CN104708622B - 一种往复运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复运动机构，包括一个运动单元和两个分别连接其两端的约束与约束解除单元；运动单元包括压缩弹簧、上滑块、下滑块、介电弹性体、导电极和热缩套管，压缩弹簧固定在上滑块和下滑块之间的螺纹孔内，介电弹性体拉伸后缠绕在上滑块、压缩弹簧和下滑块上，介电弹性体两端分别嵌入上滑块和下滑块的环形凹槽内并通过热缩套管紧固；介电弹性体内外表面均涂敷有导电极；约束与约束解除单元包括驱动单元、约束套和壳体，在驱动单元的带动下两约束套可在壳体的凹槽内运动；驱动单元与运动单元的结构相同。本发明通过控制运动单元和两约束与约束解除单元通断电实现往复运动，具有响应速度快、大位移运动、柔性好、定位可靠的优点。

Description

一种往复运动机构

技术领域

本发明涉及致动器技术领域，具体涉及一种往复运动机构。

背景技术

传统致动器的致动方式大都采用机械致动、电机致动、液压致动，这些传统的致动器存在响应时间长、机械结构复杂、噪音大、柔性差、仿生性能差的问题。除了传统致动方式的致动器，近年来，研究人员研制出了很多基于形状记忆合金、磁致伸缩等新型功能材料致动的致动器，但形状记忆合金致动器存在着响应时间长、运动时产生大量的热量等方面的缺陷，磁致伸缩致动器存在着位移小、定位可靠性不高、结构不具有柔性、抗冲击性差、非直线型运动困难等方面的缺陷。

贾宝贤、刘永红、杨毅在“仿蚯蚓机器人蠕动单元的研究”(《机器人》第22卷第5期)一文中公开了一种仿蚯蚓机器人蠕动单元，该单元主要由形状记忆合金胀紧环、形状记忆合金螺旋弹簧和偏压弹簧等组成，它可以在孔内像蚯蚓一样实现径向胀紧、纵向收缩、纵向伸长等动作。形状记忆合金元件的动作可以靠通、断电来实现。形状记忆合金胀紧环通电时与孔壁贴紧，断电时松开；形状记忆合金螺旋弹簧通电时收缩，断电时由偏压弹簧使其伸开。该驱动单元具有结构简单，体积小、重量轻、柔韧性好、控制方便等优点。但是存在动作频率低，移动速度慢，要提高其反应速度，需外加冷却系统，造成结构复杂、成本高的缺陷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种往复运动机构，其目的在于，通过控制运动单元和两约束与约束解除单元通断电实现往复运动，具有响应速度快、大位移运动、柔性好、定位可靠、抗冲击性好、结构简单、可反复使用、成本低、无噪声、无热、无磁性、便于安装的优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种往复运动机构，包括一个运动单元和两个分别连接其两端的约束与约束解除单元；

所述运动单元包括压缩弹簧、上滑块、下滑块、介电弹性体、导电极和热缩套管，压缩弹簧两端分别螺纹固定在上滑块和下滑块之间的螺纹孔内，介电弹性体拉伸后缠绕在上滑块、压缩弹簧和下滑块上，所述介电弹性体两端分别嵌入上滑块和下滑块的环形凹槽内并通过热缩套管紧固；所述介电弹性体除嵌在环形凹槽内以外的部分内外表面均涂敷有导电极；

所述约束与约束解除单元包括驱动单元、约束套和壳体，驱动单元安装于壳体内，驱动单元的两端分别连接一个约束套，两约束套分别约束在壳体的两个凹槽内，在驱动单元的带动下两约束套可在壳体的凹槽内运动；驱动单元与运动单元的结构相同，驱动单元与运动单元相互垂直设置。

进一步的，所述运动单元的介电弹性体上关于轴线对称分布的两个区域内外表面涂敷有导电极。

进一步的，所述运动单元以及驱动单元的压缩弹簧预压缩量为20％～30％，压缩弹簧外表面卷绕的介电弹性体为等方向预拉伸的介电弹性体，其预拉伸后的面积为预拉伸前面积的16倍～36倍，压缩弹簧外表面卷绕的拉伸后的介电弹性体层数为3～7层。

本发明的技术效果体现在：

本发明往复运动机构采用介电弹性体作为执行件，在电压激励下可以改变形状或体积，当电压激励撤去后，它又能恢复到原来初始形状或体积。不仅具有结构简单、能量转换效率高等优点，而且具有与动物肌肉相媲美的性能，可获得类生物的优异性能和简洁紧凑的结构，本发明采用具有柔性和弹性的约束套作为往复运动机构的约束件，同时介电弹性体本身具有很好的柔性，因此往复运动机构具有很好的柔性和抗冲击性。

对嵌在上滑块和下滑块环形凹槽内的介电弹性体不涂覆导电极，并通过热缩套管固紧，如此采用，可以利用介电弹性体本身的粘性，将介电弹性体与上滑块和下滑块紧紧固定，介电弹性体外套热缩套管，热缩套管热缩后，可以使得整个单元的连接稳定性更好。

所述约束套可选用具有柔性和弹性的橡胶材料，约束套约束在壳体的凹槽内，约束套可以在壳体的凹槽内自由运动，如此采用，可以使得约束与解除约束单元在通电伸长形成嵌位时，定位更加牢靠。

进一步的，在上述机构的基础上，本发明运动单元上的介电弹性体被沿轴线对称划分成两个区域涂敷导电极，当给其中一个区域的介电弹性体通电，另一个区域的介电弹性体不通电后，整个运动单元可以实现向未通电区域的弯曲运动。

进一步的，对压缩弹簧预压缩，一方面为缠绕在其上的预拉伸的介电弹性体提供预载荷，另一方面，在介电弹性体通电伸长后，处于压缩状态的弹簧具有恢复抗力，可以提高整个单元的输出力，使得整个往复运动机构的性能更优异。对介电弹性体进行等方向的预拉伸，如此采用，介电弹性体的厚度更小，致动电压更低，介电弹性体的变形及输出力更大，致动性能更优异。采用多层单层介电弹性体叠加，且每层介电弹性体的上下表面均涂覆导电极，使得往复运动机构的致动力更大，而致动电压和单层致动时的电压一样，并没有增加。特别的，以对压缩弹簧进行20％～30％的预压缩、对介电弹性体预拉伸后的面积为预拉伸前面积的16倍～36倍、采用3～7层单层介电弹性体叠加这一参数组合，效果最佳。

综上所述，本发明往复运动机构具有响应速度快、大位移运动、柔性好、定位可靠、抗冲击性好、结构简单、可反复使用、成本低、无噪声、无热、无磁性、便于安装等优点，在管道检测、流量控制等众多领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种往复运动机构整体结构图；

图2为本发明一种往复运动机构的约束与解除约束单元整体结构图；

图3为本发明一种往复运动机构运动单元的结构示意图；

图4为本发明向左侧运动一个周期的运动原理图，其中，图4(a)为原始状态，图4(b)为运动单元和右侧约束与约束解除单元通电状态，图4(c)为运动单元和左侧约束与约束解除单元通电，右侧约束与约束解除单元断电状态，图4(d)为左侧约束与约束解除单元通电，运动单元和右侧约束与约束解除单元断电状态。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

所述运动单元1由压缩弹簧1-1、上滑块1-2、下滑块1-3、介电弹性体1-4、导电极1-5和热缩套管1-6组成，压缩弹簧1-1两端分别螺纹配合固定在上滑块1-2和下滑块1-3的螺纹孔内，介电弹性体1-4拉伸后缠绕在上滑块1-2、压缩弹簧1-1和下滑块1-3上，所述介电弹性体1-4两端嵌在上滑块1-2和下滑块1-3的环形凹槽内，并通过热缩套管1-6固紧，嵌在环形凹槽内的介电弹性体1-4不涂覆导电极1-5，所述介电弹性体1-4除嵌在环形凹槽内以外的部分内外表面涂敷有导电极1-5。

所述约束与约束解除单元2由驱动单元2-1、约束套2-2和壳体2-3组成。驱动单元2-1安装于壳体2-3内，驱动单元2-1的两端分别连接一个约束套2-2，两约束套2-2分别约束在壳体2-3的两个凹槽内，在驱动单元的带动下两约束套2-2可在壳体2-3的凹槽内运动所述驱动单元2-1与运动单元1的构成相同，区别仅在于驱动单元2-1与运动单元1相互垂直设置。

所述运动单元1以及驱动单元2-1上的压缩弹簧预压缩量为20％～30％，压缩弹簧外表面卷绕的介电弹性体为等方向预拉伸的介电弹性体，其预拉伸后的面积为预拉伸前面积的16倍～36倍，压缩弹簧外表面卷绕的拉伸后的介电弹性体层数为3～7层，且每层介电弹性体的上下表面均涂覆导电极，在介电弹性体最内层和最外层分别连接导线，导线穿过上滑块上的走线孔连接指令控制器；所述上滑块1-2和下滑块1-3采用缩醛树脂材料。

平时，运动单元以及约束与约束解除单元均处于未通电的自由状态，当需要运动单元向左侧运动时，单元按如下顺序进行：首先往复运动机构上右侧的约束与约束解除单元通电，通电区域的介电弹性体将沿电压施加的方向产生收缩，而在垂直于电压施加的方向扩展延伸，产生较大的垂直于电场方向的应变，介电弹性体伸长，处于压缩状态的压缩弹簧伸长，驱动单元产生伸长的致动力，驱动壳体两端的约束套向两端运动，形成加电伸长的嵌位状态；其次，在保持右侧的约束与约束解除单元通电的状态下，给运动单元通电，运动单元加电伸长，由于右侧的约束与约束解除单元已经处于嵌位状态，故加电伸长的运动单元驱动处于自由状态的左侧约束与约束解除单元向左侧运动；再次，在左侧约束与约束解除单元向左侧运动到一定距离后，给左侧的约束与约束解除单元通电，左侧的约束与约束解除单元加电伸长，驱动壳体两端的约束套向两端运动，左侧的约束与约束解除单元形成加电伸长的嵌位状态，当左侧的约束与约束解除单元形成加电伸长的嵌位状态后，给右侧的约束与约束解除单元断电，使右侧的约束与约束解除单元恢复至自由状态；再其次，在保持左侧的约束与约束解除单元形成加电伸长的嵌位状态情况下，给运动单元断电，运动单元由加电伸长的状态恢复至未通电时的原长，此时，运动单元拉动处于自由状态的右侧的约束与约束解除单元向左侧移动一定距离；最后，当给左侧的约束与约束解除单元断电后，左侧的约束与约束解除单元由嵌位状态恢复至自由状态，至此，往复运动机构完成一个周期的运动，向左侧运动一段距离。通过这种周期性的运动，往复运动机构可以不断的向左侧运动。

反之，通过调整左右两侧的约束与约束解除单元以及运动单元的通断电顺序，也可以实现往复运动机构向右侧运动。

进一步的，在上述机构的基础上，本发明运动单元上的介电弹性体被沿轴线对称划分成两个区域涂敷导电极，当给其中一个区域的介电弹性体通电，另一个区域的介电弹性体不通电后，整个运动单元可以实现向未通电区域的弯曲运动。通过调整左右两侧的约束与约束解除单元以及运动单元上两个区域介电弹性体的通断电顺序，也可以实现往复运动机构的弯曲运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种往复运动机构，其特征在于，包括一个运动单元(1)和两个分别连接其两端的约束与约束解除单元(2)；

所述运动单元(1)包括压缩弹簧(1-1)、上滑块(1-2)、下滑块(1-3)、介电弹性体(1-4)、导电极(1-5)和热缩套管(1-6)，压缩弹簧(1-1)两端分别螺纹固定在上滑块(1-2)和下滑块(1-3)之间的螺纹孔内，介电弹性体(1-4)拉伸后缠绕在上滑块(1-2)、压缩弹簧(1-1)和下滑块(1-3)上，所述介电弹性体(1-4)两端分别嵌入上滑块(1-2)和下滑块(1-3)的环形凹槽内并通过热缩套管(1-6)紧固；所述介电弹性体(1-4)除嵌在环形凹槽内以外的部分内外表面涂敷有导电极(1-5)；

所述约束与约束解除单元(2)包括驱动单元(2-1)、约束套(2-2)和壳体(2-3)，驱动单元(2-1)安装于壳体(2-3)内，驱动单元(2-1)的两端分别连接一个约束套(2-2)，两约束套(2-2)分别约束在壳体(2-3)的两个凹槽内，在驱动单元的带动下两约束套(2-2)可在壳体(2-3)的凹槽内运动；驱动单元(2-1)与运动单元(1)的结构相同，驱动单元(2-1)与运动单元(1)相互垂直设置。

2.如权利要求1所述的往复运动机构，其特征在于，所述运动单元的介电弹性体(1-4)上关于轴线对称分布的两个区域内外表面涂敷有导电极(1-5)。

3.如权利要求1所述的往复运动机构，其特征在于，所述运动单元(1)以及驱动单元(2-1)的压缩弹簧预压缩量为20％～30％，压缩弹簧(1-1)外表面卷绕的介电弹性体(1-4)为等方向预拉伸的介电弹性体，其预拉伸后的面积为预拉伸前面积的16倍～36倍，压缩弹簧(1-1)外表面卷绕的拉伸后的介电弹性体(1-4)层数为3～7层。