CN108039833A - 一种介电高弹体球体形驱动器 - Google Patents
一种介电高弹体球体形驱动器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108039833A CN108039833A CN201711463232.0A CN201711463232A CN108039833A CN 108039833 A CN108039833 A CN 108039833A CN 201711463232 A CN201711463232 A CN 201711463232A CN 108039833 A CN108039833 A CN 108039833A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vhb
- ball
- conduit
- latex balloon
- dielectric elastomer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229920002595 Dielectric elastomer Polymers 0.000 title claims description 23
- 239000004816 latex Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229920000126 latex Polymers 0.000 claims abstract description 37
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 13
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims 1
- 229920002627 poly(phosphazenes) Polymers 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 31
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 6
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-NJFSPNSNSA-N helium-6 atom Chemical compound [6He] SWQJXJOGLNCZEY-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- FGRBYDKOBBBPOI-UHFFFAOYSA-N 10,10-dioxo-2-[4-(N-phenylanilino)phenyl]thioxanthen-9-one Chemical compound O=C1c2ccccc2S(=O)(=O)c2ccc(cc12)-c1ccc(cc1)N(c1ccccc1)c1ccccc1 FGRBYDKOBBBPOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000800 acrylic rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 210000000481 breast Anatomy 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- -1 carbon lipid Chemical class 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229920000344 molecularly imprinted polymer Polymers 0.000 description 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
- H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
Landscapes
- Toys (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于介电高弹体的软球体驱动器的结构,由VHB高分子聚合物膜、乳胶气球、导电碳脂、铜片、硬质框架,阀门、导管和氦气组成。介电体VHB薄膜放置在乳胶气球的外部,球膜双面都涂有导电碳脂,铜片用于连接外加高压,由导管充入氦气,导管与阀门连接以便调节进气量。存在以下三种方法可以驱动该软球体:(1)在高电压作用下,两种材料的体积可以同时扩张;(2)先驱动内部天然乳胶气球,然后乳胶球破裂后,继续对外层VHB球膜施加高电压,系统整体体积进一步增大;(3)用高压驱动仅驱动VHB球膜,用压力传感器测球内相关参数变化。本发明相对于现有技术,有利于实现软驱动球体的大变形,可有效减小机构尺寸,提升整体结构的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人驱动器领域,特别是涉及一种介电高弹体球体形驱动器。
背景技术
在过去的十年中,机器人的类似肌肉的驱动器得到了迅速发展,比如在光学、生物工程、人机接口,和类-肌肉发电机方面的应用。在不同种类的活性材料中,特别是电活性聚合物软介质材料,具有良好的柔性,大的活性变形、高能量密度、和及时的反应,在介电弹性体致动器中广泛的应用。
软介电质EAP类似于一个兼容的电容器,主体弹性膜夹在两层兼容电极中间,当电压作用于电极之上时,静电力即Maxwell应力借助电极上的电荷在厚度方向挤压弹性体,不可压缩的膜在面内扩张。当电压关闭或者电极短路时,薄膜在弹性力作用下恢复到初始状态。正是由于这种独特的属性,软介质EAP被用于需要灵活大变形的结构;制作驱动器最广泛使用的介电材料是有机硅和丙烯酸弹性体,他们具有低弹性模量和电能,高介电常数和击穿强度等优异的机械性能。
弹性体膜可以制成很多种形状,比如平面,曲面等。有研究设计出了一个VHB 4910折叠袋,内部喷有石墨粉,空气被充入该弹性体薄膜袋使其膨胀至介电薄膜所需的预应力值,通过抖动膨胀的气球,石墨粉能够粘在弹性膜的内表面;然后用刷子把石墨粉和硅油的混合物均匀的涂在气球的外表面。在电压驱动状态下,球体驱动器在某一电压值下,体积显著增大;该设计的不足之处是球体结构在预拉伸状态时不能完全密封,需要间隔地充气。
发明内容
为了解决现有软驱动球体变形小、结构易漏气等问题,本发明提供一种介电高弹体球体形驱动器。该机构采用高压电驱动,利用乳胶气球良好的密封性,VHB介电高弹体的易变形,和Snap-through变形等性能,克服球体体积变形小,可控性能差等缺陷,实现大变形,节能,和可控的飞行;本发明提供一种介电高弹体球体形驱动器,包括导管、阀门、VHB高分子聚合物球膜、铜片、乳胶气球、氦气和可导电的兼容电极,所述VHB高分子聚合物球膜内部有导管、乳胶气球和氦气,所述VHB高分子聚合物膜覆盖在乳胶气球外部构成整个介电弹性体球壳,所述阀门位于整个介电弹性体球壳外部与导管相连,所述导管固定在乳胶气球内部,所述VHB高分子聚合物球膜内插装有铜片,所述可导电的兼容可拉伸结构分别涂在VHB高分子聚合物球膜和乳胶气球的球膜的双面,所述铜片接外控设备。
本发明的进一步改进,所述外控设备包括电控设备、连接板和高压放大器,所述连接板将电控设备和高压放大器相连,所述高压放大器接铜片,连接板一端与电控设备相连,一端与Trek 10/40A高压放大器相连,用于低压端输入;Trek 10/40A高压放大器与铜片连接,输出高压到高弹体球膜上。
本发明的进一步改进,所述高压放大器为Trek 10/40A高压放大器,所述连接板为BNC2120连接板,本发明高压放大器和连接板主要采用以上两个型号,其中Trek 10/40A高压放大器可以输出不同频率的交流电压和直流电压。
本发明的进一步改进,所述可导电的兼容电极为可导电的兼容可拉伸碳脂或透明的导电液胶体,涂在VHB高分子聚合物膜和乳胶气球上是可导电的兼容可拉伸碳脂,弹性体类似于一个电容,膜上一面电极通正电荷,另外一面通负电荷,防止发生短路现象,碳脂分别涂在VHB膜和乳胶球膜的双面,在不断膨胀的球体环境下,密度变薄,仍可以导电,可导电的兼容可拉伸碳脂也可以被透明的导电液状胶体替代,但是透明的胶状液容易随着时间而凝固,保质期较短,约是几小时;而碳脂可以放置很久,一般为几天。
本发明提供一种介电高弹体球体形驱动器,其优点如下:
1)本发明可以实现可控的结构大变形,具体方法可以增大电压、直径、预拉伸和预加载以达到目标;初始体积,碳脂密度对于大变形也比较重要;体积值变化越大,可以控制的质量越多。
2)本发明采用乳胶气球与VHB材料结合的方式实现了良好的结构密封,效果稳定,且能实现两种材料的不同压力转化。
3)本发明采用千伏级高电压控制,可以通过编程与电压放大的方式,实现软驱动氦气球的振动旋转,并产生可控的浮力。
附图说明
图1为本发明本发明软驱动球体三维结构图;
图2是本发明软驱动球体整体测试结构示意图;
图3a是本发明软驱动球体变形状态一示意图;
图3b是本发明软驱动球体变形状态二示意图;
图3c是本发明软驱动球体变形状态三示意图;
图4a是本发明软驱动球体内压力变化现象示意图一;
图4b是本发明软驱动球体内压力变化现象示意图二;
图示说明:
1为导管,2为阀门,3为VHB高分子聚合物球膜,4为铜片,5为乳胶气球,6为氦气,7为相机,8为电控设备,9为连接板,10为高压放大器,11为可导电的兼容可拉伸碳脂,12为压强表。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
本发明提供一种介电高弹体球体形驱动器。该机构采用高压电驱动,利用乳胶气球良好的密封性,VHB介电高弹体的易变形,Snap-through变形等性能,可克服球体体积变形小,可控性能差等缺陷,能实现大变形,节能,和可控的飞行。
具体实施方式如下:
参阅图1至图4所示,展示了本发明一种介电高弹体球体形驱动器,该结构包括导管1,阀门2,VHB高分子聚合物球膜3,铜片4,乳胶气球5,氦气6,相机7,电控设备8,连接板9,高压放大器10,可导电的兼容电极11,其中导管1、乳胶气球5、氦气6位于高分子聚合物膜3内部;阀门2位于整个介电弹性体球壳外部;相机7、电控设备8、连接板9和高压放大器10为驱动器外围试验装置;
导管1固定在乳胶气球5内部,用于充入氦气6,阀门2可连接多个导管,用于调节进气量,VHB高分子聚合物膜3覆盖在乳胶气球5外部,通过铜片4,高压放大器10和可导电的碳脂11,实现整体球壳的变形;
相机7用于捕捉球体变形过程,便于后期Matlab仿真计算;BNC2120连接板9一端与电控设备8的电脑Labview软件相连,一端与Trek 10/40A高压放大器10相连,用于低压端输入;Trek 10/40A高压放大器10与铜片4连接,输出高压到高弹体球膜上;
Trek 10/40A高压放大器10可以放大1000倍,可导电的兼容电极11分别涂在VHB膜和乳胶球膜的双面,在不断膨胀的球体环境下,密度变薄,仍可以导电。
氦气6通过导管1和阀门2充入球体后,密封整个球体结构;实验中,可以同时通过铜片4给VHB高分子聚合物膜3和乳胶气球5施加高压,两球体同时扩张;也可以只给乳胶气球5施加高压带动VHB球膜3增大;或者只给VHB高分子聚合物膜3施加高压,带动乳胶气球5一起变大;
Trek 10/40A高压放大器10可以输出直流电压和不同频率的交流电压,给出交流电信号,检测VHB高分子聚合物球膜3和乳胶气球5的共振频率,直流电检测两者的最大压强或者体积变化值;
涂在VHB高分子聚合物膜3和乳胶气球5上的是可导电的兼容电极11;弹性球体类似于一个电容,膜上一面电极通正电荷,另外一表面通负电荷,防止发生短路现象。
VHB高分子聚合物球膜是一种比乳胶气球更软,弹性更大,介电强度也更强的材料,所以在不断变化电压和压力下VHB高分子聚合物球膜比乳胶气球变形要大很多,但是远远没有内部乳胶气球破裂后,所引起的外层VHB高分子聚合物球膜体积变化大;因为整体结构是密封的,所以氦气总的mol数保持不变。
可导电的兼容可拉伸碳脂也可以被透明的导电液状胶体替代,但是透明的胶状液容易随着时间而凝固,保质期较短,约是几小时;而碳脂可以放置很久,一般为几天。
介电弹性体预拉伸取决于充气后的半径大小,电压与介电弹性体的拉伸率有着密切关系。实现球体可控的大变形非常重要,具体方法可以增大电压、直径、预拉伸和预加载以达到目标;球膜上碳脂的密度对于大变形也有着明显的影响;体积值变化越大,可以被控制的质量越多。
当球壳在厚度方向受到电场作用时,介电高弹体球膜在径向方向扩张,在厚度方向变薄;同种材料的介电体弹性膜,厚度越大,变形相对较小;基于软驱动球体体积变化,可以设计出飞行观测系统,比如氦气球,达到载物可控飞行的目标。
参阅图1和图2,所述导管1通过阀2,往乳胶气球5内充气,VHB介电弹性体膜3贴合在乳胶气球5外部,导电软碳脂均匀涂在VHB介电弹性体膜3和乳胶气球膜5的两表面,高压放大器10通过铜片4与球壳连接。当高压放大器10输出直流高压时,球体明显扩张;当高压放大器10输出交流高压时,球体在不同频率和结构下转动或振动平移运动。
参阅图1、图2和图3,介电高弹体(DE)球由内层乳胶气球5和外层VHB球形膜3组成,通过高压放大器10所施加的直流电压,DE球体积扩张,当球体足够大时,整体系统可以用来控制飞行,设计不同的结构,可以实现全方位运动。
发明理论上可实现的最大压降可得几千Pa,如图4所示。通过加入不同的辅助结构零部件和施加不同的控制信号,实现DE球体各个方向的运动。
本实施例中零部件分为自制和标准件,成本低,替换方便。本发明可实现球体驱动器的实际应用,密封性强,载荷能力大,可控性优良。本发明采用高压电控制,但是电流非常低,能够简化整体结构、易操作,应用性强。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。例如,高压放大器10可以由别的型号,不同大小,不同量级范围的设备替代;乳胶气球5 和VHB介电弹性体膜3可以采用不同的厚度和尺寸;铜片4可以替换成导线等其他方便的导体。如上述实施例所示,导管1另一端可以连接大腔体以优化结构。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作任何其他形式的限制,而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化,仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种介电高弹体球体形驱动器,包括导管(1)、阀门(2)、VHB高分子聚合物球膜(3)、铜片(4)、乳胶气球(5)、氦气(6)和可导电的兼容电极(11),其特征在于:所述VHB高分子聚合物球膜(3)内部有导管(1)、乳胶气球(5)和氦气(6),所述VHB高分子聚合物膜(3)覆盖在乳胶气球(5)的外部构成整个介电弹性体球壳,所述阀门(2)位于整个介电弹性体球壳外部与导管(1)相连,所述导管(1)固定在乳胶气球(5)内部,所述VHB高分子聚合物球膜(3)内外均与铜片(4)连接,乳胶气球(5)内部也有引出铜片,所述可导电的兼容可拉伸结构分别涂在VHB高分子聚合物球膜(3)和乳胶气球(5)球膜的双面,所述铜片(4)接外控设备。
2.根据权利要求1所述的一种介电高弹体球体形驱动器,其特征在于:所述外控设备包括电控设备(8)、连接板(9)和高压放大器(10),所述电控设备(8)通过连接板(9)与高压放大器(10)相连,所述高压放大器(10)接铜片(4)。
3.根据权利要求2所述的一种介电高弹体球体形驱动器,其特征在于:所述高压放大器(10)为Trek 10/40A高压放大器。
4.根据权利要求2所述的一种介电高弹体球体形驱动器,其特征在于:所述连接板(9)为BNC2120连接板。
5.根据权利要求1所述的一种介电高弹体球体形驱动器,其特征在于:所述可导电的兼容电极(11)为可导电的兼容可拉伸碳脂或透明的导电液状胶体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201711463232.0A CN108039833A (zh) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | 一种介电高弹体球体形驱动器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201711463232.0A CN108039833A (zh) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | 一种介电高弹体球体形驱动器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108039833A true CN108039833A (zh) | 2018-05-15 |
Family
ID=62097723
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201711463232.0A Pending CN108039833A (zh) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | 一种介电高弹体球体形驱动器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108039833A (zh) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101252326A (zh) * | 2008-04-11 | 2008-08-27 | 哈尔滨工业大学 | 充气式介电弹性体半球形驱动器 |
CN101252327A (zh) * | 2008-04-11 | 2008-08-27 | 哈尔滨工业大学 | 半球形介电弹性体驱动器的制造方法 |
CN105099262A (zh) * | 2015-08-28 | 2015-11-25 | 浙江大学 | 一种基于介电弹性体的充气式变形体 |
-
2017
- 2017-12-28 CN CN201711463232.0A patent/CN108039833A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101252326A (zh) * | 2008-04-11 | 2008-08-27 | 哈尔滨工业大学 | 充气式介电弹性体半球形驱动器 |
CN101252327A (zh) * | 2008-04-11 | 2008-08-27 | 哈尔滨工业大学 | 半球形介电弹性体驱动器的制造方法 |
CN105099262A (zh) * | 2015-08-28 | 2015-11-25 | 浙江大学 | 一种基于介电弹性体的充气式变形体 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
ZHANG, HUI等: ""Balloon actuators based on the dielectric elastomer"", 《IEEE》 * |
ZHANG, HUI等: ""Harnessing Dielectric Breakdown of Dielectric Elastomer to Achieve Large Actuation"", 《JOURNAL OF APPLIED MECHANICS-TRANSACTIONS OF THE ASME》 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jiang et al. | Optimizing energy harvesting performance of cone dielectric elastomer generator based on VHB elastomer | |
US11795979B2 (en) | Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators | |
Follador et al. | Dielectric elastomer actuators for octopus inspired suction cups | |
Qian et al. | On-vehicle triboelectric nanogenerator enabled self-powered sensor for tire pressure monitoring | |
CN108000557B (zh) | 一种基于静电原理的层阻塞变刚度结构及其制备方法 | |
EP1512215B1 (en) | Electroactive polymer devices for moving fluid | |
Bar-Cohen et al. | Electroactive polymers as actuators | |
US20220088773A1 (en) | Soft electrohydrodynamic actuator | |
CN107493035A (zh) | 石墨烯电极介电弹性体驱动器 | |
CN100581039C (zh) | 充气式介电弹性体半球形驱动器 | |
CN110757434B (zh) | 基于介电弹性体与可调刚度智能流体的人工肌肉及其制法 | |
Shi et al. | A comparative review of artificial muscles for microsystem applications | |
CN110576447A (zh) | 一种电控双向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器 | |
Xu et al. | Self-healing high-performance dielectric elastomer actuator with novel liquid-solid interpenetrating structure | |
Xia et al. | High output compound triboelectric nanogenerator based on paper for self-powered height sensing system | |
Luo et al. | A single-chamber pneumatic soft bending actuator with increased stroke-range by local electric guidance | |
CN110474565A (zh) | 一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器 | |
CN108039833A (zh) | 一种介电高弹体球体形驱动器 | |
于家豪 et al. | Applications of vibration energy harvesting technology in the field of wearable devices | |
An et al. | Control instability and enhance performance of a dielectric elastomer balloon with a passive layer | |
Wu et al. | A self-loading suction cup driven by a resonant dielectric elastomer actuator | |
CN109720520B (zh) | 压力自适应软体智能驱动装置 | |
Lenin et al. | Nanocomposite Dielectric Elastomer Actuator for Micropump Diaphragms-Material Fabrication and Simulation Studies | |
CN108327888A (zh) | 一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法 | |
Chiba et al. | Examination of factors to improve the performance of dielectric elastomer transducers and their applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180515 |