CN108551276B - 一种具有介电弹性体驱动元件的马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有介电弹性体驱动元件的马达，包括驱动元件，驱动元件固定在刚性支撑构件内，刚性支撑构件为匚型，刚性支撑构件的底板两端设置有轴承支座，轴承支座内嵌套有轴承，两个轴承之间设置有曲轴，曲轴上设置有若干个连杆，刚性支撑构件的侧板内壁上竖直开设有若干个滑槽，驱动元件能够沿滑槽上下滑动，驱动元件上端固定在刚性支撑构件的顶板上，下端铰接在连杆上。本发明还公开了驱动元件的制作方法，包括对介电弹性体基体施加预拉伸固定后，对其上下表面粘贴刚性夹板和约束条，并在其上下表面涂覆柔性电极。本发明所提出的柔性马达整体结构简单新颖、加载控制便捷，具有较高的旋转速度以及超轻的重量，且具有很强的扩展与通用性。
Description
技术领域
本发明属于智能仿生驱动与控制技术领域，具体涉及一种具有介电弹性体驱动元件的马达，本发明还涉及一种介电弹性体驱动元件的制作方法。
背景技术
马达又称为电动机或者发动机，其原理为通电线圈在磁场中受力转动带动转子旋转，进而通过飞轮驱动外部设备工作，传统的马达体积庞大、结构复杂、成本昂贵且容易产生噪音，从而限制了传统马达在仿生机器人、智能驱动以及军事侦探等领域的应用。介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE) 作为一种新型电活性聚合物材料，具有变形大、高能量密度、质轻价廉、机电转换效率高以及易于加工成形和不易疲劳损伤等突出优点而在智能驱动与传感、仿生机器人以及能量俘获等领域具有潜在的应用前景。
目前基于介电弹性体材料的柔性马达主要是利用弹性薄膜的平面扩张变形来实现，其工作原理为：将介电弹性体薄膜划分为若干个相互独立的驱动区域，每一个驱动区域分别与独立的外界电路连接，通过外部控制依次对各区域进行加载，不同区域的依次扩张变形带动外部机构旋转，从而实现薄膜平面变形到旋转运动的转换；控制各区域的加载速率可调控柔性马达的转速。这类基于介电弹性体材料的柔性马达虽然能够将薄膜的平面变形转换为旋转运动，但这种结构产生的有效驱动变形与驱动力较小且往往需要刚性框架来保持弹性薄膜的预张拉状态，而且还需要偏心轴承与齿轮等外部机构来实现旋转运动的转换，这些因素使得这类柔性马达的应用受到了很大的限制。
因此基于介电弹性体材料开发一款具有结构简单、价格低廉、驱动力大、结构稳定性良好且便于和其他机构集成的柔性马达是介电弹性体材料在仿生机器人与智能驱动等领域一项重要的前期探索与实践。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有介电弹性体驱动元件的马达，解决了现有技术中介电弹性体柔性马达驱动力小以及灵活性差的问题。
本发明的目的还在于提供一种具有介电弹性体驱动元件的马达驱动元件的制作方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种具有介电弹性体驱动元件的马达，包括矩形结构的驱动元件，驱动元件固定在刚性支撑构件内，刚性支撑构件为匚型，刚性支撑构件的底板两端设置有轴承支座，轴承支座内嵌套有轴承，两个轴承之间设置有曲轴，曲轴上设置有若干个连杆，
刚性支撑构件的侧板内壁上竖直开设有若干个滑槽，驱动元件能够沿滑槽上下滑动，驱动元件上端固定在刚性支撑构件的顶板上，下端铰接在连杆上，
驱动元件的两个表面上分别粘贴有导电铝箔，导电铝箔上连接有外加电路。
本发明的特点还在于，
驱动元件包括介电弹性体基体，介电弹性体基体上下两端分别粘贴有刚性夹板，介电弹性体基体两个表面还对称粘贴有若干对约束条，介电弹性体基体两个表面和约束条外表面覆盖有一层柔性电极层，
上端的刚性夹板与刚性支撑构件的顶板固定，下端的刚性夹板与连杆铰接，
导电铝箔粘贴在驱动元件上下表面的柔性电极层上。
柔性电极层的覆盖范围为矩形，柔性电极层高度为两个刚性夹板之间的垂直距离，宽度小于约束条长度。
约束条、刚性夹板是厚度为1mm的PMMA板材。
外加电路为各驱动元件依次施加幅值与周期相同、相位差为90°的阶跃电压。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种具有介电弹性体驱动元件的马达驱动元件的制作方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1、通过拉伸装置对介电弹性体基体施加预拉伸后使用矩形刚性框架固定，
步骤2、在介电弹性体基体上下表面均贴上裁剪好的离型纸模具，将约束条根据离型纸模具设定的区域均匀粘贴在介电弹性体基体上下表面，并在薄膜两端粘接刚性夹板；
步骤3、在离型纸模具露出的区域涂覆柔性电极，形成柔性电极层；
步骤4、采用刀片沿刚性夹板及约束条将驱动元件从整体矩形区域上裁剪下来，即制成了驱动元件。
本发明的特点还在于，
介电弹性体基体选用美国3M公司生产的VHB薄膜。
工作原理：本发明的一种具有介电弹性体驱动元件的马达主要通过四组驱动元件在幅值和周期相同、相位差为90度的阶跃电压激励下产生的面内扩张与收缩变形，并利用连杆和曲轴将平面运动转化为旋转运动，具体为：当第一个驱动元件施加电压激励时，在电场力的作用下，驱动元件沿纵向产生扩张变形并在其他三个驱动元件的共同作用下，与第一个驱动元件相连的连杆推动曲轴转过一定的角度；在第一个驱动元件撤消电压的同时给第二个驱动元件施加电压激励，同样在其他三个驱动元件的共同作用下，与第二个驱动元件相连的连杆继续推到曲轴转过一定的角度，以此类推，各个驱动元件的顺序加载来实现曲轴的连续性旋转，通过调控各个驱动元件的加载频率可以调节柔性马达的转速。
驱动元件加载过程可由外加电路的单片机控制器、低压电路以及高压放大模块来实现，基本原理为：通过程序控制单片机输出来调控低压电路的通断，从而形成不同相位的方波信号，并经过高压放大模块后施加在驱动元件上；其中高压放大模块选用商用的EMCO升压装置。控制电压加载的频率可以调节柔性马达的转速，改变驱动元件的加载顺序可以实现曲轴的反向旋转。
本发明的有益效果是，本发明的一种具有介电弹性体驱动元件的马达其驱动机理为驱动元件在动态电压激励下沿纵向的往复变形，通过新颖的结构设计将四组驱动元件沿纵向的平面运动转换为曲轴的旋转运动，从而实现柔性马达的功能；通过控制介电弹性体基体材料的初始预拉伸以及选用堆栈结构可以大幅度提升柔性马达的驱动力，此外设置驱动元件的电压加载频率控制柔性马达的转速。本发明所设计的柔性马达结构简单、扩展性与通用性强、加载控制简便且价格成本低廉，在智能仿生驱动、柔性机器人以及航空航天探索工程等领域具有潜在的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种具有介电弹性体驱动元件的马达的结构示意图；
图2是本发明一种具有介电弹性体驱动元件的马达驱动元件的结构示意图；
图3是本发明一种具有介电弹性体驱动元件的马达驱动元件的侧视图；
图4是本发明一种具有介电弹性体驱动元件的马达的曲轴结构示意图。
图中，1.刚性支撑构件，2.驱动元件，3.连杆，4.轴承支座，5.轴承，6. 曲轴，21.柔性电极层，22.介电弹性体基体，23.刚性夹板，24.约束条。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种具有介电弹性体驱动元件的马达结构如图1所示，包括矩形结构的驱动元件2，驱动元件2固定在刚性支撑构件1内，刚性支撑构件1为匚型，刚性支撑构件1的底板两端设置有轴承支座4，轴承支座4内嵌套有轴承5，两个轴承5之间设置有曲轴6(如图4所示)，曲轴6上设置有若干个连杆 3，
刚性支撑构件1的侧板内壁上竖直开设有若干个滑槽，驱动元件2能够沿滑槽上下滑动，驱动元件2上端固定在刚性支撑构件1的顶板上，下端铰接在连杆3上，
驱动元件2的两个表面上分别粘贴有导电铝箔，导电铝箔上连接有外加电路。
如图2所示，驱动元件2包括介电弹性体基体22，介电弹性体基体22 上下两端分别粘贴有刚性夹板23，介电弹性体基体22两个表面还对称粘贴有若干对约束条24(如图3所示)，介电弹性体基体22两个表面和约束条 24外表面覆盖有一层柔性电极层21，
上端的刚性夹板23与刚性支撑构件1的顶板固定，下端的刚性夹板23 与连杆3铰接，
导电铝箔粘贴在驱动元件2上下表面的柔性电极层21上。
柔性电极层21的覆盖范围为矩形，柔性电极层21高度为两个刚性夹板 23之间的垂直距离，宽度小于约束条24长度。
约束条24、刚性夹板23是厚度为1mm的PMMA板材。
外加电路为各驱动元件2依次施加幅值与周期相同、相位差为90°的阶跃电压。
介电弹性体基体22在纵向保持有一定的预拉伸量，可以使驱动元件2 实现上下拉伸或收缩。
驱动元件2的制作方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1、通过拉伸装置对介电弹性体基体22施加预拉伸后使用矩形刚性框架固定，
步骤2、在介电弹性体基体22上下表面均贴上裁剪好的离型纸模具，将约束条24根据离型纸模具设定的区域均匀粘贴在介电弹性体基体22上下表面，并在薄膜两端粘接刚性夹板23；
步骤3、在离型纸模具露出的区域涂覆柔性电极，形成柔性电极层21；
步骤4、采用刀片沿刚性夹板23及约束条24将驱动元件2从整体矩形区域上裁剪下来，即制成了驱动元件2。
介电弹性体基体选用美国3M公司生产的VHB薄膜。
离型纸模具与驱动元件2大小一致，并且是裁减掉涂覆柔性电极和粘贴约束条24位置的区域。
本发明的一种具有介电弹性体驱动元件的马达主要依靠驱动元件2的扩张变形实现曲轴的旋转运动，驱动元件2、滑槽、以及约束条数量可根据实际需求进行增减，灵活性高，可满足大驱动力的需求。不仅结构简单、可操作性强、价格成本低廉，能够方便与其他机构集成，而且通过控制驱动元件的加载频率以及加载顺序不仅调节柔性马达的工作转速，而且能够实现柔性马达在正反两个方向的工作，特别对于基于介电弹性体仿生驱动和机器人的研究和开发具有较强的通用性和可扩展性。
以上内容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在不脱离本发明构思的前提下所作出的任何修改、补充和等同替换等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种具有介电弹性体驱动元件的马达，其特征在于，包括矩形结构的驱动元件(2)，所述驱动元件(2)固定在刚性支撑构件(1)内，所述刚性支撑构件(1)为匚型，所述刚性支撑构件(1)的底板两端设置有轴承支座(4)，所述轴承支座(4)内嵌套有轴承(5)，两个所述轴承(5)之间设置有曲轴(6)，所述曲轴(6)上设置有若干个连杆(3)，
所述刚性支撑构件(1)的侧板内壁上竖直开设有若干个滑槽，所述驱动元件(2)能够沿滑槽上下滑动，所述驱动元件(2)上端固定在刚性支撑构件(1)的顶板上，下端铰接在连杆(3)上，
所述驱动元件(2)的两个表面上分别粘贴有导电铝箔，所述导电铝箔上连接有外加电路；
所述驱动元件(2)包括介电弹性体基体(22)，所述介电弹性体基体(22)上下两端分别粘贴有刚性夹板(23)，所述介电弹性体基体(22)两个表面还对称粘贴有若干对约束条(24)，所述介电弹性体基体(22)两个表面和约束条(24)外表面覆盖有一层柔性电极层(21)，
所述上端的刚性夹板(23)与刚性支撑构件(1)的顶板固定，下端的刚性夹板(23)与连杆(3)铰接，
所述导电铝箔粘贴在驱动元件(2)上下表面的柔性电极层(21)上；
所述外加电路为各驱动元件(2)依次施加幅值与周期相同、相位差为90°的阶跃电压。
2.根据权利要求1所述的一种具有介电弹性体驱动元件的马达，其特征在于，所述柔性电极层(21)的覆盖范围为矩形，所述柔性电极层(21)高度为两个刚性夹板(23)之间的垂直距离，宽度小于约束条(24)长度。
3.根据权利要求1所述的一种具有介电弹性体驱动元件的马达，其特征在于，所述约束条(24)、刚性夹板(23)是厚度为1mm的PMMA板材。
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