CN108527443B - 基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构及制作方法，包括第一静电吸附装置、中间加夹层和第二静电吸附装置；第一静电吸附装置和第二静电吸附装置结构相同，中间加夹层设置在第一静电吸附装置和第二静电吸附装置之间，整体构成阻塞结构；本发明通过对静电吸附装置施加不同电压，能够实现不同刚度的变化；通过电压的大小去调节刚度的大小，具有良好的可控性，同时变刚度效果较明显，且不产生噪声。
Description
技术领域
本发明属于智能材料与智能结构领域，特别涉及基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构及制作方法。
背景技术
变刚度技术可应用于主动吸振，单元驱动等领域，例如飞机发动机的减振降噪，房屋、桥梁等建筑的抗震等，不管是在科学研究还是在工程应用中，变刚度技术都有着举足轻重的作用。目前实现变刚度的方法和技术有：电流变技术，磁流变技术，变刚度弹簧等，其中电流变技术与磁流变技术发展尚不成熟，可控性难以保证，变刚度弹簧机构较为复杂，其形状固定，适用对象有限。近年来，静电吸附技术以其不破坏被吸物品、吸力可控等优势发展迅速。目前的静电吸附技术主要用于吸附物品，美国科学家Herbert Shea等将静电吸附原理应用于制作机器人的抓手，用以吸附、抓取外形不规则的物体，在国内，华南理工大学在爬墙机器人的设计中运用静电吸附原理来制作机器人吸附墙壁的履带。阻塞结构是限制中间夹层运动的一种结构，西安交通大学通过阻塞结构设计出了气动手术臂，可实现一定的变刚度要求，但气体驱动设备较为复杂，且气泵噪声较大，不利于满足减振降噪的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构及制作方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，包括第一静电吸附装置、中间加夹层和第二静电吸附装置；第一静电吸附装置和第二静电吸附装置结构相同，中间加夹层设置在第一静电吸附装置和第二静电吸附装置之间，整体构成阻塞结构；
第一静电吸附装置包括基底、封膜和电极材料；电极材料设置在基底上表面，封膜设置在电极材料上表面，电极材料在基底上表面呈梳齿状；当第一静电吸附装置1和第二静电吸附装置通直流电压时，第一静电吸附装置、中间加夹层和第二静电吸附装置贴合。
进一步的，中间加夹层为金属片、纸张或PET薄膜。
进一步的，基底由质量配比为9：1的00-20型硅橡胶和纳米钛酸钡颗粒混合制成，厚度为200-400μm。
进一步的，电极材料为碳膏和硅橡胶混合物，质量配比为1：1，厚度为150-200μm。
进一步的，封膜为186型硅橡胶，厚度为200-400μm。
进一步的，基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构的制作方法，基于上述任意一项所述的基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，具体步骤包括：
1)将PET薄膜放置在激光切割机的操作台上，对激光切割机输入画好的梳齿状电极形状，调好切割速度和切割功率，启动切割机，得到掩膜版；
2)制作静电吸附装置，使用流延机在PET薄膜上流延一层基底，待其加热固化；然后将掩膜版紧密贴合在基底上，再使用流延机在基底上流延一层电极材料，然后将掩膜版取下，加热至电极材料固化；接着在电极材料上流延一层封膜，加热使膜固化；最后使用刀片将静电吸附装置从PET薄膜上取下；
3)对两个静电吸附装置施加直流电压，第一静电吸附装置的下表面吸附中间加夹层的上表面，第二静电吸附装置的上表面吸附中间夹层的下表面，三层结构紧密贴合，增大了彼此间的摩擦力，提高了等效刚度。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过对静电吸附装置施加不同电压，能够实现不同刚度的变化；通过电压的大小去调节刚度的大小，具有良好的可控性，同时变刚度效果较明显，且不产生噪声。
本发明的机构结构简单，工艺简单，利于推广。
本发明通过激光切割不同形状的掩膜版，流延不同形状的电极，电极材料固化后模量较小，可以进行弯曲、拉伸、扭转、对折等动作，因此不受结构形状的制约。
附图说明
图1为基于柔性梳齿电极静电吸附的阻塞变刚度结构示意图。
图2为单个静电吸附装置的等轴侧剖视图。
图3为掩膜板示意图。
图4为拉伸实验结果。
其中：1、第一静电吸附装置；2、中间加夹层；3、第二静电吸附装置；4、基底；5、封膜；6、电极材料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1-图4，基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，包括第一静电吸附装置1、中间加夹层2和第二静电吸附装置3；第一静电吸附装置1和第二静电吸附装置3结构相同，中间加夹层2设置在第一静电吸附装置1和第二静电吸附装置3之间，整体构成阻塞结构；
第一静电吸附装置1包括基底4、封膜5和电极材料6；电极材料6设置在基底4上表面，封膜5设置在电极材料6上表面，电极材料6在基底4上表面呈梳齿状；当第一静电吸附装置1和第二静电吸附装置3通直流电压时，第一静电吸附装置1、中间加夹层2和第二静电吸附装置3贴合。
中间加夹层2为金属片、纸张或PET薄膜。
基底4由质量配比为9：1的00-20型硅橡胶和纳米钛酸钡颗粒混合制成，厚度为200-400μm。
电极材料6为碳膏和硅橡胶混合物，质量配比为1：1，厚度为150-200μm。
封膜5为186型硅橡胶，厚度为200-400μm。
基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构的制作方法，具体步骤包括：
1)将PET薄膜放置在激光切割机的操作台上，对激光切割机输入画好的梳齿状电极形状，调好切割速度和切割功率，启动切割机，得到掩膜版；
2)制作静电吸附装置，使用流延机在PET薄膜上流延一层基底4，待其加热固化；然后将掩膜版紧密贴合在基底4上，再使用流延机在基底上流延一层电极材料6，然后将掩膜版取下，加热至电极材料6固化；接着在电极材料6上流延一层封膜5，加热使膜固化；最后使用刀片将静电吸附装置从PET薄膜上取下；
3)对两个静电吸附装置施加直流电压，第一静电吸附装置1的下表面吸附中间加夹层2的上表面，第二静电吸附装置3的上表面吸附中间夹层2的下表面，三层结构紧密贴合，增大了彼此间的摩擦力，提高了等效刚度。
Claims (6)
1.基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，其特征在于，包括第一静电吸附装置(1)、中间加夹层(2)和第二静电吸附装置(3)；第一静电吸附装置(1)和第二静电吸附装置(3)结构相同，中间加夹层(2)设置在第一静电吸附装置(1)和第二静电吸附装置(3)之间，整体构成阻塞结构；
第一静电吸附装置(1)包括基底(4)、封膜(5)和电极材料(6)；电极材料(6)设置在基底(4)上表面，封膜(5)设置在电极材料(6)上表面，电极材料(6)在基底(4)上表面呈梳齿状；当第一静电吸附装置(1)和第二静电吸附装置(3)通直流电压时，第一静电吸附装置(1)、中间加夹层(2)和第二静电吸附装置(3)贴合。
2.根据权利要求1所述的基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，其特征在于，中间加夹层(2)为金属片、纸张或PET薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，其特征在于，基底(4)由质量配比为9：1的00-20型硅橡胶和纳米钛酸钡颗粒混合制成，厚度为200-400μm。
4.根据权利要求1所述的基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，其特征在于，电极材料(6)为碳膏和硅橡胶混合物，质量配比为1：1，厚度为150-200μm。
5.根据权利要求1所述的基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，其特征在于，封膜(5)为186型硅橡胶，厚度为200-400μm。
6.基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构的制作方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的基于静电吸附与阻塞原理的柔性变刚度机构，具体步骤包括：
1)将PET薄膜放置在激光切割机的操作台上，对激光切割机输入画好的梳齿状电极形状，调好切割速度和切割功率，启动切割机，得到掩膜版；
2)制作静电吸附装置，使用流延机在PET薄膜上流延一层基底(4)，待其加热固化；然后将掩膜版紧密贴合在基底(4)上，再使用流延机在基底上流延一层电极材料(6)，然后将掩膜版取下，加热至电极材料(6)固化；接着在电极材料(6)上流延一层封膜(5)，加热使膜固化；最后使用刀片将静电吸附装置从PET薄膜上取下；
3)对两个静电吸附装置施加直流电压，第一静电吸附装置(1)的下表面吸附中间加夹层(2)的上表面，第二静电吸附装置(3)的上表面吸附中间夹层(2)的下表面，三层结构紧密贴合，增大了彼此间的摩擦力，提高了等效刚度。
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