CN110932595A - 基于介电弹性体的柔性径向驱动器及柔性径向驱动系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于介电弹性体的柔性径向驱动器，包括壳体，在壳体内设置有由介电弹性体材料制成的介电弹性层、在介电弹性层两侧还连接有第一电极及第二电极，所述介电弹性层的中部形成有贯通所述介电弹性层上下表面的容置腔，所述壳体从介电弹性层的外部对所述介电弹性层形成束缚。该驱动器能够在保证精密度的同时，还具有较好的柔顺性、较高的响应速度及较低的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及柔性设备技术领域，尤其是一种基于介电弹性体的柔性径向驱动器及柔性径向驱动系统。
背景技术
随着仿生技术的发展，精细化的机械设备，如机器人等技术越来越受到人们的重视，在精细化的机械设备中，对驱动器的性能，如柔顺性、响应速度、精密度等性能有着非常严苛的要求。
目前的驱动器主要有机械驱动、热能驱动、流体驱动(液压、气压)、电磁驱动等，这些均存在着能耗高、柔顺性差、结构复杂、体积大、重量大、响应速度慢及噪音大的缺点。导致现有的驱动技术在很多领域的应用中受到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于介电弹性体的柔性径向驱动器及柔性径向驱动系统，该驱动器能够在保证精密度的同时，还具有较好的柔顺性、较高的响应速度及较低的能耗。
本发明提供了一种基于介电弹性体的柔性径向驱动器，包括由介电弹性体材料制成的介电弹性层、壳体、第一电极及第二电极，所述介电弹性层的中部形成有贯通所述介电弹性层上下表面的容置腔，所述介电弹性层设置于所述壳体内，所述壳体的上下端内壁及内侧壁对所述介电弹性层形成束缚，所述第一电极及所述第二电极分别设置于所述介电弹性层的两侧。
进一步地，所述介电弹性层为多个，多个所述介电弹性层层叠设置，所述第一电极及所述第二电极为多个，多个所述第一电极及所述第二电极交替设置于所述介电弹性层的上下表面上，两个相邻的所述介电弹性层之间共用一个所述第一电极或一个所述第二电极。
进一步地，所述介电弹性层呈圆环形，所述第一电极及所述第二电极为片状，并交替设置于相邻的两个所述介电弹性层之间。
进一步地，所述基于介电弹性体的柔性径向驱动器还包括第一导体及第二导体，所述第一导体及所述第二导体均设置于所述壳体内，所述第一导体与多个所述第一电极相连，并将所述第一电极从所述壳体内引出，所述第二导体与多个所述第二电极相连，并将所述第二电极从所述壳体内引出。
进一步地，所述壳体包括上端盖、下端盖及安装筒，所述介电弹性层设置于所述安装筒内，所述上端盖及所述下端盖盖设于所述安装筒的两端，在所述上端盖及所述下端盖与所述容置腔相适应的位置上均形成有通孔，所述第一导体及所述第二导体设置于所述介电弹性层的外侧壁与所述安装筒的内侧壁之间；
所述驱动器还包括第一连接端子及第二连接端子，所述第一连接端子及所述第二连接端子设置于所述上端盖或所述下端盖上，所述第一导体将多个所述第一电极与所述第一连接端子相连，所述第二导体将多个所述第二电极与所述第二连接端子相连。
进一步地，在所述上端盖与最上端的所述介电弹性层之间还设置有第一垫片，在所述下端盖与最下端的所述介电弹性层之间还设置有第二垫片。
进一步地，所述第一垫片及所述第二垫片均固定于所述介电弹性层上，并覆盖所述第一电极及所述第二电极，所述第一垫片与所述上端盖之间，以及所述第二垫片与所述下端盖之间均形成有润滑层。
进一步地，所述第一导体及所述第二导体均设置于所述介电弹性层的侧壁与所述壳体之间，所述第一导体及所述第二导体均呈半圆筒状，在所述第一导体及所述第二导体之间还填充有绝缘体，所述第一导体、所述第二导体及所述绝缘体一起形成一完整的圆筒，并包覆于所述介电弹性层的外侧壁外。
进一步地，所述第一电极及所述第二电极均为圆环形的片状电极，该圆环形的片状电极的外圆周上形成有第一半径圆周段及第二半径圆周段，所述第一半径圆周段的半径大于所述第二半径圆周段的半径，所述第一电极的第一半径圆周段与所述第一导体相连，所述第二电极的第一半径圆周段与所述第二导体相连。
本发明还提供了一种柔性径向驱动系统，该系统包括杆体、电源、控制单元，及上述的柔性径向驱动器，所述杆体穿设于所述容置腔内，所述第一电极及所述第二电极均与所述电源相连，所述控制单元对所述电源传递至所述第一电极及所述第二电极的电流或电压进行控制。
综上所述，本发明通过设置介电弹性层，并在介电弹性层的上下两侧设置第一电极及第二电极，利用介电弹性层的逆压电效应来对放置于容置腔内的物体施加作用力，因此，该驱动器的响应速度较快；由于介电弹性层自身具有柔性，且其作用力与自身的形变量有关，因此，通过施加电压的控制即可以对施加的作用力进行精密的控制。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的基于介电弹性体的柔性径向驱动器的轴测结构示意图。
图2所示为图1中基于介电弹性体的柔性径向驱动器的侧视结构示意图。
图3所示为图2中A-A方向的截面结构示意图。
图4所示为图2中B-B方向的截面结构示意图。
图5所示为图3中第一导体的结构示意图。
图6所示为图3中第一电极的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，详细说明如下。
本发明提供了一种基于介电弹性体的柔性径向驱动器及柔性径向驱动系统，该驱动器能够在保证精密度的同时，还具有较好的柔顺性、较高的响应速度及较低的能耗。
图1所示为本发明实施例提供的基于介电弹性体的柔性径向驱动器的轴测结构示意图，图2所示为图1中基于介电弹性体的柔性径向驱动器的侧视结构示意图，图3所示为图2中A-A方向的截面结构示意图。如图1至图3所示，本发明实施例提供的基于介电弹性体的柔性径向驱动器包括由介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)材料制成的介电弹性层10、壳体20、第一电极31及第二电极32，介电弹性层10的中部形成有贯通上下表面的容置腔11，介电弹性层10设置于壳体20内，壳体20的上下端内壁及内侧壁对介电弹性层10形成束缚，第一电极31及第二电极32分别设置于介电弹性层10的两侧。
在本实施例中，由于介电弹性体为一种典型的电活性聚合物(ElectroactivePolymer,EAP)，其具有一定的柔性，当在介电弹性体的厚度方向上加载电压后，上下两层电极上的电荷聚集产生高强度的电场，电场的强度等于加载的电压除以介电弹性体的厚度，电场产生电场力效果相当于在介电弹性体的厚度方向上施加一个正压力，当电场力足够大的时候，介电弹性体将产生明显的面积和厚度变化。因此，当在由介电弹性体材料制成的介电弹性层10的两端分别通过第一电极31及第二电极32施加电压时，介电弹性层10的厚度会减小，与此相应地，其在与厚度方向垂直的平面上的面积会增大，而在介电弹性层10的上下两端及外侧面的侧壁均受到了壳体20的限制，介电弹性层10只能够向其中部，也即容置腔11所在的方向延伸。此时，介电弹性层10就会对放置于容置腔11内的物体，如转轴、连接杆等施加作用力。优选地，该驱动器能够通过介电弹性层10向放置于容置腔11内的物体在自身径向方向进行抓取，以及对在容置腔11内的运动的物体进行制动。
由于介电弹性层10是通过逆压电效应来对放置于容置腔11内的物体施加作用力的，因此，其响应速度较快，相比于电机等依靠磁场力驱动的制动器，本发明实施例提供的驱动器的响应速度能够提高一至两个数量级，由电机等驱动器的毫秒级的响应速度，提高至微秒级的响应速度，因此，响应速度较快；由于介电弹性层10自身具有柔性，且其作用力与自身的形变量有关，因此，通过施加较小的电流以形成电压信号即可以对施加的作用力进行精密的控制。也即，该驱动器能够在保证精密度的同时，还具有较好的柔顺性、较高的响应速度及较低的能源消耗。
请继续参照图3，在本实施例中，介电弹性层10可以为多个，多个介电弹性层10层叠设置，第一电极31及第二电极32同样为多个，第一电极31及第二电极32交替设置于介电弹性层10的上下表面，也即，如图3所示，从上之下依次可以为第一电极31、介电弹性层10、第二电极32、介电弹性层10、第一电极31、介电弹性层10……。两个相邻的介电弹性层10之间共用一个第一电极31或一个第二电极32，以增大驱动器对外施加的作用力。
更为具体地，介电弹性层10为由硅橡胶、水凝胶、3M公司的VHB系列等材料制成的介电弹性层10。第一电极31及第二电极32可以为石墨电极、凝胶电极等柔性电极。
请继续参照图2及图3，壳体20包括上端盖21、下端盖22及安装筒23，介电弹性层10呈圆环形，设置于安装筒23内，第一电极31及第二电极32为片状，并交替设置于相邻的两个介电弹性层10之间。上端盖21及下端盖22分别盖设于安装筒23的两端，在上端盖21与下端盖22与容置腔11相适应的位置同样设置有通孔，驱动器还包括第一导体33及第二导体34，第一导体33及第二导体34设置于壳体20内，多个第一电极31均与第一导体33相连，多个第二电极32均与第二导体34相连，在上端盖21及下端盖22的其中之一上还形成有第一连接端子35及第二连接端子36，第一导体33将多个第一电极31从壳体20内引出，并与第一连接端子35相连，第二导体34将多个第二电极32从壳体20内引出，并与第二连接端子36相连。第一连接端子35及第二连接端子36可以与外接电源相连，以便于同时向每个介电弹性层10的两端施加同样的电压，对所有介电弹性层10的作用力进行精细的控制。
请继续参照图3，为了防止上端盖21及下端盖22对介电弹性层10的运动造成影响，在上端盖21与最上端的介电弹性层10之间还设置有第一垫片41，在下端盖22与最下端的介电弹性层10之间还设置有第二垫片42。进一步地，第一垫片41及第二垫片42均固定于介电弹性层10上，并覆盖第一电极31或第二电极32。此时，第一垫片41及第二垫片42均可以随着介电弹性层10的形变而形变，在第一垫片41与上端盖21及第二垫片42与下端盖22之间，还设置有润滑层43，以防止第一垫片41及第二垫片42的形变受到上端盖21及下端盖22的影响。该润滑层43可以为二硫化钼或磷酸盐材料形成的润滑层43。
图5所示为图3中第一导体的结构示意图，图6所示为图3中第一电极的结构示意图。如图3、图5及图6所示，在本实施例中，第一导体33及第二导体34均设置于介电弹性层10的侧壁与壳体20之间，第一导体33及第二导体34(第一导体33与第二导体34的形状相同，图5仅示出了第一导体33的形状)均呈半圆筒状，其弧度与安装筒23内侧壁的弧度相适应，第一导体33与第二导体34之间填充有绝缘体37，也即，第一导体33、第二导体34及绝缘体37一起形成一完整的圆筒并包覆于介电弹性层10外侧壁外。
第一电极31及第二电极32(图6仅示出了第一电极31的结构，第一电极31与第二电极32的形状相同)均为圆环形的电极片，以保证介电弹性层10各处的电压的均匀。进一步地，在圆环形的电极片的外圆周形成有第一半径圆周段381及第二半径圆周段382，第一半径圆周段381的半径大于第二半径圆周段382的半径，第一电极31及第二电极32的第一半径圆周段381分别朝向第一导体33及第二导体34，也即，如图3所示，多个第一电极31的第一半径圆周段381均朝向图3的右侧，而多个第二电极32的第一半径圆周段381均朝向图3的左侧，如此的结构，第一电极31能够通过自身的第一半径圆周段381与第一导体33相连，而由于第二半径圆周段382的半径较短，第一电极31的第二半径圆周段382不与第二导体34相连，同样地，第二电极32的第一半径圆周段381与第二导体34相连，而第二半径圆周段382与第一导体33之间形成有间隙。这能够保证第一电极31及第二电极32与第一导体33及第二导体34之间的接触。
在使用时，通过将外置电源与第一连接端子35及第二连接端子36接触，外置电源的电压可以分别通过第一导体33及第二导体34施加于第一电极31及第二电极32上，通过在第一电极31及第二电极32上形成电压差，介电弹性层10会产生形变并向容置腔11内延伸，对放置于容置腔11内的零部件形成加持力，抓取零部件，或对运动的零部件进行制动。
综上所述，本发明通过设置介电弹性层10，并在介电弹性层10的上下两侧设置第一电极31及第二电极32，利用介电弹性层10的逆压电效应来对放置于容置腔11内的物体施加作用力，因此，该驱动器的响应速度较快；由于介电弹性层10自身具有柔性，且其作用力与自身的形变量有关，因此，通过施加电压的控制即可以对施加的作用力进行精密的控制。
本发明还提供了一种柔性径向驱动系统，包括杆体、电源、控制单元及上述的柔性径向驱动器，杆体穿设于容置腔11内，第一电极31及第二电极32均与电源相连，控制单元对电源传递至第一电极31及第二电极32的电流或电压进行控制。
该驱动系统能够通过介电弹性层10向放置于容置腔11内的杆体进行抓取，或者对在容置腔11内的运动的杆体进行制动。控制单元通过电源对施加于第一电极31及第二电极32上的电压或电流进行控制，能够控制介电弹性层10施加于杆体上的作用力，对驱动力进行更加精细的控制。
由于介电弹性层11具有柔性，在对放置于其中的杆体进行控制时，介电弹性层10可以缩小容置腔11的面积以与杆体进行接触，这样，杆体的截面就可以不限于规则的圆形或多边形的形状，介电弹性层10可以通过自身的形变向具有不规则截面的杆体施加稳定的作用力。
综上所述，本发明提供的驱动系统利用介电弹性层10的逆压电效应来对放置于容置腔11内的杆体施加作用力，因此，该驱动系统的响应速度较快；由于介电弹性层10自身具有柔性，且其作用力与自身的形变量有关，因此，通过控制单元对电压或电流的控制即可以对施加于杆体的作用力进行精密的控制，能耗较低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：包括由介电弹性体材料制成的介电弹性层、壳体、第一电极及第二电极，所述介电弹性层的中部形成有贯通所述介电弹性层上下表面的容置腔，所述介电弹性层设置于所述壳体内，所述壳体的上下端内壁及内侧壁对所述介电弹性层形成束缚，所述第一电极及所述第二电极分别设置于所述介电弹性层的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：所述介电弹性层为多个，多个所述介电弹性层层叠设置，所述第一电极及所述第二电极为多个，多个所述第一电极及所述第二电极交替设置于所述介电弹性层的上下表面上，两个相邻的所述介电弹性层之间共用一个所述第一电极或一个所述第二电极。
3.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：所述介电弹性层呈圆环形，所述第一电极及所述第二电极为片状，并交替设置于相邻的两个所述介电弹性层之间。
4.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：所述基于介电弹性体的柔性径向驱动器还包括第一导体及第二导体，所述第一导体及所述第二导体均设置于所述壳体内，所述第一导体与多个所述第一电极相连，并将所述第一电极从所述壳体内引出，所述第二导体与多个所述第二电极相连，并将所述第二电极从所述壳体内引出。
5.根据权利要求4所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：所述壳体包括上端盖、下端盖及安装筒，所述介电弹性层设置于所述安装筒内，所述上端盖及所述下端盖盖设于所述安装筒的两端，在所述上端盖及所述下端盖与所述容置腔相适应的位置上均形成有通孔，所述第一导体及所述第二导体设置于所述介电弹性层的外侧壁与所述安装筒的内侧壁之间；
所述驱动器还包括第一连接端子及第二连接端子，所述第一连接端子及所述第二连接端子设置于所述上端盖或所述下端盖上，所述第一导体将多个所述第一电极与所述第一连接端子相连，所述第二导体将多个所述第二电极与所述第二连接端子相连。
6.根据权利要求5所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：在所述上端盖与最上端的所述介电弹性层之间还设置有第一垫片，在所述下端盖与最下端的所述介电弹性层之间还设置有第二垫片。
7.根据权利要求6所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：所述第一垫片及所述第二垫片均固定于所述介电弹性层上，并覆盖所述第一电极及所述第二电极，所述第一垫片与所述上端盖之间，以及所述第二垫片与所述下端盖之间均形成有润滑层。
8.根据权利要求4所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：所述第一导体及所述第二导体均设置于所述介电弹性层的侧壁与所述壳体之间，所述第一导体及所述第二导体均呈半圆筒状，在所述第一导体及所述第二导体之间还填充有绝缘体，所述第一导体、所述第二导体及所述绝缘体一起形成一完整的圆筒，并包覆于所述介电弹性层的外侧壁外。
9.根据权利要求8所述的基于介电弹性体的柔性径向驱动器，其特征在于：所述第一电极及所述第二电极均为圆环形的片状电极，该圆环形的片状电极的外圆周上形成有第一半径圆周段及第二半径圆周段，所述第一半径圆周段的半径大于所述第二半径圆周段的半径，所述第一电极的第一半径圆周段与所述第一导体相连，所述第二电极的第一半径圆周段与所述第二导体相连。
10.一种柔性径向驱动系统，其特征在于：包括杆体、电源、控制单元，及权利要求1至9中任意一项所述柔性径向驱动器，所述杆体穿设于所述容置腔内，所述第一电极及所述第二电极均与所述电源相连，所述控制单元对所述电源传递至所述第一电极及所述第二电极的电流或电压进行控制。
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2019
- 2019-12-06 CN CN201911243131.1A patent/CN110932595A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112623161A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-04-09 | 山东大学 | 仿生机器人及应用 |
| CN112623161B (zh) * | 2020-12-04 | 2022-01-07 | 山东大学 | 仿生机器人及应用 |
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