CN112318488B - 一种磁驱动双稳态柔性执行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁驱动双稳态柔性执行器，包括驱动模块和导向模块；驱动模块由柔性驱动层和弹性层组成，弹性层固定在柔性驱动层上，呈拉伸状态；在弹性层拉伸的方向上，柔性驱动层的两端分别内设磁性方向相反的磁场；所述导向模块为多个带状体，带状体成倒钩状固定于磁驱动双稳态柔性执行器的两端，倒钩朝向与弹性层拉伸的方向相同。驱动模块产生弯曲变形所需的驱动力，预拉伸的弹性层提供柔性执行器快速恢复需要的回复力。还包括由高强度弹性层组成的支承模块，用于保证结构的整体刚度和快速响应。导向模块用于确保柔性驱动器在运动时始终保持前进的姿态不发生向后的滑移。本发明提升了柔性驱动器的响应速度和驱动力，成本低，制作工艺简单。

Description

一种磁驱动双稳态柔性执行器

技术领域

本发明涉及柔性驱动器领域，具体涉及一种通过磁驱动的双稳态柔性执行器。

背景技术

传统的机器人以刚性结构为主，目前广泛应用在各行各业当中，并且有相当雄厚的技术积累。但是由于传统机器人主要采用刚性结构，导致其结构复杂，灵活度低，导致其往往只能应用于相比较传统的领域，部分灵活度要求高的环境，并不适合传统机器人的应用。随着近年来机器人技术的不断发展，逐渐衍生出了一类新型的机器人，软体机器人。不同于传统的硬质机器人，软体机器人通常采用软材料加工而成，驱动任务通常由柔性驱动器实现，柔性驱动器通常由可产生大变形的弹性软材料构成，可以大幅度的弯曲，扭转，变形，环境适应性高，安全性好，具有很好的应用前景。现有柔性驱动器多基于充气驱动、形状记忆合金驱动，介电高弹体驱动，水凝胶驱动等，存在的问题有驱动变形小，输出力小，响应速度慢等，极大限制了其在软体机器人领域的实际应用。本发明提出一种通过磁驱动的双稳态柔性执行器，通过外界磁场的作用实现柔性驱动器的快速，大范围变形和高输出力，可应用于软体机器人，仿生机器人，航空航天等技术领域中。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用磁性软材料作为驱动器、采用柔性双稳态设计提升驱动性能的柔性执行器。本发明采用了磁性软材料作为柔性执行器的驱动器，相比与传统的电机驱动，液气压驱动，摒弃了刚性的驱动部件，且柔性执行器整体无刚性结构，也不包含任何刚性传动机构，从而使该柔性执行器整体相比传统机械设备的环境适应性更强。

采用的技术方案如下：一种磁驱动双稳态柔性执行器，包括驱动模块和导向模块；所述驱动模块由柔性驱动层和弹性层组成，所述弹性层固定在柔性驱动层上，呈拉伸状态；在弹性层拉伸的方向上，柔性驱动层的两端分别内设磁性方向相反的磁场；所述导向模块为多个带状体，带状体成倒钩状固定于磁驱动双稳态柔性执行器的两端，倒钩朝向与弹性层拉伸的方向相同。

进一步地，所述柔性驱动层为框体结构，外形呈“口”字型。

进一步地，所述柔性驱动层采用硅胶、水凝胶或聚二甲基硅氧烷制成。

进一步地，通过在柔性驱动层的两端内置磁粉形成磁场，其中，两端的磁粉磁场方向相反。

进一步地，所述柔性驱动层采用3D打印制备，具体为：在柔性材料中掺入磁粉，然后使用3D打印设备，在外磁场的作用下进行打印工作，使两端形成磁场方向相反的磁场。

进一步地，所述磁粉选自钕铁硼颗粒、四氧化三铁中一种或几种。

进一步地，所述弹性层采用天然橡胶、硅胶(商用dragon skin、Ecoflex等)制成。

进一步地，还包括用于提高磁驱动双稳态柔性执行器强度的支承模块，所述支承模块为由杨氏模量高于5GPa的弹性材料制成的弹性层。

进一步地，所述支承模块为FR-4环氧玻璃布层压板。

进一步地，所述磁驱动双稳态柔性执行器包括两层驱动模块、一层支承模块，两层驱动模块对称固定于支承模块的两面，两层驱动模块的表面均设有导向模块。

进一步的，本发明柔性驱动器的尺寸可以为10mm～100mm。

本发明的有益效果是：

通过引入预拉伸弹性薄膜层，从而提升了柔性驱动器的响应速度和驱动力，提升柔性驱动器的驱动性能，有助于解决现有柔性驱动器输出力低、驱动性能差的问题。

由于磁性材料响应速度很快，因此可以进一步实现驱动器的快速驱动。

本发明可以实现多级并联同时工作，进一步提高柔性驱动器的驱动能力。

附图说明

图1磁驱动双稳态柔性执行器整体结构图，图中：1.柔性驱动层；2.弹性层；3.支承模块；

图2磁驱动双稳态柔性执行器内部磁场分布示意图；

图3磁驱动双稳态柔性执行器工作示意图，其中a为磁场方向朝上的工作示意图，b为磁场方向朝向的工作示意图；

图4磁驱动双稳态柔性执行器剖面图，由上至下依次为：第一层柔性驱动层，第一层呈预拉伸状态的弹性层，高强度弹性层构成的支承模块，第二层呈预拉伸状态的弹性层，第二层柔性驱动层。；

图5磁驱动双稳态柔性执行器单向摩擦部分结构示意图，其中a为侧视图，b为立体图；

图6柔性驱动框架的制备说明图，图中，4为液态原料(掺有磁粉的液态硅胶材料)，用于打印固化为柔性框架，4中分布有无取向的磁性粒子，5为电磁线圈，控制打印过程中磁性粒子的取向，6为磁感线，7为打印基座，8为固化后的柔性驱动层材料，内分布有取向的磁性粒子。

图7磁驱动双稳态柔性执行器制备流程图，其中，a为打印成功的柔性框架，b为执行器爆炸图，代表不同组成构件组装时的空间位置，由上至下依次为：第一层柔性驱动层，第一层呈预拉伸状态的弹性层，高强度弹性层构成的支承模块，第二层呈预拉伸状态的弹性层，第二层柔性驱动层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或者修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书限定的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“前端”、“后端”、“上表面”、“下表面”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种磁驱动双稳态柔性执行器，如图1所示，包括驱动模块和导向模块；所述驱动模块由柔性驱动层1和弹性层2组成，所述弹性层2固定在柔性驱动层1上，呈拉伸状态；在弹性层2拉伸的方向上，柔性驱动层1的两端分别内设磁性方向相反的磁场；其中，驱动模块的柔性驱动层1是使柔性执行器发生弯曲动作的主要驱动源，弹性层2则保证了柔性执行器发生弯曲后可以快速恢复到初始状态。在外加磁场的作用下柔性驱动层1会产生形变，当撤掉磁场时，形变恢复，这种形变产生的驱动力能使柔性智能爬行机器的柔性驱动层1产生周期性的形变。所述导向模块为多个带状体，带状体呈倒钩状固定于磁驱动双稳态柔性执行器的底面两端，两端倒钩朝向与弹性层拉伸的方向相同，如图5所示，当顺着倒钩倒下的方向有运动趋势时，运动不受到阻碍，当顺着倒钩倒下的反方向有运动趋势时，运动受到阻碍。从而保证了磁驱动双稳态柔性执行器的前进运动，接触面不发生滑移。

作为优选，所述柔性驱动层1为框体结构，外形呈“口”字型。磁驱动双稳态柔性执行器还包括用于保证结构的整体刚度和快速响应的支承模块3，所述支承模块3为由杨氏模量高于5GPa的弹性材料制成的弹性层2。

另外，可以采用多层驱动模块，以提高驱动力。如图1、2、4所示，是双层驱动模块的磁驱动双稳态柔性执行器整体结构图，驱动模块对称布置在支承模块3的两面，总共组成五层的对称结构，从上到下分别为第一层柔性驱动层1，第一层呈预拉伸状态的弹性层2，高强度弹性层构成的支承模块3，第二层呈预拉伸状态的弹性层2，第二层柔性驱动层1。第一层柔性驱动层1、第二层柔性驱动层1的两端均设有导向模块。在磁驱动双稳态柔性执行器工作之前两侧的柔性驱动层1内部已经形成一个固定的磁场，两侧的磁场方向相反，假设如图2所示，中间为S极，两端为N极。工作时，首先施加一个外部磁场，假设磁驱动双稳态柔性执行器的上侧的磁场为N极，下侧磁场为S极。此时在外磁场的作用下，柔性驱动层1的中间部分会由于引力相吸向上运动，两侧则是由于引力相斥向下运动。柔性执行器整体上首先会产生倒“U”形形变，此时柔性执行器两端会向中间靠拢，如图3a所示。由于柔性执行器底面设有导向模块，即与工作面之间通过单向摩擦部分接触，从而首先保证了柔性驱动器的前端位移几乎为零，后端则向前端靠拢；外磁场撤去时，则通过预拉伸弹性层2的回复力，使柔性驱动器恢复初始状态，同样也是依靠单向摩擦力，使柔性执行器后端位移几乎为零，前端向前移动。当外磁场为反方向磁场时，整体则如图3b所示。最终在交变磁场的作用下，实现柔性驱动器向前运动。由于磁场是分布在高强度弹性层前后两端的，可以保证在外磁场作用力下，整个柔性执行器受力两侧受力保持平衡。且磁驱动双稳态柔性执行器两面均设有导向模块，因此磁驱动双稳态柔性执行器无论是哪一个面和工作平面接触，都可以很好的完成工作。

本发明中，柔性驱动层1可以采用硅胶、水凝胶、聚二甲基硅氧烷(pdms)等弹性软材料，作为优选，采用具有一定硬度硅胶材料，如Dragon Skin 20。所述弹性层2采用天然橡胶、硅胶(商用dragon skin、Ecoflex等)制成，作为优选，厚度为1mm。所述支承模块3为FR-4环氧玻璃布层压板，作为优选，厚度为0.5mm。

所述柔性驱动层1采用3D打印制备，具体为：在柔性材料中掺入磁粉，然后使用3D打印设备，在外磁场的作用下进行打印工作，使两端形成磁场方向相反的磁场。本发明所述的磁粉颗粒材料可以为四氧化三铁(Fe3O4)、钕铁硼颗粒等中的一种或几种按任意比例混合，作为优选，所述的磁粉颗粒材料为钕铁硼，磁粉和硅胶重量比为1:6。

作为一优选方案，磁驱动双稳态柔性执行器的制备过程如图7所示。首先要准备好各个模块的材料，作为支承模块3的高强度弹性层的制备较为简单，选取一块0.5mm厚度的FR-4环氧玻璃布层压板，裁取出一块面积在100mm×100mm内的矩形块即可。柔性驱动层1通过3D打印的工艺进行制备，首先要在打印材料(硅胶)中掺入一定比例的钕铁硼颗粒制成液态原料4。然后使用3D打印设备，在外磁场的作用下进行打印工作即可，例如通过电磁线圈5控制硅胶中的磁粉颗粒方向，如图6、图7(a)所示。预拉伸的弹性层2的制备首先需要裁取一块厚度为1mm厚的橡胶材料，面积应小于高强度弹性层，在安装之前，首先将其沿四周拉伸固定。当所有材料准备完成后，将柔性驱动框架粘连于已经进行预拉伸的预拉伸弹性层2上，组成驱动模块，然后从固定架上，取下驱动模块，在高强度弹性层的两面分别将驱动部分粘连。从而完成磁驱动双稳态柔性执行器的主体制备工作。最后，固定多条倒钩状硅胶带，形成导向模块，制成完整的磁驱动双稳态柔性执行器。

本发明柔性驱动器的尺寸可以为10mm～100mm。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：包括驱动模块和导向模块；所述驱动模块由柔性驱动层和弹性层组成，所述弹性层固定在柔性驱动层上，呈拉伸状态；在弹性层拉伸的方向上，柔性驱动层的两端分别内设磁性方向相反的磁场；所述导向模块为多个带状体，带状体成倒钩状固定于磁驱动双稳态柔性执行器的两端，倒钩朝向与弹性层拉伸的方向相同；还包括用于提高磁驱动双稳态柔性执行器强度的支承模块，所述支承模块为由杨氏模量高于5GPa的弹性材料制成的弹性层。

2.根据权利要求1所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：所述柔性驱动层为框体结构，外形呈“口”字型。

3.根据权利要求1所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：所述柔性驱动层采用硅胶、水凝胶或聚二甲基硅氧烷制成。

4.根据权利要求1所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：通过在柔性驱动层的两端内置磁粉形成磁场，其中，两端的磁粉磁场方向相反。

5.根据权利要求4所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：所述柔性驱动层采用3D打印制备，具体为：在柔性材料中掺入磁粉，然后使用3D打印设备，在外磁场的作用下进行打印工作，使两端形成磁场方向相反的磁场。

6.根据权利要求4或5所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：所述磁粉选自钕铁硼颗粒、四氧化三铁中一种或几种。

7.根据权利要求1所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：所述弹性层采用天然橡胶或硅胶制成。

8.根据权利要求1所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：所述支承模块为FR-4环氧玻璃布层压板。

9.根据权利要求1所述一种磁驱动双稳态柔性执行器，其特征在于：所述磁驱动双稳态柔性执行器包括两层驱动模块、一层支承模块，两层驱动模块对称固定于支承模块的两面，两层驱动模块的表面均设有导向模块。

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