CN108054950A - 一种逆压电效应驱动的人工肌肉 - Google Patents

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唐心田
刘军考
陈维山
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Abstract

本发明公开了一种逆压电效应驱动的人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。它能够在外加电压下产生直线变形，解决了现有人工肌肉输出特性差、效率低、价格高的问题。本发明包括m片压电片与n段柔性基体；压电片之间的间隔用柔性基体填充，相邻的2个压电片之间设置有柔性基体，压电片与柔性基体共同卷绕成螺旋结构。本发明的人工肌肉利用逆压电效应，实现压电片的扭转变形，进而实现柔性基体的扭转变形，利用螺旋结构将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力；该人工肌肉结构简单，体积小，重量轻，能量密度高；利用逆压电效应进行驱动，易于实现变形量与输出力的控制；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换与能量损耗，驱动效率高。

Description

一种逆压电效应驱动的人工肌肉
技术领域
本发明涉及一种逆压电效应驱动的人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。
背景技术
柔性驱动器一直以来都是机器人领域的重要分支，由于传统刚性驱动器体积、重量大，动作刚度高，在一些应用上存在某些局限性。柔性驱动器具有灵活性高、容易变形等特点，易于布置在柔性机器人或狭小的结构中，又因其具有很强的动作柔顺性，易于实现机器人、环境和人的安全交互，具有广阔的应用前景。
目前常见的柔性驱动器包括电活性聚合物、形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料等。这些柔性驱动器价格昂贵，输出力与位移有限，迟滞现象明显，疲劳寿命短，难以满足柔性机器人的需求。
发明内容
本发明为了解决现有人工肌肉输出特性差、驱动效率低、价格昂贵等问题，提出了一种逆压电效应驱动的新型人工肌肉，所采取的技术方案如下：
一种基于逆压电效应的人工肌肉，所述人工肌肉包括m片压电片1和n个柔性基体2，其中，m和n均为大于1的整数，m与n之差为绝对值不大于1的整数；相邻的2个所述压电片1之间设置连接有柔性基体2；所述压电片1与柔性基体2共同卷绕成螺旋结构。螺旋结构长度方向发生变形时，螺旋结构会发生扭转变形。反之，螺旋结构主动产生扭转变形时，螺旋结构将发生长度方向的直线变形。因此，螺旋结构可将较小的扭转变形放大成较大的直线变形。
进一步地，所述柔性基体2采用圆柱状结构或棱柱状结构。
进一步地，所述压电片1采用圆形结构、椭圆形结构或多边形型结构。
进一步地，所述压电片1沿圆周方向极化。
进一步地，所述压电片1工作在d15工作模式。
进一步地，所述柔性基体2使用绝缘材料。
进一步地，所述压电片1与柔性基体2共同卷绕成的螺旋结构经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。
本发明有益效果：
本发明提出的人工肌肉利用逆压电效应，实现压电片的扭转变形，进而实现柔性基体的扭转变形，利用螺旋结构将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力；该人工肌肉结构简单，体积小，重量轻，能量密度高；利用逆压电效应进行驱动，易于实现变形量与输出力的控制；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换与能量损耗，驱动效率高。
附图说明
图1是本发明所述人工肌肉的结构示意图。
图2是本发明所述压电片的极化形式示意图，图中P表示压电片极化方向。
图3是本发明所述压电片的变形形式示意图，图中E表示电场方向。
图4是本发明所述中柔性基体扭转变形示意图。
图5是本发明所述螺旋结构将扭转变形转化成直线变形的原理示意图。
图6是本发明所述人工肌肉长度变形示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
如图1所示，一种基于逆压电效应的人工肌肉，所述人工肌肉包括m片压电片1和n个柔性基体2，其中，m和n均为大于1的整数，m与n之差为绝对值不大于1的整数；相邻的2个所述压电片1之间设置连接有柔性基体2；所述压电片1与柔性基体2共同卷绕成螺旋结构。螺旋结构长度方向发生变形时，螺旋结构会发生扭转变形。反之，螺旋结构主动产生扭转变形时，螺旋结构将发生长度方向的直线变形。因此，螺旋结构可将较小的扭转变形放大成较大的直线变形。
其中，所述柔性基体2采用圆柱状结构或棱柱状结构。所述压电片1采用圆形结构、椭圆形结构或多边形型结构(如四边形结构，六边形结构或八边形结构等)。所述压电片1沿圆周方向极化。所述压电片1工作在d15工作模式。所述柔性基体2使用绝缘材料。所述压电片1与柔性基体2共同卷绕成的螺旋结构经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。其中，d15工作模式为压电片的剪切工作模式，即：压电片极化方向垂直于厚度方向，施加电场方向平行于厚度方向，则压电片在垂直于厚度方向的平面内产生沿极化方向的剪切应变。
本实施例提出的人工肌肉利用逆压电效应，实现压电片的扭转变形，进而实现柔性基体的扭转变形，利用螺旋结构结合压电片的数量设计和结构设计将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力，相对于传统人工肌肉效率提高；该人工肌肉结构简单，体积小，重量轻，能量密度高；通过压电片数量和形状的结合最大程度的利用逆压电效应进行人工肌肉的驱动，易于实现变形量与输出力的控制，降低变形量与输出力的控制难度；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换与能量损耗，驱动效率高。
实施例2：
结合图1至图6说明本实施例，如图1所示，本实施例提出的一种基于逆压电效应的人工肌肉，所述人工肌肉包括25片压电片1和26个柔性基体2，相邻的2个所述压电片1之间设置连接有柔性基体2；所述压电片1与柔性基体2共同卷绕成螺旋结构。
如图2所示，所述压电片1沿圆周方向极化，在压电片1厚度方向施加电场，压电片1将以d15工作模式工作，并产生扭转变形，具体变形结构如图3所示。压电片1的变形将导致柔性基体2的扭转变形，具体变形结构如图4所示。
由于压电片1与柔性基体2卷绕成螺旋结构，螺旋结构将柔性基体2截面的扭转转化成沿螺旋结构轴线方向的直线变形，直线变形如图5所示，从而实现人工肌肉的动作，所述人工肌肉的动作形式如图6所示。
所述柔性基体2使用绝缘材料，可使压电片1之间彼此绝缘。
所述压电片1与柔性基体2共同卷绕成的螺旋结构经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。
本实施例提出的人工肌肉利用逆压电效应，实现压电片的扭转变形，进而实现柔性基体的扭转变形，利用螺旋结构结合压电片的数量设计和结构设计将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力，相对于传统人工肌肉；该人工肌肉结构简单，体积小，重量轻，能量密度高；通过压电片数量和形状的结合最大程度的利用逆压电效应进行人工肌肉的驱动，易于实现变形量与输出力的控制，降低变形量与输出力的控制难度；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换与能量损耗，驱动效率高。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种基于逆压电效应的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉包括m片压电片(1)和n个柔性基体(2)，其中，m和n均为大于1的整数，m与n之差为绝对值不大于1的整数；相邻的2个所述压电片(1)之间设置连接有柔性基体(2)；所述压电片(1)与柔性基体(2)共同卷绕成螺旋结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的人工肌肉，其特征在于，所述柔性基体(2)采用圆柱状结构或棱柱状结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的人工肌肉，其特征在于，所述压电片(1)采用圆形结构、椭圆形结构或多边形型结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的人工肌肉，其特征在于，所述压电片(1)沿圆周方向极化。
5.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的人工肌肉，其特征在于，所述压电片(1)工作在d15工作模式。
6.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的人工肌肉，其特征在于，所述柔性基体(2)使用绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的人工肌肉，其特征在于，所述压电片(1)与柔性基体(2)共同卷绕成的螺旋结构经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。
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