一種基于介電彈性體的充氣式變形體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及軟體驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于介電彈性體的充氣式變形體。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，軍事偵察、醫(yī)療衛(wèi)生、救援服務(wù)等領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步提出要求。常規(guī)的機(jī)器人多采用硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，憑借齒輪、關(guān)節(jié)、活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)傳遞。
[0003]由于采用硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，部件之間存在著緩沖空間小、容易受到?jīng)_擊破壞，且可靠性差，效率低下，生物親和性不好，噪聲大，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。因此，智能軟體機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。
[0004]相比于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人具有質(zhì)輕，可變形，抗沖擊能力強(qiáng)，緩沖性好，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，生物親和性?xún)?yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。因此在軍事偵察，生物工程，醫(yī)療救援以及服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
[0005]盡管如此，柔性機(jī)器人也才能在一定的局限性。由于軟體機(jī)器人通常采用以來(lái)柔性材料的本征應(yīng)力提供驅(qū)動(dòng)力，在非工作狀態(tài)下存在應(yīng)力。這導(dǎo)致軟體機(jī)器人材料松弛、失效，大大降低了使用壽命。
[0006]此外，充氣型柔性機(jī)器人大多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，導(dǎo)致工作狀態(tài)下充放氣噪聲較大，體積較大，空間占有率較大。
[0007]公開(kāi)號(hào)為10252326的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種充氣式介電彈性體半球形驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器在兩片軟片上貼覆了經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的驅(qū)動(dòng)薄膜，該薄膜與基底形成了半球形空間，構(gòu)成半球形驅(qū)動(dòng)器，具有響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是該驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)薄膜無(wú)論是否處于工作狀態(tài)，都會(huì)保持預(yù)拉伸狀態(tài)，在薄膜內(nèi)部始終殘留預(yù)應(yīng)力，因此會(huì)大大縮短該薄膜的壽命，以致縮短該驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。
[0008]而本發(fā)明的充氣式變形體也具有驅(qū)動(dòng)器的作用，它在不工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)薄膜會(huì)保持松弛狀態(tài)，當(dāng)需要工作時(shí)，首先對(duì)其進(jìn)行充氣，使驅(qū)動(dòng)薄膜變?yōu)轭A(yù)拉伸狀態(tài)，然后進(jìn)行工作。這樣極大的縮短了驅(qū)動(dòng)薄膜處于預(yù)拉伸狀態(tài)的時(shí)間，因此可以大大提高其使用壽命。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種基于介電彈性體的充氣式變形體。該變形體采用介電驅(qū)動(dòng)，控制成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用于柔性機(jī)械手臂，柔性抓持機(jī)器(多個(gè)組裝，一起工作)，自主偵查，智能服務(wù)與醫(yī)療救援等領(lǐng)域。
[0010]一種基于介電彈性體的充氣式變形體，包括設(shè)有充氣閥的氣囊，所述氣囊為介電彈性體薄膜，所述介電彈性體薄膜中嵌設(shè)有用于限制氣囊充氣變形方向的定向纖維，其上、下表面(實(shí)際上應(yīng)理解為氣囊的內(nèi)表面和外表面)設(shè)有至少1個(gè)柔性電極對(duì)(每個(gè)柔性電極對(duì)中位于上、下表面的兩個(gè)電極具有相對(duì)的重合區(qū)域)，所述柔性電極對(duì)用于外接使柔性電極對(duì)覆蓋區(qū)域的介電彈性體薄膜發(fā)生形變的驅(qū)動(dòng)電壓。本實(shí)用新型充氣式變形體存在兩種狀態(tài)，分為工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)。
[0011]在非工作狀態(tài)下，變形體處于放氣狀態(tài)，體積小，貯存方便，隱蔽性好。此外，在非工作狀態(tài)下，變形體不充氣，因此，不存在本征應(yīng)力，很好地解決了機(jī)器材料的松弛及失效問(wèn)題，相比于非充氣柔性機(jī)器人，壽命可以大大提高。
[0012]進(jìn)入工作狀態(tài)前，先對(duì)變形體(氣囊)充氣，體積迅速膨脹，使之進(jìn)入工作狀態(tài)。在工作狀態(tài)下，由于介電彈性體薄膜中嵌設(shè)有氣囊充氣變形方向的定向纖維，因此形成特定形態(tài)的充氣結(jié)構(gòu)，且在此時(shí)通過(guò)電極對(duì)施加驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)調(diào)控驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和頻率，即可得到不同形變，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能(如爬行、驅(qū)動(dòng)等)。
[0013]每根定向纖維首尾連接，氣囊充氣后所有定向纖維所在平面平行。氣囊充氣后相鄰定向纖維所在平面間的距離相等。氣囊充氣后相鄰定向纖維所在平面間的距離為1?10mmo
[0014]在上述定向纖維的作用下，充氣后的氣囊變形體的外周呈圓形，不同高度處的圓周取決于與其最鄰近的兩根定向纖維的周長(zhǎng)，當(dāng)所有定向纖維的長(zhǎng)度相同時(shí)，該充氣后，該變形體呈柱體，該柱體外周等于定向纖維的長(zhǎng)度，通常當(dāng)所有定向纖維的長(zhǎng)度相同時(shí)，
[0015]通過(guò)定向限制纖維限制介電高彈體充氣后變形方向，氣囊充氣后，在沿著垂直于定向纖維所在平面的方向上形成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，這樣有利于該變形體的變形。
[0016]本實(shí)用新型中以氣囊充氣后垂直于定向纖維所在平面的方向作為變形體的長(zhǎng)度方向，當(dāng)氣囊充氣后，在于垂直與長(zhǎng)度方向的各個(gè)橫截面為圓形(即截面圓)，每個(gè)截面圓的大小取決于沿長(zhǎng)度方向到該截面圓的距離最小的兩根定向纖維的長(zhǎng)度。
[0017]本實(shí)用新型中優(yōu)選所有定向纖維的長(zhǎng)度相同，此時(shí)充氣后，氣囊呈柱體(實(shí)際上不是嚴(yán)格的柱體，應(yīng)理解為類(lèi)似于柱體結(jié)構(gòu))。當(dāng)通過(guò)電極對(duì)施加幅值和頻率不同的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，該變形體沿長(zhǎng)度方向發(fā)生伸縮變化，在垂直于長(zhǎng)度方向上由于受到定向纖維的限制不發(fā)生形變。
[0018]為保證在實(shí)際應(yīng)用中，變形體(柱體)周向上不發(fā)生相變，所述定向纖維的剛度為驅(qū)動(dòng)薄膜的剛度15倍以上。本實(shí)用新型中定向纖維的材質(zhì)優(yōu)選為尼龍。
[0019]所述介電彈性體薄膜的厚度為0.1?1mm。通常介電高彈體薄膜需要高電壓驅(qū)動(dòng)，一般為3kV?20kV，這也是市面上現(xiàn)有的大部分高壓電源的電壓范圍，對(duì)于大部分介電高彈體材料，如果薄膜厚度小于0.1_，在3kV的電壓下就已經(jīng)很容易擊穿，因此選擇介電高彈體薄膜的厚度為最小為0.1mm，此外，考慮到介電高彈體薄膜的制備成本，以及變形體的驅(qū)動(dòng)效果，設(shè)置厚度上限為1mm。
[0020]為保證功能纖維能夠嵌入驅(qū)動(dòng)層中，所述定向纖維的直徑為0.1?0.5mm，且小于驅(qū)動(dòng)層的厚度。
[0021]本實(shí)用新型中在變形體在非工作狀態(tài)下通過(guò)充氣閥給變形體充氣，使變形體伸長(zhǎng)，產(chǎn)生預(yù)拉伸，進(jìn)入工作狀態(tài)，在工作之后需要通過(guò)充氣閥給變形體放氣，使其回到無(wú)預(yù)拉伸的狀態(tài)，再次回到非工作狀態(tài)。
[0022]變形體的形變大小(實(shí)際上為介電彈性體薄膜的形變大小)取決于氣囊的充氣量，一般當(dāng)變形體變形為原長(zhǎng)度(將變形體展開(kāi)平鋪時(shí)在變形體的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度)2?8倍時(shí)即認(rèn)為充氣量合適，最優(yōu)為3倍。為保證在介電彈性體薄膜發(fā)生最大形變時(shí)不出現(xiàn)問(wèn)題，定向纖維的直徑比驅(qū)動(dòng)層的厚度至少小0.3mm。
[0023]柔性電極對(duì)數(shù)量根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)定，每個(gè)柔性電極對(duì)單獨(dú)施加驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)控制每個(gè)電極對(duì)兩端的驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和頻率，能夠得到不同形變模式的變形體，實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)效果。
[0024]當(dāng)柔性電極對(duì)的數(shù)量大于1時(shí)，所有電極對(duì)均勻分布，且相鄰電極對(duì)最短間距為5?10mm，以保證各個(gè)電極對(duì)之間的電氣隔離。
[0025]電極對(duì)均勻分布是指在氣囊充氣進(jìn)入工作狀態(tài)后，每個(gè)電極對(duì)中外部的柔性電極在變形體的外周面上均勻分布。
[0026]所述柔性電極對(duì)中柔性電極的厚度為lOOnm?2 μm。柔性電極通常是利用刷子，滾輪等方法涂在介電彈性體薄膜表面上，因此厚度在微米級(jí)別，一般對(duì)柔性電極的要求為厚度均勻，避免出現(xiàn)部分位置電極空缺的情況。
[0027]由于介電彈性體薄膜形成氣囊，因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)氣囊內(nèi)部分的柔性電極需要通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)引至氣囊外部。
[0028]本實(shí)用新型中的變形體多個(gè)并聯(lián)使用，此時(shí)在每一個(gè)變形體上，柔性電極將不再分區(qū)，而是圍繞變形體一周均分布有柔性電極，此時(shí)的變形方式為當(dāng)驅(qū)動(dòng)某一個(gè)變形體時(shí)，該變形體伸長(zhǎng)，由于其他變形體與其固定同時(shí)又沒(méi)有伸長(zhǎng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)朝著被驅(qū)動(dòng)的變形體的另一側(cè)彎曲。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的基于介電彈性體的充氣式變形體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，在非工作狀態(tài)下，變形體處于放氣狀態(tài)，體積小，貯存方便，隱蔽性好，且未充氣不存在本征應(yīng)力，解決了器件材料的松弛及失效問(wèn)題，壽命可以大大提高。充氣進(jìn)入工作狀態(tài)后，僅通過(guò)調(diào)控電極對(duì)施加驅(qū)動(dòng)電壓，即可得到不同形變，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能(如爬行、驅(qū)動(dòng)等)，響應(yīng)速度快。該充氣式變形體可以應(yīng)用于柔性機(jī)械手臂，柔性抓持機(jī)器(多個(gè)組裝，一起工作)，自主偵查，智能