CN112405517A - 一种新型软体电液驱动结构及一种穿戴系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型软体电液驱动结构，包括驱动层、上层电极、空腔层、首层介电层、下层电极及基底层；所述空腔层为具有预设厚度的环形结构，所述驱动层及所述基底层分别固定连接于所述空腔层的上下表面，三者形成为一个内部为封闭空腔的整体结构，所述封闭空腔内装有绝缘液体介质；所述上层电极为环形结构，粘接于所述驱动层的下表面；所述下层电极粘接于所述基底层的上表面；所述上层电极及所述下层电极均可接入外部电源；所述上层电极及所述下层电极为均为柔性电极。本发明可以解决现有的软体驱动结构中存在的驱动力不足、驱动位移较小、驱动器尺寸庞大、结构中带有刚性器件以及通电后存在安全问题等缺点。

Description

一种新型软体电液驱动结构及一种穿戴系统

技术领域

本发明涉及柔性驱动器技术领域，尤其涉及一种新型软体电液驱动结构及一种穿戴系统。

背景技术

随着科学技术的发展，仿生机器人、触觉反馈、软体抓手、医疗康复领域以及虚拟现实技术领域等对于驱动器技术的发展提出了更高的要求，传统的驱动器多采用刚性结构，通过齿轮连杆等结构实现驱动和传动，体积大，不可变形，生物亲和性不好且工作时存在噪声。软体驱动器的出现为以上领域的发展提供了新的方向。我们提出一种软体驱动器结构，可以利用此种结构制成各种形状的软体驱动器适用于输出力和位移的场景中。

现有软体驱动器一般采用介电弹性体、水凝胶等软物质组成，采用电、气等方式驱动，但是采用高电压驱动仍需要解决驱动器击穿以及人体触电等安全问题；气体驱动需要解决庞大的气源设备以及复杂的控制阀等不足。也有些现有技术采用电液压原位结构实现驱动，但受限于结构阻力较大，驱动力和输出位移仍然很小，难以满足实际应用的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种新型软体电液驱动结构，可以解决现有的软体驱动结构中存在的驱动力不足、驱动位移较小、驱动器尺寸庞大、结构中带有刚性器件以及通电后存在安全问题等缺点。

本发明是通过以下技术方案实现的发明目的，一种新型软体电液驱动结构，包括驱动层、上层电极、空腔层、首层介电层、下层电极及基底层；所述空腔层为具有预设厚度的环形结构，所述驱动层及所述基底层分别固定连接于所述空腔层的上下表面，三者形成为一个内部为封闭空腔的整体结构，所述封闭空腔内装有绝缘液体介质；所述上层电极为环形结构，粘接于所述驱动层的下表面；所述下层电极粘接于所述基底层的上表面；所述上层电极及所述下层电极均可接入外部电源；所述上层电极及所述下层电极为均为柔性电极；所述首层介电层为采用介电材料制成，粘接于所述上层电极下表面或所述下层电极上表面。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以有以下进一步的改进方案。

进一步，所述首层介电层将所述上层电极或所述下层电极完全遮住。

进一步，还包括可接入电源的环形结构的中间层电极，所述中间层电极设于所述上层电极和所述下层电极之间将所述封闭空腔分隔成上下两个互相连通的腔体。

进一步，所述软体电液驱动结构还包括环形结构的中间介电层，所述中间层电极粘接于所述中间介电层的下表面，所述首层介电层粘接于所述下层电极上表面。

进一步，所述中间介电层的边缘嵌入所述空腔层内部。

进一步，所述中间介电层嵌入所述空腔层的部分设有若干通孔。

进一步，所述中间层电极有多个，间隔设置于所述上层电极和所述下层电极之间，每层所述中间层电极均粘接于一层中间介电层下表面。

进一步，所述软体电液驱动结构的外形结构为圆形或多边形结构。

进一步，所述软体电液驱动结构还包括流道及驱动腔，所述驱动腔通过所述流道与所述封闭空腔连通。

本发明所提供的一种新型软体电液驱动结构，与现有技术相比，其有益技术效果是：

(1)软体驱动器结构简单、体积小、柔软易于布置和加工制造；

(2)本身自成系统，只需要电控制，操作简单，同时无需外置气源或流体泵等；

(3)该驱动器采用电液压原理，具有击穿自愈的优点；

(4)将电极置于驱动器内部，可以避免触电事故发生；

(5)内部介电层的设置可以有效阻隔电极，避免短路和击穿；

(6)多层电极叠加结构能在相同大小的空间内成倍增大驱动力和输出位移，同时降低输入电压和功耗并有利于集成控制。

本发明还公开了一种穿戴系统，包括控制模块，还包括如上所述的新型软体电液驱动结构，所述控制模块与所述软体电液驱动结构电连接。由于上述软体电液驱动结构所具有的有益技术效果，该穿戴系统也具有相应的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明提供的一种新型软体电液压驱动结构的第一种具体实施例的拆解结构组成图；

图2为图1所示具体实施例的未通电时的剖视示意图；

图3为图1所示具体实施例的通电时的剖视示意图；

图4为本发明提供的一种新型软体电液压驱动结构的第二种具体实施例的拆解结构组成图；

图5为图4所示具体实施例的未通电时的剖视示意图；

图6为图4所示具体实施例的通电时的剖视示意图；

图7为本发明提供的一种新型软体电液压驱动结构的第三种具体实施例的未通电时的剖视示意图；

图8为图7所示具体实施例的通电时的剖视示意图；

图9为本发明提供的一种新型软体电液压驱动结构中包括多层电极层的结构示意图；

图10、图11为本发明提供的一种新型软体电液压驱动结构的外形结构示意图；

图12为本发明提供的一种新型软体电液压驱动结构的第四种具体实施例的结构示意图；

其中，图中的件号表示为：

1、驱动层，2、首层介电层，3、基底层，4、下层电极，5、空腔层，6、上层电极，7、中间层电极，8、中间介电层，10、软体电液压驱动结构，11、流道，12、驱动腔，21、奇数层电极，22、偶数层电极。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

如图1至图3所示，为本发明公开的一种新型软体电液驱动结构10的第一种具体实施例的结构示意图，包括驱动层1、上层电极6、空腔层5、首层介电层2、下层电极4及基底层3；所述空腔层5为具有预设厚度的环形结构，所述驱动层1及所述基底层3分别固定连接于所述空腔层5的上下表面，三者形成为一个内部为封闭空腔的整体结构，所述封闭空腔内装有绝缘液体介质；所述上层电极6为环形结构，粘接于所述驱动层1的下表面；所述下层电极4粘接于所述基底层3的上表面；所述上层电极6及所述下层电极4均可接入外部电源；所述上层电极6及所述下层电极4为均为柔性电极；所述首层介电层2为采用介电材料制成，粘接于所述上层电极6下表面或所述下层电极4上表面。所述首层介电层2将所述上层电极6或所述下层电极4完全遮住。

具体的，驱动层1、基底层3和空腔层5可以是塑料薄膜、硅胶薄膜等。上层电极6和下层电极4可以是离子凝胶、金属电极等柔性电极。首层介电层2为高介电材料，置于上层电极6与下层电极4之间，并将所述上层电极6或所述下层电极4完全遮住，可避免电极之间因距离过近是而发生短路与击穿。

空腔层5为中空环形结构，与各层粘合后形成位于内部的封闭空腔，空腔内可填充有介电流体介质，具体可为绝缘液体，如绝缘、耐高压的植物油，或者高压变压器油。流体介质可以增大电极之间的击穿电压，并且在击穿后可形成气泡隔绝上层电极6和下层电极4，避免击穿后持续放电，提高驱动结构的安全性，上层电极6和下层电极4分别粘接在驱动层1的下侧和基底层3的上侧，使得在通电后驱动层1与基底层3能够有效的包裹上层电极6和下层电极4以隔绝高压，起到静电防护作用。上层电极6和下层电极4均为柔性环形电极。一般来说，驱动结构只需一侧输出位移和压力即可，此时基底层3可以为刚性层或者厚度大于驱动层1。

本实施例下，当柔性电极未通电时，如图2所示，本软体电液压驱动结构的驱动层1与基底层3平行，通电以后如图3所示，此时上层电极6和下层电极4分别接入一正一负的电极上，由于上层电极6和下层电极4之间产生Maxwell电场力而相互吸引，使得上层电极6和下层电极4带动驱动层1和基底层3向空腔层5移动，产生挤压作用，使得空腔层5内流体介质由外环向中心转移并向中心区域流动，最终在厚度较小的驱动层1的中心区域产生力和位移。

实施例二

如图4至图6所示，在实施例一的基础上，该软体电液驱动结构10还包括可接入电源的环形结构的中间层电极7，该中间层电极7同样为柔性电极，总体结构为三层柔性电极，所述中间层电极7设于所述上层电极6和所述下层电极4之间将所述封闭空腔分隔成上下两个互相连通的腔体。

所述软体电液驱动结构10还包括环形结构的中间介电层8，所述中间层电极7粘接于所述中间介电层8的下表面，所述首层介电层2粘接于所述下层电极4上表面。

为确保结合的牢固，所述中间介电层8的边缘可以通过热合压装等方式嵌入所述空腔层5内部，进一步的，中间介电层8嵌入所述空腔层5的部分还可以设有若干通孔，进一步增强连接作用。中间介电层8的作用与初层介电层作用相同。

在本实施例下，电液压驱动结构在实施例一所示的结构厚度不变的前提下，在上层电极6和下层电极4的中间设置中间层电极7，电极对数由原来的一对变为两对，并且每对电极之间的距离减半，由于Maxwell力的大小与电极的间距的平方成反比，所以每一对电极(两层)之间的Maxwell可增大为原来的2²＝4倍，总的三层电极之间产生大麦克斯韦力为两层电极的4x2＝8倍。

通电以后，例如可以将上层电极6和下层电极4接入正极，将中间层电极7接入负极，由于上层电极6和下层电极4同时与中间层电极7之间产生Maxwell电场力，使得空腔层5内流体介质由外环向中心转移并带动驱动层1和基底层3向空腔层5移动，使空腔层5中流体向中心区域流动，最终在厚度较小的驱动层1的中心区域产生力和位移，如图6所示。

实施例三

在实施例二的基础上，所述中间层电极7可以为多个，间隔设置于所述上层电极6和所述下层电极4之间，每层所述中间层电极7均粘接于一层中间介电层8下表面。这样可以确保没两层电极之间均有一层介电层阻隔，确保不会造成击穿，提高安全性能。

可以理解的是，为了确保通电后流体介质可以在封闭空腔内朝顶部流动，除驱动层1和基底层3及下层电极4外，其余结构层均可为环形结构，以确保内部为连通的空腔结构。

如图7和图8所示，为设有两层中间层电极7的结构形式，在本结构下，整体结构为4层电极层，此时电极对变为3对，每对电极的距离缩小为原来的三分之一，因此在电压不变的情况下总的Maxwell电场力可以增加3²X3＝27倍。

在制造技术允许内，其电极层数可以为3层但不限制其层数，如图9所示，奇数层电极21和偶数层电极22交错相间分布分别施加不同极性的电压，除最上层与最下层的电极层外，其他奇数层电极21与偶数层电极22需为中空环形结构，随着电极层数的叠加，电极之间总电场力可实现立方倍数增长，从而提升驱动力和驱动位移降低输入电压和功耗，更利于集成控制。

实施例四

在本实施例中，如图12所示，所述软体电液驱动结构10还包括流道11及驱动腔12，所述驱动腔12通过所述流道11与所述封闭空腔连通。在这种结构下，可以实现远程驱动，在通电时，软体电液驱动结构10产生的驱动力通过流道11，传递到驱动腔12进行远程输出力和位移。

在上述各实施例中，对于本发明所提供的软体电液驱动结构10的外形结构，可以为圆形或多边形结构，甚至其它异形结构，这样可以适合于更多复杂的应用场合。如图10、图11所示。

综上所述，本专利所公开的新型软体电液驱动结构10，是采用一种基于Maxwell力挤压流体介质的方法产生位移和力，通过在原有柔性结构内部叠加多层电极，使电极之间距离减小，并同时在较小尺寸上使驱动力成倍数增长，从而可以大幅度的增加驱动位移，这种结构可以解决以往结构中存在的驱动力不足、驱动位移较小、驱动器尺寸庞大、结构中带有刚性器件以及通电后存在安全问题等缺点。

另外，本发明还公开了一种穿戴系统，包括控制模块，还包括如上所述的新型软体电液驱动结构10，所述控制模块与所述软体电液驱动结构10电连接。可以理解的是，该软体电液驱动结构10可以为多个阵列，通过控制模块对每个驱动结构进行单独规则的控制，可以实现非常复杂的触觉反馈效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，包括驱动层、上层电极、空腔层、首层介电层、下层电极及基底层；

所述空腔层为具有预设厚度的环形结构，所述驱动层及所述基底层分别固定连接于所述空腔层的上下表面，三者形成为一个内部为封闭空腔的整体结构，所述封闭空腔内装有绝缘液体介质；

所述上层电极为环形结构，粘接于所述驱动层的下表面；

所述下层电极粘接于所述基底层的上表面；

所述上层电极及所述下层电极均可接入外部电源；

所述上层电极及所述下层电极为均为柔性电极；

所述首层介电层为采用介电材料制成，粘接于所述上层电极下表面或所述下层电极上表面。

2.根据权利要求1所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，所述首层介电层将所述上层电极或所述下层电极完全遮住。

3.根据权利要求1所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，还包括可接入电源的环形结构的中间层电极，所述中间层电极设于所述上层电极和所述下层电极之间将所述封闭空腔分隔成上下两个互相连通的腔体。

4.根据权利要求3所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，所述软体电液驱动结构还包括环形结构的中间介电层，所述中间层电极粘接于所述中间介电层的下表面，所述首层介电层粘接于所述下层电极上表面。

5.根据权利要求4所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，所述中间介电层的边缘嵌入所述空腔层内部。

6.根据权利要求5所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，所述中间介电层嵌入所述空腔层的部分设有若干通孔。

7.根据权利要求4所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，所述中间层电极有多个，间隔设置于所述上层电极和所述下层电极之间，每层所述中间层电极均粘接于一层中间介电层下表面。

8.根据权利要求1所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，所述软体电液驱动结构的外形结构为圆形或多边形结构。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种新型软体电液驱动结构，其特征在于，所述软体电液驱动结构还包括流道及驱动腔，所述驱动腔通过所述流道与所述封闭空腔连通。

10.一种穿戴系统，包括控制模块，其特征在于，还包括如权利要求1至9任一项所述的新型软体电液驱动结构，所述控制模块与所述软体电液驱动结构电连接。

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