CN109571453A - 基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器 - Google Patents

基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，包括最小能量结构的介电弹性体驱动器，磁流变弹性体薄膜以及柔性电极。所述磁流变弹性体薄膜，无外加磁场时，该膜刚度较小，一旦处于外部磁场作用下，刚度增大10倍以上，从而使得介电弹性体驱动器的刚度发生改变。所述介电弹性体驱动器为长条状多层最小能量结构，自上而下包括：亚克力框架、第一柔性电极层、电活性聚合物层、第二柔性电极层和磁流变弹性体薄膜。本发明结构简单，制作方便，重量轻，在磁场作用下能快速改变驱动器的刚度，从而具有很强的负载能力，可以用于工业机械手，卫星抓取或太空垃圾回收等领域。

Description

基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器
技术领域
本发明涉及软体驱动技术领域，具体涉及一种新型的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器。
背景技术
目前，机器人被广泛应用于社会生产的各个行业，主要代替人从事简单重复的任务，或在人难以到达的危险环境中工作。传统机器人基本采用硬材料制作，如钢铁和塑料等，并依靠电机、液压系统等提供动力，具有精度高、负载大、易于控制等优点，但是传统机器人固有的刚性使得该机器人只能在预定义好的环境中工作，难以适应非结构化环境。人类越来越需要一种机器人能够适应复杂的自然环境。纵观自然界，软体物质构成了生物体的主要结构，这些软体结构使得生物体具有适应非结构环境的能力，并且具有变形能力大、质量轻、能量密度大和能量效率高的特点，因而开发仿生软体机器人成为机器人的发展方向。
介电弹性体驱动器被称为人造肌肉，是一种理想的软体机器人驱动器。介电弹性体驱动器具有应变大(>100％)，高能量密度(>3.4MJ/m3)，响应速度快(百万分之一秒)，重量轻(密度接近水)、成本低、没有噪声，具有结构-驱动-传动一体化的特点。基于最小能量结构的介电弹性体驱动器具有制作简单，重量轻的特点，是一种常见的介电弹性体驱动器，但是由于其刚度十分小，难以承受大负载，限制了该驱动器的实际应用。
为解决这个问题，瑞士研究人员采用低熔点合金来实现变刚度，其做法为在介电弹性体驱动器上增加一层低熔点合金，低熔点合金在室温下为固态，稍微加热就会变成液体，通过控制温度实现对刚度的控制，其最大的缺点在于响应速度慢。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器。
根据本发明提供的一种基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，为长条状多层最小能量结构，所述最小能量结构自上而下包括依次叠加的：亚克力框架、第一柔性电极层、电活性聚合物层、第二柔性电极层和磁流变弹性体薄膜；
所述磁流变弹性体薄膜包括磁流变弹性体；所述磁流变弹性体是将磁性颗粒散布于固态状或者凝胶状的基体中，固化后制备出的一种磁流变材料；在没有外加磁场作用时，磁流变弹性体的刚度较小；在外部磁场作用下，磁流变弹性体的刚度增大。
优选地，在外部磁场作用下，磁流变弹性体的刚度增大十倍以上。
优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的刚度在磁场作用下提升一个数量级以上。
优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的重量小于10克。
优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的尺寸小于200mm*50mm*1mm。
优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器在电压作用下的弯曲角度大于120度。
优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器能够用于抓取超过自重十倍以上的物体。
优选地，所述磁流变弹性体薄膜在没有外加磁场作用时，其刚度比电活性聚合物层刚度低一个数量级以上，从而不影响驱动器的驱动性能；在磁场作用下，磁流变弹性体薄膜的刚度比电活性聚合物层刚度高一个数量级以上，从而具有足够的刚度用于支撑大负载。
优选的，保护层材料为软而且高度绝缘的材料，保证柔性电极不会直接暴露在外面。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、利用磁场改变最小能量结构驱动器的刚度，具有响应速度快，可精确控制的优点；
2、结构简单，制作方便；
3、大大提升了最小能量结构的负载能力，推动了介电弹性体驱动器的实际应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器结构图。
图2基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的3维效果图。
图中示出：
1-亚克力框架
2-第一柔性电极层
3-电活性聚合物层
4-第二柔性电极层
5-磁流变弹性体薄膜
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器主要是由包含一种最小能量结构的介电弹性体驱动器结构，实现变刚度的主要部件为基于磁流变弹性体的变刚度薄膜。磁流变弹性体是将磁性颗粒散布于固态状或者凝胶状的基体中，固化后制备出的一种磁流变材料，在没有外加磁场作用下，磁流变弹性体薄膜的刚度可以不计，介电弹性体驱动器具有完全的驱动功能；一旦施加磁场，磁流变弹性体薄膜在磁场作用下，刚度明显上升，使得介电弹性体驱动器变成一个结构，从而大大提升驱动器的负载能力，并且刚度变化的响应速度很快。具体地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，为长条状多层最小能量结构，所述最小能量结构自上而下包括依次叠加的：亚克力框架、第一柔性电极层、电活性聚合物层、第二柔性电极层和磁流变弹性体薄膜，如图1所示。其中，亚克力框架是起到支撑作用，第一柔性电极层作为介电弹性体驱动器的正极，电活性聚合物层在电场作用下产生变形，第二柔性电极层作为介电弹性体驱动器的负极，磁流变弹性体薄膜在磁场作用下改变介电弹性体驱动器的刚度。
本发明通过外加磁场的作用，迅速改变驱动器的刚度，使得在不影响驱动器性能的条件下大大增强驱动器的负载能力。本发明提供的变刚度介电弹性体驱动器存在两种工作状态，分为定位态和工作态。
在定位态，不施加外部磁场，磁流变弹性体薄膜处于柔软态，最小能量结构介电弹性体驱动器在电压作用下张开，通过调节驱动电压的大小就可以调节驱动器的张开角度或者高度，例如调节为图2所示的张开角度。
在工作态时，施加外部磁场，使得磁流变弹性体薄膜刚度上升，驱动器刚度增加，变成一个具有大负载能力的结构。
因此该驱动器既具有介电弹性体的优点，又克服了传统最小能量结构驱动器负载能力差的缺点，并且由于磁流变弹性体薄膜刚度变化的响应十分迅速，因此很好解决了采用低熔点合金原理的变刚度介电弹性体驱动器响应慢的缺陷。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，为长条状多层最小能量结构，所述最小能量结构自上而下包括依次叠加的：亚克力框架、第一柔性电极层、电活性聚合物层、第二柔性电极层和磁流变弹性体薄膜；
所述磁流变弹性体薄膜包括磁流变弹性体；所述磁流变弹性体是将磁性颗粒散布于固态状或者凝胶状的基体中，固化后制备出的一种磁流变材料；在没有外加磁场作用时，磁流变弹性体的刚度较小；在外部磁场作用下，磁流变弹性体的刚度增大。
2.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，在外部磁场作用下，磁流变弹性体的刚度增大十倍以上。
3.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的刚度在磁场作用下提升一个数量级以上。
4.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的重量小于10克。
5.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的尺寸小于200mm*50mm*1mm。
6.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器在电压作用下的弯曲角度大于120度。
7.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器能够用于抓取超过自重十倍以上的物体。
8.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，所述磁流变弹性体薄膜在没有外加磁场作用时的刚度比电活性聚合物层刚度低一个数量级以上。
9.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，其特征在于，还包括保护层，其中，所述保护层避免第一柔性电极层、第二柔性电极层形成的柔性电极暴露在外界。
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