CN111706633A - 电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置及方法 - Google Patents

电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置及方法，包括不对称电极介电弹性体、不对称电极介电弹性体的上表面与连接器固定连接，不对称电极介电弹性体的下表面与软磁铁固定连接，所述不对称电极介电弹性体固定在框架内，不对称电极介电弹性体下方设有电磁铁。使用电磁铁对不对称电极介电弹性体施加预应力并对不对称电极介电弹性体施加高压脉冲信号，电磁铁提供预应力的周期与高压脉冲信号的周期一致，从而实现了介电弹性体的面外制动。本发明在介电弹性体基膜两侧制备具有不同模量的柔性电极，可在高压电场的作用下实现面外制动。通过使用控制简单、响应迅速、非接触等优点的电磁力可以提升面外制动的位移。

Description

电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置及方法
技术领域
本发明属于机器人与复合材料技术领域，具体涉及一种磁力作为预应力的不对称电极面外制动的装置及方法，由电磁力作为预应力且介电弹性体两侧具有不同模量的电极，在两者的共同作用下实现面外制动。
背景技术
介电弹性体(DEs)又称电介质电活性聚合物，是近20年来出现的一种机电转导技术。由于其具有很高的潜力和多功能的适用性，它们可以用作执行器、传感器或发电机。与其它机电转换技术相比，动态超声传感器具有变形大、功率密度高、能量效率高、重量轻、响应时间快、工作静音等优点。
介电弹性体表现为三明治结构，中间层为柔软的弹性体材料通常是丙烯酸和硅橡胶， 两侧为由碳脂等材料做成的柔软电极。当两个电极之间施加电压时，电极上相反的电荷产生静电力(麦克斯韦应力)挤压介电层，根据设计造成其平面内或平面外驱动。
常用的DEA表示平面内的变形，即静电力使介质弹性体在平面内拉伸或收缩。利用这种驱动机制，许多层的DEAs可以堆叠成一个轧辊，沿着核心轴产生更高的张力或压缩，因此，DEA驱动的电机得到了迅速的发展和商业化的。这种执行器已广泛应用于著名的EAP驱动的机械臂与人之间的扳手腕比赛中，其中DEA机械臂产生0.2磅的阻挡力和0.045 in/S的快速执行速度。
发明内容
本发明的目的是提供了一种电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置及方法，利用电磁铁对位于绝缘弹性体电制动器基底膜一侧中心位置的软磁铁的电磁力作为预应力，当介电弹性体两侧的电极具有不同的模量时，模量较高的电极就会约束基底的延伸，就会导致基底两侧一侧延伸比较多，另一侧比较少，从而产生面外弯曲，利用本发明可实现大位移的面外制动。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置，包括不对称电极介电弹性体，不对称电极介电弹性体的下表面与软磁铁固定连接，所述不对称电极介电弹性体固定在框架内，不对称电极介电弹性体下方设有电磁铁。
进一步，所述软磁铁位于不对称电极介电弹性体的中心位置，电磁铁设置在软磁铁的正下方。
进一步，所述框架包括上盖板和下盖板，不对称电极介电弹性体固定在上盖板和下盖板之间，所述上盖板和下盖板通过立柱固定连接在底板上，电磁铁设置在底板上。
进一步，所述不对称电极介电弹性体的上表面与连接器固定连接，连接器连接传动机构。
进一步，所述的不对称电极介电弹性体由基底膜和两侧不同模量的电极及外接的电信号输入系统组成，电信号输入系统的电信号为频率2-20Hz、0.1-10.0kV的高压脉冲信号。
进一步，所述基底膜的厚度为0.2-0.5mm，基底膜的弹性模量0.5-5MPa；所述不同模量的电极分别为硬电极和软电极，硬电极模量为1-90MPa，软电极模量为1-10MPa。
本发明所述的装置实现绝缘弹性体电制动器的方法，包括以下步骤：
给电磁铁通电产生预应力，所述预应力为电磁铁通电后产生的磁场对不对称电极介电弹性体上的软磁铁的作用力，使用电磁铁对不对称电极介电弹性体施加预应力并对不对称电极介电弹性体施加高压脉冲信号，电磁铁提供预应力的周期与高压脉冲信号的周期一致，从而实现了介电弹性体的面外制动；所述的面外制动方法是由预应力与不对称电极的双重作用实现的。
进一步，所述高压脉冲信号为频率2-20Hz、0.1-10.0kV的高压脉冲信号。
当两个电极不对称时，弹性模量较高的电极就会约束基底的延伸，从而导致基底两侧一侧延伸比较多，另一侧比较少；在脉冲电场的作用下，由于两电极的力学性质不同，在麦克斯韦力的作用下，两电极的变形是不同的。因此，DEA采取不对称驱动，向软电极侧弯曲。
在预应力的作用下能够有效提高面外制动的位移。电磁力具有响应速度快、非接触，而且电磁力随着距离越近作用力越大的特点。此外电磁力可由通电螺线管产生，具有结构简单、控制简便的特点。
本发明的有益效果：1.在介电弹性体基膜两侧制备具有不同模量的柔性电极，可在高压电场的作用下实现面外制动。2.通过使用控制简单、响应迅速、非接触等优点的电磁力可以提升制动位移。3.可通过制动电信号控制面外驱动装置的制动位移。
附图说明
图1为具备不同力学性能电极的介电弹性体示意图；
图2为电磁预应力与不对称电极面外制动原理示意图；
图3为由电磁力作为预应力的不对称电极介电弹性体面外制动的装置结构示意图；
图4为本发明的制动信号示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
如图3所述，一种电磁力作为预应力的不对称电极面外制动的装置，包括不对称电极介电弹性体2、不对称电极介电弹性体2的上表面与连接器1固定连接，所述连接器1连接传动机构。不对称电极介电弹性体2的下表面与软磁铁3固定连接，所述不对称电极介电弹性体2固定在框架内，不对称电极介电弹性体2下方设有电磁铁4。
所述软磁铁3位于不对称电极介电弹性体2的中心位置，电磁铁4设置在软磁铁2的正下方。所述框架包括上盖板8和下盖板7，不对称电极介电弹性体2固定在上盖板和下盖板之间，所述上盖板和下盖板通过立柱5固定连接在底板5上，电磁铁4设置在底板5上。
所述的不对称电极介电弹性体由基底膜和两侧不同模量的电极及外接的电信号输入系统组成，电信号输入系统的电信号为频率2-20Hz、0.1-10.0kV的高压脉冲信号，所述基底膜的厚度为0.2-0.5mm，基底膜的弹性模量0.5-5MPa；如图1所示，所述不同模量的电极分别为硬电极和软电极，硬电极模量为1-90MPa，软电极模量为1-10MPa。具体到本实施例的由电磁力作为预应力的不对称电极面外制动的装置，其不对称电极介电弹性体自上而下依次为硬电极、基底膜和软电极。
本发明所述的装置实现不对称电极面外制动的方法，包括以下步骤：
给电磁铁通电产生预应力，所述预应力为电磁铁通电后产生的磁场对不对称电极介电弹性体上的软磁铁的作用力，使用电磁铁对不对称电极介电弹性体施加预应力并对不对称电极介电弹性体施加高压脉冲信号，电磁铁提供预应力的周期与高压脉冲信号的周期一致，从而实现了介电弹性体的面外制动（如图2所示）；具体为：将控制电磁铁的信号分为高水平、中水平、低水平三种水平；高压脉冲信号分为高水平和低水平。初始状态下，对电磁铁施加一个高水平信号，介电弹性体上的软磁铁受到电磁力的作用向下弯曲，紧接着快速的将电磁铁的高水平信号转化为中水平信号，同时对介电弹性体施加低水平信号，介电弹性体受力平衡处于第一平衡位置；对电磁铁的信号由中水平信号转化为低水平信号，介电弹性体的低水平信号转化为高水平信号，介电弹性体将会处于第二平衡位置，第一与第二平衡位置的差值即为面外制动位移（如图4所示）。
所述的面外制动方法是由预应力与不对称电极的双重作用实现的；所述高压脉冲信号为频率2-20Hz、0.1-10.0kV的高压脉冲信号。
本发明所述的由电磁力作预应力的不对称电极面外制动的装置制作过程如下：
1、介电弹性体基底膜的制备
称量12g的186硅橡胶（DowCorning,Midland，MI,USA）溶液置于塑料烧杯中，并加入1.2g的硅橡胶固化剂（DowCorning）、15g的正庚烷进行稀释，使用自制的PMMA棒将溶液搅拌均匀。将搅拌均匀的混合溶液置于0.8MPa的真空容器中2-3min排除气泡。将除去气泡的混合溶液倒入设计好的模具中，并将模具置于室温条件下1.5h使正庚烷挥发一部分，再将模具置于真空烘箱中，设置温度为60℃并设置加热时间为280min。
2、软电极的制备
向184硅橡胶（DowCorning,Midland，MI,USA）中按1：9的质量比添加固化剂（DowCorning），混合搅拌，再向其中掺入硅橡胶质量1/3的导电石墨、硅橡胶体积4倍的正庚烷，快速搅拌。然后通过掩膜涂覆在基底膜的上表面。在40℃下固化280min，制得为不对称电极中的软电极。
3、硬电极的制备
向184硅橡胶中按1：9的质量比添加固化剂，混合搅拌，再向其中掺入硅橡胶质量1/3的导电石墨、硅橡胶质量1/8的铜粉、硅橡胶体积4倍的正庚烷，快速搅拌。然后通过掩膜涂覆在基底膜的另一面。在40℃下固化280min，制得为不对称电极中的硬电极。
4、软磁铁与连接器的键合
使用滴管将合适量的质量比为1：9的已搅拌均匀的186硅橡胶固化剂混合溶液在通过掩膜制作方法制作电极中心的空白区域，将软磁铁准确的放置在溶液之上并施加适宜的压力，放置于真空烘箱中，设定温度为80℃，时间设定为240min。在另一面电极的空白区域通过滴加186硅橡胶固化剂混合溶液将连接器键合在另一侧，施加适宜的压力，放置于真空烘箱中，设定温度为80℃，时间设定为240min。
5、面外驱动装置的搭建
将键合软磁铁之后的不对称电极介电弹性体置于上下盖板之间并对齐，将上述的组合体置于由底板和立柱组成的框架上，可通过立柱调节介电弹性体与底板之间的距离，将电磁铁固定于底板上并与软磁铁对齐。
6、信号控制
如图4所示，将控制电磁铁的信号分为高水平、中水平、低水平三种水平；高压脉冲信号分为高水平和低水平。初始状态下，对电磁铁施加一个高水平信号，介电弹性体上的软磁铁受到电磁力的作用向下弯曲，紧接着快速的将电磁铁的高水平信号转化为中水平信号，同时对介电弹性体施加低水平信号，介电弹性体受理平衡处于第一平衡位置；对电磁铁的信号由中水平信号转化为低水平信号，介电弹性体的低水平信号转化为高水平信号，介电弹性体将会处于第二平衡位置，第一与第二平衡位置的差值即为面外制动位移。
电制动性能测试
试验装置主要由信号产生单元、信号放大单组成。信号产生单元的硬件由NI公司的6024E多功能数据采集卡组成；软件由LABVIEW编程得到；信号放大单元由TI公司的功率放大芯片OPA548组成。采用灵敏度为0.1μm激光位移传感器(Keyence LK3001A，日本)产生的激光束垂直照射在介电弹性体上的距中心部合适位置的地方收集位移数据。
将面外驱动装置置于水平桌面上，用导电石膏连接电源引线至DEP上下两侧电极，使用测试装置测试在不同电压与频率下的制动位移，如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从表格中制动位移数据的对比可以发现在相同的电压与频率下电磁力预应力不对称电极制动器的制动位移要远大于不对称电极的制动位移。电磁力作为预应力具有易于控制，操作简便的特点，可广泛的应用于制动器领域。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置，其特征在于：包括不对称电极介电弹性体（2），不对称电极介电弹性体（2）的下表面与软磁铁（3）固定连接，所述不对称电极介电弹性体（2）固定在框架内，不对称电极介电弹性体（2）下方设有电磁铁（4）。
2.根据权利要求1所述的电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置，其特征在于：所述软磁铁（3）位于不对称电极介电弹性体（2）的中心位置，电磁铁（4）设置在软磁铁（3）的正下方。
3.根据权利要求1所述的电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置，其特征在于：所述框架包括上盖板（8）和下盖板（7），不对称电极介电弹性体（2）固定在上盖板（8）和下盖板（7）之间，所述上盖板（8）和下盖板（7）通过立柱（6）固定连接在底板（5）上，电磁铁（4）设置在底板（5）上。
4.根据权利要求1所述的电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置，其特征在于：所述不对称电极介电弹性体（2）的上表面与连接器（1）固定连接，所述连接器（1）连接传动机构。
5.根据权利要求1-4任一所述的电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置，其特征在于：所述的不对称电极介电弹性体（2）由基底膜和两侧不同模量的电极及外接的电信号输入系统组成，电信号输入系统的电信号为频率2-20Hz、0.1-10.0kV的高压脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的电磁力诱导绝缘弹性体电制动器面外制动的装置，其特征在于：所述基底膜的厚度为0.2-0.5mm，基底膜的弹性模量0.5-5MPa；所述不同模量的电极分别为硬电极和软电极，硬电极模量为1-90MPa，软电极模量为1-10MPa。
7.根据权利要求1-4、6中任一所述的装置实现绝缘弹性体电制动器面外制动的方法，其特征在于步骤如下：给电磁铁通电产生预应力，所述预应力为电磁铁通电后产生的磁场对不对称电极介电弹性体上的软磁铁的作用力，使用电磁铁对不对称电极介电弹性体施加预应力并对不对称电极介电弹性体施加高压脉冲信号，电磁铁提供预应力的周期与高压脉冲信号的周期一致，从而实现了介电弹性体的面外制动。
8.根据权利要求7所述的的方法，其特征在于：所述的面外制动方法是由预应力与不对称电极的双重作用实现的。
9.根据权利要求7所述的的方法，其特征在于：所述高压脉冲信号为频率2-20Hz、0.1-10.0kV的高压脉冲信号。
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