CN106564537B - 一种基于智能材料驱动的振动移动机构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于智能材料驱动的振动移动机构及其制备方法，包括驱动器与支撑足；驱动器包括介电弹性体材料、上框架和下框架；介电弹性体材料夹持于上框架和下框架之间；上框架和下框架固定于若干支撑足上；上框架设置有上表面铜箔电极，下框架上设有下表面铜箔电极，上表面铜箔电极和下表面铜箔电极位于振动移动机构上相对的两侧；介电弹性体材料上表面涂覆有电连接上表面铜箔电极的上表面碳膏电极，介电弹性体材料下表面涂覆有电连接下表面铜箔电极的下表面碳膏电极。本发明采用介电弹性体智能材料为驱动核心，所设计的移动机构具有结构简单、重量轻、运动分辨力高的特点，在工业检测、微机电系统组装、光学工程等领域具有较大的应用潜力。

Description

一种基于智能材料驱动的振动移动机构及其制备方法
技术领域
本发明属于微小型运动机构领域，特别涉及一种振动移动机构及其制备方法。
背景技术
微小型运动机构由于体积小、机动灵活等特点在工业检测、微机电系统组装、光学工程等领域有较大的应用潜力。现有的微小型移动机构主要分为轮式移动机构、尺蠖式移动机构、惯性摩擦式移动机构、谐振式移动机构等几种，轮式移动机构移动速度较快，但是运动分辨力较低，尺蠖式以及基于惯性摩擦的移动机构运动分辨力高，但是运动速度较慢，而谐振式运动机构既具有较高的运动分辨力又可以达到较高的运动速度，是近年来的研究热点。但是现有的移动运动机构大部分都是基于传统的机械制造工艺及装配方法，制作工艺复杂、耗时且成本较高，其实际工程应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于智能材料驱动的振动移动机构及其制备方法，以解决现有的微小型移动机构结构复杂、制作工艺繁琐的缺点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于智能材料驱动的振动移动机构，包括驱动器与支撑足；驱动器包括介电弹性体材料、上框架和下框架；介电弹性体材料夹持于上框架和下框架之间；上框架和下框架固定于若干支撑足上；上框架设置有上表面铜箔电极，下框架上设有下表面铜箔电极，上表面铜箔电极和下表面铜箔电极位于振动移动机构上相对的两侧；介电弹性体材料上表面涂覆有电连接上表面铜箔电极的上表面碳膏电极，介电弹性体材料下表面涂覆有电连接下表面铜箔电极的下表面碳膏电极。
进一步的，所述介电弹性体材料为VHB4910胶带。
进一步的，夹持于上框架和下框架之间的介电弹性体材料预先进行了等双轴3×3以上倍数的预拉伸。
进一步的，上框架和下框架为有机玻璃框架。
进一步的，上表面碳膏电极和下表面碳膏电极在竖直方向上投影重合。
进一步的，信号发生器经高压放大器连接上表面铜箔电极和下表面铜箔电极；将动态高压信号施加在介电弹性体材料上，在麦克斯韦应力的作用下介电弹性体材料在厚度方向产生变形，同时在动态信号激励下产生面外振动，当振动频率与振动移动机构的共振频率一致时振动移动机构产生剧烈振动，支撑足与地面产生碰撞力使振动移动机构产生运动。
进一步的，所述动态信号为偏置的正弦信号或三角波信号。
进一步的，碳膏电极形状为长条形或圆形。
一种基于智能材料驱动的振动移动机构的制备方法，包括以下步骤：
1）将介电弹性体材料在拉伸装置上进行等双轴3×3以上倍数的预拉伸，然后将上框架和下框架对齐贴到预拉伸后的介电弹性体材料上下两面进行约束，然后将约束住的介电弹性体材料剪下；
2）在上框架上粘上表面铜箔电极，在下框架上粘下表面铜箔电极，上表面铜箔电极和下表面铜箔电极位于振动移动机构上相对的两侧；
3）然后在介电弹性体材料上表面涂覆电连接上表面铜箔电极的上表面碳膏电极，在介电弹性体材料下表面涂覆电连接下表面铜箔电极的下表面碳膏电极；
4）将上下框架与支撑足固定。
进一步的，步骤3）中预先在介电弹性体材料上粘附镂空有预想电极形状的离型纸再涂覆碳膏电极，然后将离型纸取下得到预定形状的碳膏电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的振动移动机构其核心驱动器基于介电弹性体智能材料，其具有能量密度高、质量轻、易于成形以及经受大变形而不易疲劳等优点，而且特有的电致变形特性也使得设计出的移动机构结构及制作工艺简单且具有较小的重量。
本发明所采用的介电弹性材料在外加电激励下可产生大变形，当激励撤除后，它又能恢复到原始的形状尺寸，相对于传统智能材料，具有质量轻、运动灵活、能耗低、易于成形以及经受大变形而不易疲劳损伤等突出优点。本发明利用“人工肌肉”—介电弹性体材料设计的基于谐振机理的振动移动机构，有效解决现有的微小型移动机构结构复杂、制作工艺繁琐的缺点。
附图说明
图1为本发明一种基于智能材料的振动移动机构结构示意图。
图2为振动移动机构的侧视图。
图3为驱动器结构示意图。
图4支撑足结构示意图。
其中：1-1为上表面有机玻璃框架、1-2为下表面有机玻璃框架、2-1为上表面碳膏电极、2-2为下表面碳膏电极、3为VHB4910胶带、4为支撑足、5-1为上表面铜箔电极、5-2为下表面铜箔电极。
具体实施方式
下面结合实施实例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明一种基于智能材料的振动移动机构，主要包括驱动器（图3）与支撑足4（图4）两部分。其中支撑足4为直接3D打印的结构件，而驱动器需要先将VHB4910胶带在拉伸装置上进行等双轴3×3以上倍数的预拉伸，然后将上表面有机玻璃框架1-1和下表面有机玻璃框架1-2对齐贴到预拉伸后的VHB4910胶带上下两面进行约束，然后将约束住的VHB4910胶带3剪下，在上表面有机玻璃框架1-1上粘上表面铜箔电极5-1，在下表面有机玻璃框架1-2上粘下表面铜箔电极5-2，上表面铜箔电极5-1和下表面铜箔电极5-2位于振动移动机构上相对的两侧；然后在VHB4910胶带上表面涂覆电连接上表面铜箔电极5-1的上表面碳膏电极2-1，在VHB4910胶带下表面涂覆电连接下表面铜箔电极5-2的下表面碳膏电极2-2，上表面碳膏电极2-1和下表面碳膏电极2-2在竖直方向上投影重合。为了使碳膏电极的形状保持规则，可以先在VHB上粘附镂空有预想电极形状的离型纸再涂碳膏，然后将离型纸取下即可得到预定形状的碳膏电极。然后将驱动器与四个支撑足4组装后即可得到移动机构。
具体实施方式一：将偏置后正弦信号经高压放大器放大后连接到涂覆有圆形或长条形碳膏电极的移动机构的铜箔电极上，当输入信号频率达到机构共振频率时可实现机构的移动。
具体实施方式二：将三角波信号经高压放大器放大后连接到涂覆有圆形或长条形碳膏电极的移动机构的铜箔电极上，当输入信号频率达到机构共振频率时可实现机构的移动。
本发明一种基于智能材料的振动移动机构，核心驱动部分采用3M公司的VHB 4910胶带经等双轴预拉伸后上下粘贴有机玻璃框架进行位移约束，然后在其上下表面均匀涂覆流质碳膏电极组成三明治结构，在有机玻璃框架上贴上铜箔电极并与上下碳膏电极接触，加载千伏级别的高压电，在麦克斯韦应力的作用下VHB会在厚度方向产生变形，给予一动态信号激励在一定条件下会产生面外振动，当振动频率与结构的共振频率一致时机构将产生剧烈振动。由于驱动器的四个角上装配有3D打印的支撑足结构，当驱动器剧烈振动时，支撑足与地面产生碰撞力使结构产生运动。
以上内容是结合具体的优选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方式仅限于此，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所做出若干简单的推演或替换都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种基于智能材料驱动的振动移动机构，其特征在于，包括驱动器与支撑足(4)；
驱动器包括介电弹性体材料、上框架和下框架；介电弹性体材料夹持于上框架和下框架之间；上框架和下框架固定于若干支撑足上；
上框架设置有上表面铜箔电极(5-1)，下框架上设有下表面铜箔电极(5-2)，上表面铜箔电极(5-1)和下表面铜箔电极(5-2)位于振动移动机构上相对的两侧；介电弹性体材料上表面涂覆有电连接上表面铜箔电极(5-1)的上表面碳膏电极(2-1)，介电弹性体材料下表面涂覆有电连接下表面铜箔电极(5-2)的下表面碳膏电极(2-2)；
信号发生器经高压放大器连接上表面铜箔电极(5-1)和下表面铜箔电极(5-2)；将动态高压信号施加在介电弹性体材料上，在麦克斯韦应力的作用下介电弹性体材料在厚度方向产生变形，同时在动态信号激励下产生面外振动，当振动频率与振动移动机构的共振频率一致时振动移动机构产生剧烈振动，支撑足与地面产生碰撞力使振动移动机构产生运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能材料驱动的振动移动机构，其特征在于，所述介电弹性体材料为VHB4910胶带。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能材料驱动的振动移动机构，其特征在于，夹持于上框架和下框架之间的介电弹性体材料预先进行了等双轴3×3以上倍数的预拉伸。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能材料驱动的振动移动机构，其特征在于，上框架和下框架为有机玻璃框架。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能材料驱动的振动移动机构，其特征在于，上表面碳膏电极(2-1)和下表面碳膏电极(2-2)在竖直方向上投影重合。
6.根据权利要求1所述的一种基于智能材料驱动的振动移动机构，其特征在于，所述动态信号为偏置的正弦信号或三角波信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于智能材料驱动的振动移动机构，其特征在于，碳膏电极形状为长条形或圆形。
8.权利要求1至7中任一项所述的一种基于智能材料驱动的振动移动机构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将介电弹性体材料在拉伸装置上进行等双轴3×3以上倍数的预拉伸，然后将上框架和下框架对齐贴到预拉伸后的介电弹性体材料上下两面进行约束，然后将约束住的介电弹性体材料剪下；
2)在上框架上粘上表面铜箔电极(5-1)，在下框架上粘下表面铜箔电极(5-2)，上表面铜箔电极(5-1)和下表面铜箔电极(5-2)位于振动移动机构上相对的两侧；
3)然后在介电弹性体材料上表面涂覆电连接上表面铜箔电极(5-1)的上表面碳膏电极(2-1)，在介电弹性体材料下表面涂覆电连接下表面铜箔电极(5-2)的下表面碳膏电极(2-2)；
4)将上下框架与支撑足固定。
9.根据权利要求8所述的的制备方法，其特征在于，步骤3)中预先在介电弹性体材料上粘附镂空有预想电极形状的离型纸再涂覆碳膏电极，然后将离型纸取下得到预定形状的碳膏电极。
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