CN105099262B - 一种基于介电弹性体的充气式变形体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电弹性体的充气式变形体，包括设有充气阀的气囊，所述气囊为介电弹性体薄膜，所述介电弹性体薄膜中嵌设有用于限制气囊充气变形方向的定向纤维，所述介电弹性体薄膜的内、外表面设有至少1个柔性电极对，所述柔性电极对用于外接驱动电压，所述驱动电压使柔性电极对覆盖区域的介电弹性体薄膜发生形变。本发明的基于介电弹性体的充气式变形体结构简单，易于实现，成本低廉，在非工作状态下，变形体处于放气状态，体积小，贮存方便，隐蔽性好，且未充气不存在本征应力，解决了器件材料的松弛及失效问题，寿命可以大大提高。

Description

一种基于介电弹性体的充气式变形体

技术领域

本发明涉及软体驱动技术领域，具体涉及一种基于介电弹性体的充气式变形体。

背景技术

随着人类社会的不断发展，军事侦察、医疗卫生、救援服务等领域为机器人技术的发展进一步提出要求。常规的机器人多采用硬质结构，凭借齿轮、关节、活塞、发动机等结构实现驱动和运动传递。

由于采用硬质结构，部件之间存在着缓冲空间小、容易受到冲击破坏，且可靠性差，效率低下，生物亲和性不好，噪声大，对环境适应性差等缺点。因此，智能软体机器人技术的发展机器人技术的发展提供了新思路。

相比于传统的刚性机器人，软体机器人具有质轻，可变形，抗冲击能力强，缓冲性好，对环境适应能力强，生物亲和性优越等优点。因此在军事侦察，生物工程，医疗救援以及服务业等领域具有很好的应用前景。

尽管如此，柔性机器人也才能在一定的局限性。由于软体机器人通常采用以来柔性材料的本征应力提供驱动力，在非工作状态下存在应力。这导致软体机器人材料松弛、失效，大大降低了使用寿命。

此外，充气型柔性机器人大多采用气动驱动方式，导致工作状态下充放气噪声较大，体积较大，空间占有率较大。

公开号为10252326的中国专利申请公开了一种充气式介电弹性体半球形驱动器，该驱动器在两片软片上贴覆了经过预拉伸的驱动薄膜，该薄膜与基底形成了半球形空间，构成半球形驱动器，具有响应快，结构简单的优点，但是该驱动器的驱动薄膜无论是否处于工作状态，都会保持预拉伸状态，在薄膜内部始终残留预应力，因此会大大缩短该薄膜的寿命，以致缩短该驱动器的使用寿命。

而本发明的充气式变形体也具有驱动器的作用，它在不工作时，驱动薄膜会保持松弛状态，当需要工作时，首先对其进行充气，使驱动薄膜变为预拉伸状态，然后进行工作。这样极大的缩短了驱动薄膜处于预拉伸状态的时间，因此可以大大提高其使用寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于介电弹性体的充气式变形体。该变形体采用介电驱动，控制成本低廉，易于实现，可应用于柔性机械手臂，柔性抓持机器(多个组装，一起工作)，自主侦查，智能服务与医疗救援等领域。

一种基于介电弹性体的充气式变形体，包括设有充气阀的气囊，所述气囊为介电弹性体薄膜，所述介电弹性体薄膜中嵌设有用于限制气囊充气变形方向的定向纤维，其上、下表面(实际上应理解为气囊的内表面和外表面)设有至少1个柔性电极对(每个柔性电极对中位于上、下表面的两个电极具有相对的重合区域)，所述柔性电极对用于外接使柔性电极对覆盖区域的介电弹性体薄膜发生形变的驱动电压。本发明充气式变形体存在两种状态，分为工作状态和非工作状态。

在非工作状态下，变形体处于放气状态，体积小，贮存方便，隐蔽性好。此外，在非工作状态下，变形体不充气，因此，不存在本征应力，很好地解决了机器材料的松弛及失效问题，相比于非充气柔性机器人，寿命可以大大提高。

进入工作状态前，先对变形体(气囊)充气，体积迅速膨胀，使之进入工作状态。在工作状态下，由于介电弹性体薄膜中嵌设有气囊充气变形方向的定向纤维，因此形成特定形态的充气结构，且在此时通过电极对施加驱动电压，通过调控驱动电压的幅值和频率，即可得到不同形变，实现相应的功能(如爬行、驱动等)。

每根定向纤维首尾连接，气囊充气后所有定向纤维所在平面平行。气囊充气后相邻定向纤维所在平面间的距离相等。气囊充气后相邻定向纤维所在平面间的距离为1～10mm。

在上述定向纤维的作用下，充气后的气囊变形体的外周呈圆形，不同高度处的圆周取决于与其最邻近的两根定向纤维的周长，当所有定向纤维的长度相同时，该充气后，该变形体呈柱体，该柱体外周等于定向纤维的长度，通常当所有定向纤维的长度相同时，

通过定向限制纤维限制介电高弹体充气后变形方向，气囊充气后，在沿着垂直于定向纤维所在平面的方向上形成细长结构，这样有利于该变形体的变形。

本发明中以气囊充气后垂直于定向纤维所在平面的方向作为变形体的长度方向，当气囊充气后，在于垂直与长度方向的各个横截面为圆形(即截面圆)，每个截面圆的大小取决于沿长度方向到该截面圆的距离最小的两根定向纤维的长度。

本发明中优选所有定向纤维的长度相同，此时充气后，气囊呈柱体(实际上不是严格的柱体，应理解为类似于柱体结构)。当通过电极对施加幅值和频率不同的驱动电压时，该变形体沿长度方向发生伸缩变化，在垂直于长度方向上由于受到定向纤维的限制不发生形变。

为保证在实际应用中，变形体(柱体)周向上不发生相变，所述定向纤维的刚度为驱动薄膜的刚度15倍以上。本发明中定向纤维的材质优选为尼龙。

所述介电弹性体薄膜的厚度为0.1～1mm。通常介电高弹体薄膜需要高电压驱动，一般为3kV～20kV，这也是市面上现有的大部分高压电源的电压范围，对于大部分介电高弹体材料，如果薄膜厚度小于0.1mm，在3kV的电压下就已经很容易击穿，因此选择介电高弹体薄膜的厚度为最小为0.1mm，此外，考虑到介电高弹体薄膜的制备成本，以及变形体的驱动效果，设置厚度上限为1mm。

为保证功能纤维能够嵌入驱动层中，所述定向纤维的直径为0.1～0.5mm，且小于驱动层的厚度。

本发明中在变形体在非工作状态下通过充气阀给变形体充气，使变形体伸长，产生预拉伸，进入工作状态，在工作之后需要通过充气阀给变形体放气，使其回到无预拉伸的状态，再次回到非工作状态。

变形体的形变大小(实际上为介电弹性体薄膜的形变大小)取决于气囊的充气量，一般当变形体变形为原长度(将变形体展开平铺时在变形体的长度方向的长度)2～8倍时即认为充气量合适，最优为3倍。为保证在介电弹性体薄膜发生最大形变时不出现问题，定向纤维的直径比驱动层的厚度至少小0.3mm。

柔性电极对数量根据实际应用情况设定，每个柔性电极对单独施加驱动电压，通过控制每个电极对两端的驱动电压的幅值和频率，能够得到不同形变模式的变形体，实现不同的驱动效果。

当柔性电极对的数量大于1时，所有电极对均匀分布，且相邻电极对最短间距为5～10mm，以保证各个电极对之间的电气隔离。

电极对均匀分布是指在气囊充气进入工作状态后，每个电极对中外部的柔性电极在变形体的外周面上均匀分布。

所述柔性电极对中柔性电极的厚度为100nm～2μm。柔性电极通常是利用刷子，滚轮等方法涂在介电弹性体薄膜表面上，因此厚度在微米级别，一般对柔性电极的要求为厚度均匀，避免出现部分位置电极空缺的情况。

由于介电弹性体薄膜形成气囊，因此，在实际应用时气囊内部分的柔性电极需要通过导线引至气囊外部。

本发明中的变形体多个并联使用，此时在每一个变形体上，柔性电极将不再分区，而是围绕变形体一周均分布有柔性电极，此时的变形方式为当驱动某一个变形体时，该变形体伸长，由于其他变形体与其固定同时又没有伸长，整个结构会朝着被驱动的变形体的另一侧弯曲。

与现有技术相比，本发明的基于介电弹性体的充气式变形体结构简单，易于实现，成本低廉，在非工作状态下，变形体处于放气状态，体积小，贮存方便，隐蔽性好，且未充气不存在本征应力，解决了器件材料的松弛及失效问题，寿命可以大大提高。充气进入工作状态后，仅通过调控电极对施加驱动电压，即可得到不同形变，实现相应的功能(如爬行、驱动等)，响应速度快。该充气式变形体可以应用于柔性机械手臂，柔性抓持机器(多个组装，一起工作)，自主侦查，智能服务与医疗救援等领域。

附图说明

图1为本实施例的基于介电弹性体的充气式变形体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本实施例的基于介电弹性体的充气式变形体，包括设有充气阀的气囊1，该气囊为介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜中嵌设有用于限制气囊充气变形方向的定向纤维2，其上、下表面设有至少1个柔性电极对3(包括位于气囊内表面的柔性电极31和位于气囊内表面的柔性电极32)，柔性电极对用于外接使柔性电极对覆盖区域的介电弹性体薄膜发生形变的驱动电压。

每根定向纤维首尾连接，气囊充气后所有定向纤维所在平面平行，每根定向纤维呈圆环状。相邻定向纤维所在平面间的距离相等，且均为1～10mm(本实施例中优选为3mm)。

本实施例中介电弹性体薄膜预拉伸前的厚度为1mm，定向纤维的直径为0.1～0.5mm，且小于驱动层的厚度0.3mm，柔性电极预拉伸前厚度为1μm。

为达到形变限制功能，定向纤维的刚度为驱动薄膜的刚度15倍以上。

本实施例中定向纤维的材质为尼龙纤维，介电弹性体薄膜的材质为3M-VHB 4910材料。

以气囊充气后垂直于定向纤维所在平面的方向作为变形体的长度方向，当气囊充气后，在垂直于长度方向的各个横截面为圆形(即截面圆)，每个截面圆的大小取决于沿长度方向到该截面圆的距离最小的两根定向纤维的长度。

本实施例中有定向纤维的长度相同，此时充气后，气囊呈柱体(实际上不是严格的柱体，应理解为类似于柱体结构)。该柱体的在垂直长度方向上的外周长(即垂直长度方向上的截面的周长)等于定向纤维的长度。

由于，气囊充气量不同，介电弹性体薄膜的形变量不同，得到的柱体也长度不同，但在充气量使介电弹性体薄膜发生形变的前提下，得到的柱体在垂直长度方向上的外周长不变，均等于等于定向纤维的长度。

当变形体变形为原长度(将变形体展开平铺时在变形体的长度方向的长度)2～8倍时即认为充气量合适，并以该状态作为变形体的工作状态。本实施例中为3倍。

工作状态下，柱体的大小可根据应用需求设定，本实施例中在正常工作状态下，柱体的直径为30mm。

柔性电极对数量根据实际应用情况设定，每个柔性电极对单独施加驱动电压，通过控制每个电极对两端的驱动电压的幅值和频率，能够得到不同形变模式的变形体，实现不同的驱动效果。

方法当柔性电极对的数量大于1时，所有电极对均匀分布，且相邻电极对最短间距为5～10mm，以保证各个电极对之间的电气隔离。

本实施例中设有4个柔性电极对，相邻电极对最短间距为5mm。每一个电极对单独设有驱动电路以独立提供驱动电压，驱动电路为每一块的薄膜内、外两侧电极提供极性相反的驱动电压。

本实施例中的柔性电极材质为炭膏，采用滚轮涂刷到介电弹性体薄膜上形成电极(即柔性电极)，厚度为2μm。柔性电极通常是利用刷子，滚轮等方法涂在介电弹性体薄膜表面上，要求为厚度均匀，避免出现部分位置电极空缺的情况。

由于介电弹性体薄膜形成气囊，因此，在实际应用时气囊内部分的柔性电极需要通过导线引至气囊外部，以便于外接驱动电路。在导线的出线口处进行密封，防止漏气。

本实施例中与每个柔性电极对连接的驱动电路提供的驱动电压均在3～10kV之间连续可调。

由于介电弹性体薄膜需要高压驱动，考虑到安全问题，在实际应用时，需要在电极外设置绝缘保护层，避免漏电。

本实施例的充气式变形体存在两种状态，分为工作状态和非工作状态。

初始情况下变形体为充气，处于非工作状态。进入工作状态前，先通过充气阀对变形体(气囊)充如一定量气体，然后关闭充气阀，使之进入工作状态。将该变形体横放在水平面上，在位于上方的的柔性电极对两端施加电压，电压导致该变形体上方的薄膜变薄，因此内部气压会导致该变形体向下弯曲从而拱起，然后撤掉电压，该拱起消失，变形体恢复原状(工作状态下的形态)。如此，循环加载电压即可使该变形体在水平面上爬行。驱动电压的控制，可以通过外设控制器实现。

本实施例中的充气阀可以采用普通的充电阀，也可以采用电磁阀，实现气压的自动控制。

此时该变形体还包括相应的气压控制器和压强传感器，控制在气囊内部设置压强传感器，压强传感器采集气囊内的气体压强，然后发送给控制器，充气时，气压控制器控制电磁打开，然后进行充气，当采集到的气体压强达到工作状态下的气体压强时，控制器控制电磁阀关闭，停止充气，变形体进行工作状态。

在实际应用时，每个电极对连接的驱动电路可以单独设置控制器，为便于实现，可以将所有驱动电路的控制器和气压控制器集成为一体。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于介电弹性体的充气式变形体，其特征在于，包括设有充气阀的气囊，所述气囊为介电弹性体薄膜，所述介电弹性体薄膜中嵌设有用于限制气囊充气变形方向的定向纤维，所述介电弹性体薄膜的内、外表面设有至少1个柔性电极对，所述柔性电极对用于外接驱动电压，所述驱动电压使柔性电极对覆盖区域的介电弹性体薄膜发生形变；

定向纤维的直径比驱动层的厚度至少小0.3mm；

气囊充气后相邻定向纤维所在平面间的距离相等，且为1～10mm；

定向纤维的直径为0.1～0.5mm，且小于驱动层的厚度；

当柔性电极对的数量大于1时，所有电极对均匀分布，且相邻电极对最短间距为5～10mm。

2.如权利要求1所述的基于介电弹性体的充气式变形体，其特征在于，每根定向纤维首尾连接，气囊充气后所有定向纤维所在平面平行。

3.如权利要求1所述的基于介电弹性体的充气式变形体，其特征在于，所述定向纤维的刚度为驱动薄膜的刚度15倍以上。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的基于介电弹性体的充气式变形体，其特征在于，所述介电弹性体薄膜的厚度为0.1～1mm。

5.如权利要求1所述的基于介电弹性体的充气式变形体，其特征在于，所述柔性电极对中柔性电极的厚度为100nm～2μm。