CN111390895A - 一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法 - Google Patents

一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111390895A
CN111390895A CN202010324030.3A CN202010324030A CN111390895A CN 111390895 A CN111390895 A CN 111390895A CN 202010324030 A CN202010324030 A CN 202010324030A CN 111390895 A CN111390895 A CN 111390895A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spring
dielectric elastomer
artificial muscle
carbon paste
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010324030.3A
Other languages
English (en)
Inventor
李铁风
尹顺禹
张明琦
曹许诺
许艺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Guangdong Bozhilin Robot Co Ltd
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202010324030.3A priority Critical patent/CN111390895A/zh
Publication of CN111390895A publication Critical patent/CN111390895A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1075—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with muscles or tendons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/08—Programme-controlled manipulators characterised by modular constructions

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明提供了一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法，包括由弹簧结构构成的结构支撑层、由预拉伸介电弹性体薄膜构成的驱动层、由涂抹在介电弹性体薄膜上的碳膏构成的导电层，在实际使用该人工肌肉模块时，可以将其设计成不同的长度，以适应不同的需求，并且可以通过控制电路输出不同波形的电压进而控制人工肌肉模块的运动形式，易于实现且成本低廉。

Description

一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法
技术领域
本发明涉及仿生材料制作技术领域，尤其涉及一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法。
背景技术
现有技术中的人工肌肉驱动模块一般有温度响应性水凝胶的肌肉模块，其原理是采用电热驱动的方式来驱动材料变形。也有采用气动驱动型人工肌肉模块，其原理是气动肌肉充入气体后膨胀然后带动相应的运动部件实现肌肉的运动，还有采用弹性材料制成等。但这些驱动模块一般都结构复杂，或灵敏度不够，或变形不够大，总之在适用范围上都很受限。
然而介电弹性体是一类在外加电场激励下可以发生大变形，进行能量转换的新型材料，本发明所应用的介电弹性体材料为3M公司的商业化产品-VHB4910，其弹性模量低，能量密度大，用该介电弹性体材料与弹簧结构设计出的人工肌肉模块，变形灵敏，变形量大，且不含复杂结构，制作工艺简单。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法，不含复杂结构，制作工艺简单。
本发明解决其技术问题的技术方案是：采用介电弹性体与弹簧结构构建出人工肌肉模块，包括：结构支撑层，所述结构支撑层由弹簧结构构成；驱动层，所述驱动层由预拉伸的介电弹性体薄膜构成；导电层，所述导电层由涂抹在介电弹性体薄膜上的碳膏构成。
在实际使用本发明的人工肌肉模块时，可以将其设计成不同的长度，以适应不同的需求。
进一步的，还可以通过控制电路输出不同波形的电压进而控制所述人工肌肉模块的运动形式，易于实现且成本低廉。
进一步的，所述弹簧结构可以支撑整个人工肌肉模块，并通过弹簧压缩量的恢复为结构提供驱动力。
进一步的，所述人工肌肉模块对介电弹性体薄膜具有如下性能要求：具有较高的介电常数，可以产生较大的电致变形，透明且弹性好，预拉伸前薄膜的厚度在0.5-2mm之间，模量在20-100KPa之间。
进一步的，所述介电弹性体薄膜为3M公司生产的VHB，所述的介电弹性体处于预拉伸状态，预拉伸的方向与倍数可根据实际情况调整。
进一步的，所述外电路电压为2-8Kv，所述外电路电压的具体大小根据实际运用时确定。
优选的，所述人工肌肉在实际使用，外电路在4kV-9kV时效果最佳。
所述人工肌肉模块制作方法为：
步骤1，选取介电弹性体薄膜为VHB4910(3M公司)，数量为两片，,先进行双轴拉伸3倍(3x3拉伸)，然后将其固定在硬质框架上，并分别在两张薄膜表面中间限定区域均匀涂抹碳膏用作导电层，并引出导电布。
步骤2，将两张薄膜叠在一起，保证碳膏/薄膜/碳膏/薄膜的顺序，保证两张薄膜之间不能有气泡。
步骤3，将弹簧预先压缩限定长度，并用螺杆固定，限制弹簧回弹，保证压缩量不变。
步骤4，将预压缩的弹簧结构放置在两张薄膜叠层上，将叠层缠绕在弹簧结构上，为避免碳膏与弹簧接触而导电，应在薄膜上预留一块未涂抹碳膏的区域，先将这块区域缠绕在弹簧结构中。
步骤5，缠绕结束后，将螺杆取下，此时会有部分回弹，将由介电弹性体薄膜继续限制弹簧的预压缩。其中，两片导电布分别连接电源的正极与负极，可驱动薄膜变形，从而弹簧回弹实现驱动。
优选的，还可调整导电碳膏的涂抹区域。例如将步骤1中碳膏间隔涂抹，保证缠绕在弹簧上后，弹簧一周有四块互相对称的碳膏区域，分别引出导线，分别控制。当同时接通电源时，肌肉模块做伸长运动；当有一块区域未通电时，模块做弯曲运动。
本发明所述的介电弹性体具有电响应特点，结构简单，反应灵敏，变形大，即在外界电场的刺激下可以改变长度，当电刺激撤销后又能恢复到原始的形状，从而将电场力转化为机械力。
附图说明
图1是由螺杆限定的预压缩弹簧。
图2是卷轴型人工肌肉的缠绕过程。
图3是具体实施例一的碳膏覆盖区域展示。
图4是具体实施例二的碳膏覆盖区域展示。
1为弹簧，2为螺杆螺母结构，3为导电布，4为导电碳膏，5为VHB薄膜，6为人工肌肉模块，7为导电布，8为导电碳膏，9为VHB薄膜，10为导电布，11为导电碳膏，12为VHB薄膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体工艺参数，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的人工肌肉的具体结构及制作方法如下：步骤1，选取介电弹性体薄膜为VHB4910(3M公司)，数量为两片，首先进行双轴拉伸3倍(3x3拉伸)，固定在硬质框架上，分别在两张薄膜表面中间限定区域均匀涂抹碳膏用作导电层，并引出导电布。
步骤2，将两张薄膜叠在一起，保证碳膏/薄膜/碳膏/薄膜的顺序，保证两张薄膜之间不能有气泡。
步骤3，将弹簧预先压缩限定长度，并用螺杆固定，限制弹簧回弹，保证压缩量不变。
步骤4，将预压缩的弹簧结构放置在两张薄膜叠层上，将叠层缠绕在弹簧结构上，为避免碳膏与弹簧接触而导电，应在薄膜上预留一块未涂抹碳膏的区域，先将这块区域缠绕在弹簧结构中。
步骤5，缠绕结束后，将螺杆取下，此时会有部分回弹，将由介电弹性体薄膜继续限制弹簧的预压缩。其中，两片导电布分别连接电源的正极与负极，可驱动薄膜变形，从而弹簧回弹实现驱动。
具体实施例二
制作步骤与具体实施例一相似，区别在于导电碳膏的涂抹区域。此次碳膏间隔涂抹，保证缠绕在弹簧上后，弹簧一周有四块互相对称的碳膏区域，分别引出导线，分别控制。当同时接通电源时，肌肉模块做伸长运动；当有一块区域未通电时，模块做弯曲运动。
以上所述，仅是本发明的具体实施例而已，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。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于介电弹性体与弹簧结构的人工肌肉模块，其特征在于：包括结构支撑层，所述结构支撑层由弹簧结构构成；驱动层，所述驱动层由预拉伸的介电弹性体薄膜构成；导电层，所述导电层由涂抹在介电弹性体薄膜上的碳膏构成；所述人工肌肉模块的运动形式由控制电路输出不同波形的电压来控制；所述弹簧结构能支撑整个人工肌肉模块，并通过弹簧压缩量的恢复为结构提供驱动力。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体与弹簧结构的人工肌肉模块，其特征在于：所述人工肌肉模块的介电弹性体薄膜透明且弹性好，预拉伸前薄膜的厚度在0.5-2mm之间，模量在20-100KPa之间。
3.根据权利要求2所述的基于介电弹性体与弹簧结构的人工肌肉模块，其特征在于：所述外电路电压为2-8Kv。
4.根据权利要求2所述的基于介电弹性体与弹簧结构的人工肌肉模块，其特征在于：所述外电路电压为4kV-9kV。
5.一种制作如权利要求1-4中任意一项所述人工肌肉模块的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，选取介电弹性体薄膜为VHB4910(3M公司)，数量为两片，,先进行双轴拉伸3倍(3x3拉伸)，然后将其固定在硬质框架上，并分别在两张薄膜表面中间限定区域均匀涂抹碳膏用作导电层，并引出导电布；
步骤2，将两张薄膜叠在一起，保证碳膏/薄膜/碳膏/薄膜的顺序，保证两张薄膜之间不能有气泡；
步骤3，将弹簧预先压缩限定长度，并用螺杆固定，限制弹簧回弹，保证压缩量不变；
步骤4，将预压缩的弹簧结构放置在两张薄膜叠层上，将叠层缠绕在弹簧结构上，为避免碳膏与弹簧接触而导电，应在薄膜上预留一块未涂抹碳膏的区域，先将这块区域缠绕在弹簧结构中；
步骤5，缠绕结束后，将螺杆取下，此时会有部分回弹，将由介电弹性体薄膜继续限制弹簧的预压缩；其中两片导电布分别连接电源的正极与负极，可驱动薄膜变形，从而弹簧回弹实现驱动。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：将步骤1中碳膏间隔涂抹，保证缠绕在弹簧上后，弹簧一周有四块互相对称的碳膏区域，分别引出导线，分别控制；当同时接通电源时，肌肉模块做伸长运动；当有一块区域未通电时，模块做弯曲运动。
CN202010324030.3A 2020-04-22 2020-04-22 一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法 Pending CN111390895A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010324030.3A CN111390895A (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010324030.3A CN111390895A (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111390895A true CN111390895A (zh) 2020-07-10

Family

ID=71425388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010324030.3A Pending CN111390895A (zh) 2020-04-22 2020-04-22 一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111390895A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104843627A (zh) * 2015-04-30 2015-08-19 浙江大学 一种柔性贴片式传感驱动一体器件
CN106880470A (zh) * 2017-03-07 2017-06-23 浙江大学 多自由度变形结构及包括该结构的穿着式动作辅助装置
CN109572966A (zh) * 2018-11-26 2019-04-05 浙江大学 一种软体人工肌肉驱动器
CN110172126A (zh) * 2019-03-13 2019-08-27 浙江大学 一种基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块及其制备方法
CN110757434A (zh) * 2019-11-06 2020-02-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 基于介电弹性体与可调刚度智能流体的人工肌肉及其制法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104843627A (zh) * 2015-04-30 2015-08-19 浙江大学 一种柔性贴片式传感驱动一体器件
CN106880470A (zh) * 2017-03-07 2017-06-23 浙江大学 多自由度变形结构及包括该结构的穿着式动作辅助装置
CN109572966A (zh) * 2018-11-26 2019-04-05 浙江大学 一种软体人工肌肉驱动器
CN110172126A (zh) * 2019-03-13 2019-08-27 浙江大学 一种基于双网络水凝胶与介电弹性体的人工肌肉驱动模块及其制备方法
CN110757434A (zh) * 2019-11-06 2020-02-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 基于介电弹性体与可调刚度智能流体的人工肌肉及其制法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
黄晓强: "介电高弹体流体输运及调控器件设计与分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shi et al. A liquid PEDOT: PSS electrode-based stretchable triboelectric nanogenerator for a portable self-charging power source
Lu et al. Wearable triboelectric visual sensors for tactile perception
CN108233762B (zh) 一种全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机
McKay et al. Dielectric elastomer generators that stack up
CN104309714B (zh) 柔性智能爬行机器
US10879817B2 (en) Paper-based triboelectric nanogenerator and method of manufacturing the same
US12095389B2 (en) Triboelectric nanogenerator using ionic elastomer
Li et al. Miura folding based charge-excitation triboelectric nanogenerator for portable power supply
CN106655874B (zh) 一种可变形柔性纳米发电机、制备方法及制成的传感器
CN108847779B (zh) 一种光驱动柔性摩擦纳米发电机及其制备方法
CN109623781B (zh) 一种基于介电弹性体驱动的跳跃机器人
CN101252328B (zh) 介电弹性体折叠形驱动器的制作方法
CN106985988A (zh) 一种基于介电弹性体的模块化驱动装置
CN104843627A (zh) 一种柔性贴片式传感驱动一体器件
CN103780135A (zh) 一种直流摩擦电发电机
WO2017119497A1 (ja) 変換器
CN111130387A (zh) 一种非对称复合式宽频带振动能量收集器
Choi et al. Development of a triboelectric nanogenerator with enhanced electrical output performance by embedding electrically charged microparticles
CN111390895A (zh) 一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法
CN111313743B (zh) 可再生摩擦发电机、阵列、温度传感器、电子皮肤及方法
CN110445412A (zh) 一种3d打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置
CN108281542B (zh) 一种仿生人工驱动装置
CN101729965B (zh) 平面扬声器单体与扬声器装置
CN108347198B (zh) 驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋
US20210384408A1 (en) Dielectric elastomer transducer

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20201020

Address after: 310027 Hangzhou, Zhejiang Province, Xihu District, Zhejiang Road, No. 38, No.

Applicant after: ZHEJIANG University

Applicant after: GUANGDONG BOZHILIN ROBOT Co.,Ltd.

Address before: 310058 Xihu District, Zhejiang, Yuhang Tong Road, No. 866, No.

Applicant before: ZHEJIANG University

RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200710