CN107294422B - 双向多稳态介电弹性体驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种双向多稳态介电弹性体驱动器，包括：壳体、设置于壳体内的介电弹性体驱动带、执行轴和执行块，其中：执行块通过介电弹性体驱动带与壳体内壁相连，介电弹性体驱动带呈X字形设置将执行块固定于壳体中心位置，壳体的上侧、下侧、左侧和右侧分别设有固定磁铁单元，执行轴沿壳体前后方向穿设于执行块，壳体前侧和后侧设有圆形通孔，本发明结构紧凑，实现平面内两个方向共五个稳态位置的执行和切换，质量轻、操作安静、响应快、控制方便精度高，降低了能耗，减少了介电弹性体薄膜失稳击穿的可能性，增大了驱动器平面内的驱动范围。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种驱动器领域的技术，具体是一种双向多稳态介电弹性体驱动器。
背景技术
传统的机械驱动方式大多是电机驱动、液压驱动及气动驱动，这些驱动方式都是刚性驱动，往往结构复杂笨重、响应时间长、噪音大、柔顺性差，不利于人机交互。介电弹性体作为一种新型电活性聚合物，由于其具有高能量密度、高机电转换效率、响应速度快、机械输出大、质轻、成本低等优点，而被广泛的应用于软体机器人、驱动器、智能光学器件、俘能器等领域。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种双向多稳态介电弹性体驱动器，结构紧凑，实现平面内两个方向共五个稳态位置的执行和切换，质量轻、操作安静、响应快、控制方便精度高，短时间施加电压控制降低了能耗，减少了介电弹性体薄膜失稳击穿的可能性，增大了驱动器平面内的驱动范围。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：壳体、设置于壳体内的介电弹性体驱动带、执行轴和执行块，其中：执行块通过介电弹性体驱动带与壳体内壁相连，介电弹性体驱动带呈X字形设置将执行块固定于壳体中心位置，壳体的上侧、下侧、左侧和右侧分别设有固定磁铁单元，执行轴沿壳体前后方向穿设于执行块，壳体前侧和后侧设有圆形通孔。
所述的介电弹性体驱动带包括：介电弹性体薄膜和约束纤维，其中：约束纤维均匀间隔设置于介电弹性体薄膜表面。
所述的约束纤维材料为PMMA、玻璃纤维或迈拉绝缘板。
所述的执行块为长方体。
所述的执行块的上表面和下表面分别设有两块用于夹持介电弹性体驱动带的固定片。
所述的固定磁铁单元包括：调节螺栓、磁铁座和永磁铁，其中：调节螺栓穿设于壳体，永磁铁通过磁铁座固定于调节螺栓端部且位于壳体内。
所述的永磁铁两侧的壳体内壁设有两矩形限位块。
所述的壳体为长方体。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明内部结构示意图；
图3为本发明结构爆炸示意图；
图4为本发明工作平面示意图；
图5为本发明工作平面横向稳态示意图；
图6为本发明工作平面竖向稳态示意图；
图中：1壳体、2固定磁铁单元、3限位块、4介电弹性体驱动带、5固定片、6执行轴、7执行块、101侧板、102盖板、201调节螺栓、202磁铁座、203永磁铁、401介电弹性体薄膜、402约束纤维。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：壳体1、设置于壳体1内的介电弹性体驱动带4、执行轴6和执行块7，其中：执行块7通过介电弹性体驱动带4与壳体1内壁相连，介电弹性体驱动带4呈X字形设置将执行块7固定于壳体1中心位置，壳体1的上侧、下侧、左侧和右侧分别设有固定磁铁单元2，执行轴6沿壳体1前后方向穿设于执行块7，壳体1前侧和后侧设有圆形通孔。
如图2～3所示，所述的壳体1为长方体，其上侧和下侧为盖板102，盖板102之间由四块侧板101组成。介电弹性体驱动带4包括：带状的介电弹性体薄膜401和约束纤维402，其中：约束纤维402均匀间隔设置于介电弹性体薄膜401表面，使得介电弹性体驱动带4也呈矩形。
所述的介电弹性体薄膜401经过一定的预拉伸以提高其执行应变和刚度，介电弹性体薄膜401材料可为聚丙烯酸酯、天然橡胶或硅胶，柔性电极材料可为导电碳膏、单壁碳纳米管或银纳米线导电液。约束纤维402用来保持薄膜宽度方向的预拉伸以提高介电弹性体薄膜401的电致应变，其可为条状或圆棒状，分别两两相对的粘附在薄膜两侧，每组约束纤维402间隔距离尽量保持一致，其材料可为PMMA、玻璃纤维、迈拉绝缘板等。在介电弹性体驱动带4制作时先在介电弹性体薄膜401上粘接约束纤维402和中间的固定片5，然后涂抹电极。
所述的执行块7上侧和下侧分别设有两块用于夹持介电弹性体驱动带402的固定片5。介电弹性体驱动带4为两条，介电弹性体驱动带4两端分别固定于壳体1内的同侧棱边，执行块7上表面通过固定片5与上侧介电弹性体驱动带4中部相连，执行块7测下表面通过两固定片5与下侧的介电弹性体驱动带4相连，从而将执行块7固定于壳体1中心处。
所述的壳体1的上侧、下侧、左侧和右侧分别设有固定磁铁单元2。固定磁铁单元2包括：调节螺栓201、磁铁座202和永磁铁203，其中：调节螺栓201穿设于壳体1，永磁铁203通过磁铁座202固定于调节螺栓201端部且位于壳体1内。调节螺栓201外周面设有螺纹，通过旋转使得调节螺栓201可以旋进旋出。每一永磁铁203两侧的壳体1内壁设有两矩形限位块3，限位块3位于永磁铁203两侧，以限定永磁铁203和执行块7之间的距离，防止因距离较近产生过大吸力。
如图4所示，所述的介电弹性体驱动带4在介电弹性体薄膜401的作用下形成X字形，介电弹性体驱动带4被分为DE1、DE2、DE3和DE4四个部分，并与铝箔和导线相连。
如图5～6所示，所述的执行块7的材料为能被磁铁吸引的磁性物质，如铁、镍或混有铁、镍的轻质材料。执行块7受到四块介电弹性体薄膜401的拉力和四个永磁铁203的吸引力而处于初始的平衡位置O。此时，由于执行块7距四个永磁铁203都较远，所以吸引力较小。当对DE2和DE4施加一定电压时，介电弹性体薄膜401会在麦克斯韦应力的作用下发生厚度减小面积扩大的变形，由于介电弹性体薄膜401其中一个方向被约束纤维402约束住，所以只会在长度方向上伸长，即DE2和DE4会伸长且弹性回复力减小，而DE1和DE3的弹性回复力不变，执行块7受到指向左方的合力而向左边移动，与左边永磁铁的距离逐渐减小，永磁铁203对执行块7的吸引力会逐渐增大，最后执行块7会与限位块3接触，此时可卸去加载电压，执行块7达到新的平衡位置X1，并在左边永磁铁203的吸引力、四块介电弹性体薄膜401的弹性回复力和限位块3的支撑反力的共同作用下保持稳定。要想使执行块7从稳态位置X1返回O，则只需给DE1和DE3施加一定电压，减小其弹性回复力，此时合力方向指向右方使执行块7往右移动，当快达到中间位置O时卸去电压，执行块7即可回到稳定位置O，如果在回复过程中不断电，则执行块7会一直运动到右端的稳定位置X2处，并在撤去电压后在X2处保持稳定，从X2处回到O处则只需在DE2和DE4上施加足够高的电压。同理，执行块7在稳定位置O、Y1、Y2间的切换也可以通过在不同介电弹性体薄膜401上施加电压实现。因此，本驱动器一共具有平面内两个方向的共五个稳定位置：O、X1、X2、Y1和Y2。
与现有技术相比，本发明结构紧凑，实现平面内五个稳态位置的执行和切换，质量轻、操作安静、响应快、控制方便精度高，降低了能耗，减少了介电弹性体薄膜失稳击穿的可能性，增大了驱动器平面内的驱动范围。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (7)
1.一种双向多稳态介电弹性体驱动器，其特征在于，包括：壳体、设置于壳体内的介电弹性体驱动带、执行轴和执行块，其中：执行块通过介电弹性体驱动带与壳体内壁相连，介电弹性体驱动带呈X字形设置将执行块固定于壳体中心位置，壳体的上侧、下侧、左侧和右侧分别设有固定磁铁单元，执行轴沿壳体前后方向穿设于执行块，壳体前侧和后侧设有圆形通孔；介电弹性体驱动带包括：介电弹性体薄膜和约束纤维，其中：约束纤维均匀间隔设置于介电弹性体薄膜表面。
2.根据权利要求1所述的双向多稳态介电弹性体驱动器，其特征是，所述的约束纤维材料为PMMA或玻璃纤维。
3.根据权利要求1所述的双向多稳态介电弹性体驱动器，其特征是，所述的执行块为长方体。
4.根据权利要求3所述的双向多稳态介电弹性体驱动器，其特征是，所述的执行块的上表面和下表面分别设有两块用于夹持介电弹性体驱动带的固定片。
5.根据权利要求1所述的双向多稳态介电弹性体驱动器，其特征是，所述的固定磁铁单元包括：调节螺栓、磁铁座和永磁铁，其中：调节螺栓穿设于壳体，永磁铁通过磁铁座固定于调节螺栓端部且位于壳体内。
6.根据权利要求5所述的双向多稳态介电弹性体驱动器，其特征是，所述的永磁铁两侧的壳体内壁设有两矩形限位块。
7.根据权利要求1所述的双向多稳态介电弹性体驱动器，其特征是，所述的壳体为长方体。
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