CN111152210B

CN111152210B - 一种柔性电流体动力学驱动器

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Publication number: CN111152210B
Application number: CN202010055470.3A
Authority: CN
Inventors: 邹俊; 唐威; 张超
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2040-01-17
Also published as: WO2021143085A1; US20220088773A1; CN111152210A

Abstract

本发明公开了一种柔性电流体动力学驱动器。驱动单元包括柔性袋子、柱状电极、介电流体、漆包线、软管和平面柔性电极；柔性袋子内腔设有柱状电极并充满介电流体；柔性袋子的侧部密封连接有软管，软管内密封套装漆包线，漆包线一端穿过软管后伸入到柔性袋子内腔并与柱状电极端部电连接，漆包线另一端连接高压正极；柔性袋子外表面涂一层导电的柔性材料作为平面柔性电极，或者置于水中，以柔性袋子周围的水环境作为平面柔性电极。本发明是一种新的驱动与变形的原理的驱动器，发挥了电流体动力学流动的优势，解决了现有技术的主要问题，在软体机器人领域有较大的应用前景。

Description

一种柔性电流体动力学驱动器

技术领域

本发明属于软体机器人及柔性材料领域的一种柔性驱动器，特别是一种柔性电流体动力学驱动器。

背景技术

与传统的刚性机器人相比，由柔性材料制成的软体机器人在适应复杂的环境，执行自主任务以及模仿生物系统的运动和功能方面具有巨大优势，并且在人机交互设备中，软体机器人也有较大的应用前景。软体机器人的核心是柔性驱动器，而现存的柔性驱动器在安全性，可靠性，可控性，耐用性，多功能性，快速响应和类似肌肉的驱动特性上难以达到一个平衡。

现存的柔性驱动器主要分为三类。第一类是射流驱动器，包括柔性气动驱动器和柔性液压驱动器，这类驱动器具有较大的输出力和易实现各种变形运动，但是其驱动需要笨重的外部压缩机或者泵通过管道输送流体，这极大地限制了这类驱动器的响应速度，效率和便携性。第二类是介电弹性体驱动器，这类驱动器具有较快的响应速度和较大的输出应变，但是不稳定击穿和裸露的高压电极限制了其安全和可靠的应用。第三类是声光电磁热等刺激的智能材料驱动器，这类驱动器，比如形状记忆合金，具有较大的输出力和高功率密度比，但是形状记忆合金是热驱动难以精确控制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所解决的技术问题在于提供一种柔性电流体动力学驱动器，解决现有的柔性驱动器无法兼备安全性，可靠性，可控性，耐用性，多功能性，快速响应和类似肌肉的驱动特性的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

本发明包括至少一个驱动单元，每个驱动单元包括柔性袋子、柱状电极、介电流体、漆包线、软管和平面柔性电极；柔性袋子是驱动器的变形体，柔性袋子内腔构造为封闭电极区域，柔性袋子内腔设有柱状电极并充满介电流体；柔性袋子的侧部密封连接有软管，软管内密封套装有漆包线，漆包线一端穿过软管后伸入到柔性袋子内腔并与柱状电极端部电连接，漆包线另一端连接高压正极；所述的柔性电流体动力学驱动器在空气中使用，柔性袋子外表面涂一层导电的柔性材料作为平面柔性电极，平面柔性电极接地极；所述的柔性电流体动力学驱动器在水中使用，所述的柔性袋子置于水中，以柔性袋子周围的水环境作为平面柔性电极而无需其他材料。

所述柔性袋子内腔的柱状电极与柔性袋子外部的平面柔性电极组成了一个封闭电极区域的两极；高压正极经漆包线施加到柱状电极上，驱动介电流体在封闭电极区域内流动，带动柔性袋子变形实现驱动。

柔性袋子是由两张膜材料在周围边缘密封连接组成：

在两张膜材料的材料、形状和尺寸相同时，形成具有相同延展性的薄膜材料，柔性电流体动力学驱动器产生拉伸运动；

在两张膜材料的材料、形状和尺寸的其中至少之一不同时，形成具有不同延展性的薄膜材料，柔性电流体动力学驱动器产生弯曲运动。

在两张膜材料之间粘接的边缘处留出一个缝隙，用注射器将介电流体从缝隙中注入，再将缝隙密封使得柔性袋子最终形成。

包括多个驱动单元，多个驱动单元串联连接。

包括多个驱动单元，多个驱动单元并联连接。

所述柔性袋子的材料为柔性膜材料。

所述柱状电极的材料为导电的材料。

所述介电流体为能够产生电流体动力学效应的流体。

所述平面柔性电极为可涂抹的导电可拉伸材料。

本发明包括至少一个驱动单元，每个驱动单元包括柔性袋子、柱状电极、介电流体、漆包线、软管和平面柔性电极；柔性袋子是驱动器的变形体，柔性袋子内腔构造为封闭电极区域，柔性袋子内腔设有柱状电极并充满有介电流体，柱状电极和介电流体密封于柔性袋子中；柔性袋子的侧部密封连接有软管，柔性袋子的侧部和软管之间的连接部分密封于柔性袋子边缘粘接处；软管内密封套装有漆包线，漆包线一端穿过软管后伸入到柔性袋子内腔并与柱状电极端部电连接，漆包线另一端连接高压正极，高压正极经漆包线施加到柱状电极上；软管套在漆包线外面用于漆包线的高压绝缘并密封，漆包线用作导线，介电流体用于传动及驱动。

所述的柔性电流体动力学驱动器在空气中使用，柔性袋子外表面涂一层导电的柔性材料作为平面柔性电极，平面柔性电极接地极；所述的柔性电流体动力学驱动器在水中使用，所述的柔性袋子置于水中，以柔性袋子周围的水环境作为平面柔性电极而无需其他材料。

柔性袋子是由两张膜材料在周围边缘密封连接组成，两张膜材料的形状和尺寸根据实际需求设定，形状可以为长方形、梯形、椭圆形等：

在两张膜材料之间粘接的边缘处留出一个缝隙，柔性袋子形成之后，用注射器将介电流体从缝隙中注入，再将缝隙密封使得柔性袋子最终形成。

包括多个驱动单元，多个驱动单元串联连接，多个驱动单元的柔性袋子可一体成型，这样能增大驱动器的输出位移。

包括多个驱动单元，多个驱动单元并联连接，多个驱动单元的柔性袋子变形方向的两端固定连接，这样能增大驱动器的输出力。

所述柔性袋子的材料为柔性膜材料，比如硅橡胶、PDMS、凝胶等。

所述柱状电极的材料为导电的材料，比如铜丝、钨丝、水凝胶、碳纳米管、导电硅胶等。

所述介电流体为能够产生电流体动力学效应的流体，比如三乙酸甘油酯、液晶等。

所述平面柔性电极为可涂抹的导电可拉伸材料，比如黑炭膏、水凝胶、水等。

本发明的驱动器是一种电响应智能流体驱动器，是一种新的驱动与变形的原理驱动，将泵、管道和驱动器集成于一体，极大的发挥了电流体动力学流动的优势，有效地解决了泄漏，低效率及慢响应的问题，解决了现有技术中驱动器的主要问题，在软体机器人领域有较大的应用前景。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明的驱动器是一种电响应智能流体驱动器，综合了射流驱动器，介电弹性体驱动器，智能材料驱动器的优势，并且解决了他们的主要问题，具有安全性，可靠性，可控性，耐用性，多功能性，快速响应和类似肌肉的驱动特性。

（2）本发明的驱动器，可通过改变膜的配置而实现不同的变形模式，如伸长和弯曲，并且其制作可采用一般的粘接法实现，薄膜材料和电极材料也容易获得。

（3）本发明的驱动器，其高压正电极密封在介电流体中并且通过柔性袋子进一步绝缘，具有较高的适应性，可用于水中也可用于空气中，在软体机器人领域中具有较大的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明柔性电流体动力学驱动器的结构立体图。

图2为本发明柔性电流体动力学驱动器的结构剖视图。

图2（a）为柱状电极2和两个膜材料的装配剖视图。

图2（b）为本发明驱动器在空气中使用涂抹平面柔性电极7的装配剖视图。

图3为本发明驱动器的变形原理图。

图4为本发明驱动器的制作过程图。

图4（a）为本发明驱动器制作柔性袋子1的过程图。

图4（b）为本发明驱动器注入介电流体3的过程图。

图5为本发明驱动器产生弯曲运动的结构结示意图。

图5（a）为本发明驱动器产生弯曲运动的立体图。

图5（b）为本发明驱动器产生弯曲运动的弯曲变形剖视图。

图6为本发明驱动器串联增大输出位移的结构示意图。

图6（a）为本发明驱动器两个驱动单元串联增大输出力的立体图。

图6（b）为本发明驱动器三个驱动单元串联增大输出力的立体图。

图7为本发明驱动器并联增大输出力的结构示意图。

图7（a）为本发明驱动器并联增大输出力的立体图。

图7（b）为本发明驱动器并联增大输出力的侧视图。

图中：柔性袋子（1）、柱状电极（2）、介电流体（3）、漆包线（4）、软管（5）、平面柔性电极（7）、膜材料（101）、（102）。

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

如图1所示，具体实施包括至少一个驱动单元，每个驱动单元包括柔性袋子1、柱状电极2、介电流体3、漆包线4、软管5和平面柔性电极7；柔性袋子1是驱动器的变形体，柔性袋子1内腔构造为封闭电极区域，柔性袋子1内腔设有柱状电极2并充满介电流体3，柱状电极2和介电流体3密封于柔性袋子1中；柔性袋子1的侧部密封连接有软管5，柔性袋子1的侧部和软管5之间的连接部分密封于柔性袋子1边缘粘接处；软管5内密封套装有漆包线4，漆包线4一端穿过软管5后伸入到柔性袋子1内腔并与柱状电极2端部电连接，漆包线4另一端连接高压正极；软管5套在漆包线4外面用于漆包线4的高压绝缘并密封，漆包线4用作导线，介电流体3用于传动及驱动。

如图2（a）所示，柔性电流体动力学驱动器在水中使用，柔性袋子1置于水中，以柔性袋子1周围的水环境作为平面柔性电极7而无需其他材料，以水为接地极。

如图2（b）所示，柔性电流体动力学驱动器在空气中使用，柔性袋子1外表面涂一层导电的柔性材料作为平面柔性电极7，平面柔性电极7接地极。

这样，本发明的柔性电流体动力学驱动器具有较强的适应性，其可在水中和空气中使用。具体实施中，以平面柔性电极7根据实际情况确定。

柔性袋子1内腔的柱状电极2与柔性袋子1外部的平面柔性电极7组成了一个封闭电极区域的两极；高压正极经漆包线4施加到柱状电极2上，驱动介电流体3在封闭电极区域内流动，带动柔性袋子1变形实现驱动，解决了传统的电流体动力学泵的极其有限的流量问题。

如图4（a）所示，柔性袋子1是由两张膜材料101、102在周围边缘密封连接组成，两张膜材料101、102的形状和尺寸根据实际需求设定，形状可以为长方形、梯形、椭圆形等。

如图3所示，在两张膜材料101、102的材料、形状和尺寸相同时，形成具有相同延展性的薄膜材料103、104，柔性电流体动力学驱动器产生拉伸运动。

如图5所示，在两张膜材料101、102的材料、形状和尺寸的其中至少之一不同时，形成具有不同延展性的薄膜材料103、104，柔性电流体动力学驱动器产生弯曲运动。

如图4所示，具体实施中，柱状电极2、漆包线4、软管5与两张膜材料101、102在边缘粘接制作形成腔结构。如图4（a）所示，驱动器由一般的粘接法制作而成：首先将漆包线4插入软管5中，并且将漆包线4两端去皮，再将漆包线4一端与柱状电极2连接；其次，将准备好的两张膜材料101、102与已经连接好的漆包线4、软管5以及柱状电极2边缘粘接，并且在粘接边缘留出一个缝隙；最后，如图4（b）所示，用注射器10将介电流体3从缝隙中注入，将缝隙密封即可。

柔性袋子1底部连接有重物，重物可以为砝码6。如图1所示，制作柔性袋子1的两张膜材料101、102相同时，柔性电流体动力学驱动器产生伸长运动，通过在柔性袋子1底部挂一个砝码6来展示变形驱动输出性能。

结合图3与图5，驱动器在水中工作，将水作为接地极，在当柱状电极2施加高压电时，会在封闭的腔体内形成一个静电场，柱状电极2周围会有一些介电流体分子离子化变成的离子8，此时，在静电场的作用下离子8会沿着静电场迁移，迁移的过程中会将周围大量的流体分子拖动，从而引起电流体动力学流动9，该流动效应将直接推动柔性袋子的变形。当柔性袋子1的两层膜一样，此时驱动器将产生伸长的变形，如图3所示；当柔性袋子1的两层膜不一样，此时驱动器将产生弯曲的变形，如图5所示。经过实验验证，在水中测试，在16kV的电压下：伸长型驱动器的线性形变达到24%，达到骨骼肌的典型变形值20%，响应时间为60ms；弯曲型驱动器的弯曲角度达到35.2°，响应时间为197 ms。

结合图6，柔性电流体动力学驱动器可通过多个腔的串联连接增大输出位移，串联的个数可以为2个，3个甚至更多。如图6（a）所示，串联两个驱动单元形成柔性电流体动力学驱动器11。如图6（b）所示，串联三个驱动单元形成柔性电流体动力学驱动器12，上下相邻的驱动单元软管5的布置位置不同，分别位于两侧。并且，弯曲型电流体动力学驱动器也可以通过多个腔的串联连接增大弯曲角度。

结合图7，柔性电流体动力学驱动器可通过多个腔的并联连接增大输出力，并联的个数可以为2个，3个甚至更多，通过上固定端13与下固定端14实现固定，并联多个驱动器可以驱动更重的砝码15。当然弯曲型电流体动力学驱动器也可以通过多个腔的并联连接增大输出力。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：包括至少一个驱动单元，每个驱动单元包括柔性袋子（1）、柱状电极（2）、介电流体（3）、漆包线（4）、软管（5）和平面柔性电极（7）；柔性袋子（1）是驱动器的变形体，柔性袋子（1）内腔构造为封闭电极区域，柔性袋子（1）内腔设有柱状电极（2）并充满介电流体（3）；柔性袋子（1）的侧部密封连接有软管（5），软管（5）内密封套装有漆包线（4），漆包线（4）一端穿过软管（5）后伸入到柔性袋子（1）内腔并与柱状电极（2）端部电连接，漆包线（4）另一端连接高压正极；所述的柔性电流体动力学驱动器在空气中使用，柔性袋子（1）外表面涂一层导电的柔性材料作为平面柔性电极（7），平面柔性电极（7）接地极；所述的柔性电流体动力学驱动器在水中使用，所述的柔性袋子（1）置于水中，以柔性袋子（1）周围的水环境作为平面柔性电极（7）而无需其他材料。

2.如权利要求1所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：所述柔性袋子（1）内腔的柱状电极（2）与柔性袋子（1）外部的平面柔性电极（7）组成了一个封闭电极区域的两极；高压正极经漆包线（4）施加到柱状电极（2）上，驱动介电流体（3）在封闭电极区域内流动，带动柔性袋子（1）变形实现驱动。

3.如权利要求1所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：柔性袋子（1）是由两张膜材料（101、102）在周围边缘密封连接组成：在两张膜材料（101、102）的材料、形状和尺寸相同时，形成具有相同延展性的薄膜材料（103、104），柔性电流体动力学驱动器产生拉伸运动；在两张膜材料（101、102）的材料、形状和尺寸的其中至少之一不同时，形成具有不同延展性的薄膜材料（103、104），柔性电流体动力学驱动器产生弯曲运动。

4.如权利要求1所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：在两张膜材料（101、102）之间粘接的边缘处留出一个缝隙，用注射器将介电流体（3）从缝隙中注入，再将缝隙密封使得柔性袋子（1）最终形成。

5.如权利要求1所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：

包括多个驱动单元，多个驱动单元串联连接。

6.如权利要求1所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：

包括多个驱动单元，多个驱动单元并联连接。

7.如权利要求1-6任一所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：

所述柔性袋子（1）的材料为柔性膜材料。

8.如权利要求1-6任一所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：

所述柱状电极（2）的材料为导电的材料。

9.如权利要求1-6任一所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：

所述介电流体（3）为能够产生电流体动力学效应的流体。

10.如权利要求1-6任一所述的柔性电流体动力学驱动器，其特征在于：

所述平面柔性电极（7）为可涂抹的导电可拉伸材料。