腿结构1的形状是带有两条细长腿的多边形。

细长的腿可以使得前腿结构1和后腿结构在受到力的作用时，更容易产生弹性形变，实现弹性势能的积累。前后各两条腿的结构可以使得微机器人的姿态稳定。

以上细长的腿仅仅为举例，还可以包括其他的形状结构，比如说三角结构，鱼尾结构等。

在一实施例中，前腿结构1带有镂空结构，该镂空结构是为了方便制动结构的固定。

在一实施例中，前腿与后腿的镂空结构为六边形、圆形、三角形或矩形。

以上镂空结构仅为举例，还可以包括其他形状的镂空阵列，相关变化例均应落入本发明的保护范围。

另外，镂空结构中的图形单元(例如，圆形)的直径尺寸范围为[0.5毫米，10毫米]。

在一实施例中，后腿弹性片5的结构与前腿结构1的后半截相同。

在一实施例中，后腿压片6的形状与后腿弹性片5去除腿部之后的形状相同。

在一实施例中，后腿弹性片5、后腿压片6、粘性层7的尺寸均与前腿结构1相对应。

在一实施例中，两个连接压片8、9形状相同。

在一实施例中，两个连接压片8、9形状为梯形。

以上梯形仅为举例，还可以包括其他形状的镂空阵列，相关变化例均应落入本发明的保护范围。

在一实施例中，连接压片8、9、粘性层10的尺寸均与前腿结构1相对应。

在一实施例中，驱动器11被制作成弹簧结构，可以产生较大的弹性位移。

在一实施例中，驱动器11的长度范围为[2厘米，6厘米]，驱动器的长度与机器人身体躯干的的长度相适应。

在一实施例中，制动器的组件12、13的直径大小范围是[0.5毫米，3毫米]，其大小根据前腿结构1与后腿结构2的孔隙大小相适应。

在一实施例中，前腿结构1、后腿弹性片5、后腿压片6、连接压片8、9均采用弹性材料。

在一实施例中，所述弹性材料为碳纤维材料。

在一实施例中，所述弹性材料厚度范围为[50微米，500微米]。

在一实施例中，粘性层7采用粘性薄膜材料。

在一实施例中，所述的粘性薄膜材料为双面PI胶带。

在一实施例中，所述的粘性薄膜材料的厚度范围为[10微米，200微米]。

在一实施例中，粘性层10采用粘性材料。

在一实施例中，所述的粘性材料为丙烯酸胶带。

在一实施例中，所述的粘性层的厚度范围为[10微米，200微米]。

在一实施例中，所述弹簧驱动器11为记忆合金材料。

在一实施例中，所述记忆合金材料为镍钛合金。

在一实施例中，所述记忆合金材料的直径范围为[20微米，200微米]。

以上记忆合金材料在通过电流之后会被加热，在加热之后会产生形变，形变产生制动力进行弹性势能的积累，从而实现跳跃。

在一实施例中，制动器的组件12与制动器的组件13为由吸附力的材料。

在一实施例中，有吸附力的结构可采用磁铁。当然，除了磁铁之外，还可以包括其他胶、静电薄膜等结构或者材料。

微型柔性机器人的制作

制作一种实施例的微型柔性机器人的步骤包括：

分别将后腿弹性片和后腿压片进行粘接，形成完整后腿结构；

分别将连接上下压片进行粘接，形成连接结构；

将后腿结构通过连接结构连接至前腿结构上，形成完整的机器人躯干；

将制动结构两端分别粘接至前腿与后腿上；

将制动结构分别安装在前腿的镂空结构与后腿的镂空结构处。

驱动器为具有形状记忆效应的合金材料；制动器为可提供吸附力的器件。

本实施例微机器人的制作方法具体请参看图3和图4，如图4所示的制作方法流程图，该制作方法包括：

步骤401，将粘性层7的一半贴在后腿弹性片5上面，粘性层留出一段不粘贴，再将后腿压片6与后腿弹性片5对准，贴在粘性层的另一侧，完成后腿结构；

步骤404，将连接压片8与后腿弹性片的5一侧对准后，贴在粘性层7多出来的一端上，再将连接压片9与连接压片8对准后贴在粘性层的另一侧；将粘性层10贴在弹性压片8的表面，完成连接3与后腿结构的连接；

步骤403，将前腿结构1与后腿结构2的空隙对准之后粘在粘性层10的另一面；完成身体结构的搭建；

步骤404，将驱动器11的两端分别连接到前腿结构1和后腿结构2的孔隙中；在安装驱动器11时，将驱动器11从机器人身体的下部穿过；

步骤405，将制动器的组件12装配到前腿结构1头部的孔隙中；将制动器的组件13的装配到后腿结构2的孔隙中。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。