CN113734420B - 一种静电吸附式无缝变刚度结构、机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静电吸附式无缝变刚度结构、机构及控制方法，该结构包括多个层叠设置的结构单元，结构单元包括两层绝缘层、两个柔性电极和至少一个加热电极；同一结构单元的两层绝缘层的相邻表面相贴合，且两层所述绝缘层分别嵌入有一个柔性电极，其中，至少一层绝缘层中设置有加热电极，位于同一层绝缘层的加热电极和柔性电极间隔设置，加热电极用于通电产生热量；每相邻的三个柔性电极中位于两端的两个柔性电极之间电连接，同一结构单元的两个柔性电极之间加载直流电压或交流电压以通过静电吸附实现变刚度。本发明通过静电吸附实现快速变刚度，并通过加热电极加热软化各绝缘层实现无缝变刚度，其变刚度的稳定性、可靠性和可控性高。

Description

一种静电吸附式无缝变刚度结构、机构及控制方法

技术领域

本发明涉及静电吸附式变刚度结构技术领域，具体而言，涉及一种静电吸附式无缝变刚度结构、机构及控制方法。

背景技术

在生活中，人们发现了大象利用象鼻的刚度变化抓取物体、变色龙利用其舌头刚度变化进行捕食、河豚利用其气囊的刚度变化来抵御敌害等动物利用变刚度维持生存的现象。

人们通过对这些变刚度现象的研究，发明了变刚度材料以及变刚度结构，例如，形状记忆聚合物、电活性聚合物和电流变液等变刚度材料，静电层阻塞结构、气动层阻塞结构、流体控制结构和颗粒阻塞结构等变刚度结构。其中，形状记忆聚合物是一种智能高分子材料，在外界条件(如光照、温度、磁场、电流、溶剂等)的刺激下，可以完成玻璃态和橡胶态的转变，从而实现刚度的变化；同时，其在外界条件的刺激下，可以敏感地发生预定响应，完成形状的恢复。静电层阻塞结构通过改变电压可以完成结构的刚度调节。静电吸附利用电压直接调节，变刚度速度较快，耗能低。

这些变刚度材料和变刚度结构在人造肌肉、机器人外骨骼、变体飞行器的机翼、可穿戴传感器等方面取得了广泛的应用，提高科学技术水平。但是，现有的变刚度结构仍然存在不足之处，例如，变刚度结构一般由多个结构单元组成，随着变形和变刚度，结构单元之间容易存在缝隙，变刚度结构的稳定性不高。

发明内容

本发明旨在至少部分改善变刚度结构的不足之处，例如避免结构单元之间的缝隙导致的变刚度结构的不稳定性。

为解决或改善上述问题的至少一个方面，本发明提出了一种静电吸附式无缝变刚度结构、机构及控制方法。

第一方面，本发明提供了一种静电吸附式无缝变刚度结构，包括多个层叠设置的结构单元，所述结构单元包括两层绝缘层、两个柔性电极和至少一个加热电极；

同一所述结构单元的两层所述绝缘层的相邻表面相贴合，且两层所述绝缘层分别嵌入有一个所述柔性电极，其中，至少一层所述绝缘层中设置有所述加热电极，位于同一层所述绝缘层的所述加热电极和所述柔性电极间隔设置，所述加热电极用于通电产生热量；

每相邻的三个所述柔性电极中位于两端的两个所述柔性电极之间电连接，同一所述结构单元的两个所述柔性电极之间加载直流电压或交流电压以通过静电吸附实现变刚度。

可选地，各所述绝缘层分别嵌入一个所述加热电极，同一个所述变刚度单元中，两个所述柔性电极间隔设置且位于两个所述加热电极之间。

可选地，相邻两个所述结构单元的相邻位置有互锁微结构，所述互锁微结构包括凹陷部和与所述凹陷部相匹配的凸起部，所述凹陷部和所述凸起部分别设置于位于所述相邻位置的两层所述绝缘层。

可选地，所述柔性电极呈片状结构，和/或，所述加热电极呈蛇形结构。

可选地，所述柔性电极包括液态金属、碳黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、导电聚合物中的任意一种材料；和/或，所述加热电极包括镍钛电极、镍铬电极、镍镉电极中的任意一种；和/或，所述绝缘层采用形状记忆聚合物制作。

可选地，所述形状记忆聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚酰胺中的任意一种。

第二方面，本发明还提出一种静电吸附式无缝变刚度机构，包括如上任意一项所述的静电吸附式无缝变刚度结构和供电装置，所述供电装置用于向所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极加载交流电压或者直流电压，并用于向所述静电吸附式无缝变刚度结构的加热电极供电。

可选地，所述静电吸附式无缝变刚度机构还包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器串联在所述柔性电极以及对应连接的所述供电装置的一个输出端之间，所述电压传感器的两端分别与互不连接的两个所述柔性电极电连接，所述电流传感器和所述电压传感器均与所述供电装置的微处理器电连接，所述微处理器适于根据所述电流传感器和所述电压传感器的检测数据调整所述柔性电极加载的电压，实现智能变刚度。

可选地，所述供电装置包括高压模块、第一晶体管、第二晶体管、微处理器和电源，所述高压模块的两个输出端分别与互不连接的两个所述柔性电极电连接，所述第一晶体管串联于所述高压模块和所述电源之间，所述第二晶体管串联于所述加热电极和所述电源之间，所述微处理器分别与所述高压模块、所述第一晶体管和所述第二晶体管连接。

可选地，所述静电吸附式无缝变刚度结构为变形飞行器机翼的蒙皮，所述蒙皮适应所述机翼的骨架的伸缩和/或弯曲而变形。

第三方面，本发明提供一种控制方法，应用于如上任意一项所述的静电吸附式无缝变刚度机构，所述控制方法包括：

实时获取需求信息；

根据所述需求信息对所述静电吸附式无缝变刚度机构进行控制，所述控制包括以下至少一种情况：

当需要增大刚度时，增大所述静电吸附式无缝变刚度机构的静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间加载的电压，获取表征值，当所述表征值达到目标表征值时，保持所述柔性电极之间加载的电压不变，其中，所述表征值与所述静电吸附式无缝变刚度结构的实时刚度对应，所述目标表征值与需求刚度对应；

当需要减小刚度和/或变形时，所述静电吸附式无缝变刚度结构的加热电极通电，直至所述静电吸附式无缝变刚度结构变形结束。

可选地，所述表征值为所述静电吸附式无缝变刚度结构的实时电容值，所述目标表征值为目标电容值，所述获取表征值包括：

实时获取所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间的电压值和通过所述柔性电极的电流值，根据所述电压值和所述电流值得到所述实时电容值。

本发明所述静电吸附式无缝变刚度结构、机构及控制方法具有如下优势：

通过设置加热电极，当向加热电极通以电流时，其产生的热量可以使各绝缘层的绝缘材料适应变刚度结构的整体变形，避免在整体变形过程中相邻两个结构单元之间的缝隙增大，影响整体变形后的刚度，变刚度结构通过设置加热电极使得各变形状态下结构单元之间基本处于无缝状态，能够提升变刚度结构的结构稳定性和可靠性；通过在所述柔性电极之间加载直流电压或交流电压以通过静电吸附实现变刚度，并且，通过对柔性电极之间的电流值和电压值的监控，能够实时监控变刚度结构的电容值，通过电容值的变化监控刚度的变化，智能化程度高。本发明突破单一材料或结构变刚度的局限性，将静电吸附式变刚度与形状记忆聚合物变刚度结合，并以动态和可控的方式改变结构的刚度，实现变刚度的智能化。

附图说明

图1为本发明的实施例中静电吸附式无缝变刚度结构的示意图；

图2为本发明的实施例中互锁微结构的纵切面处的结构示意图；

图3为本发明的又一实施例中互锁微结构的纵切面处的结构示意图；

图4为本发明的又一实施例中互锁微结构的纵切面处的结构示意图；

图5为本发明的实施例中绝缘层内嵌设加热电极和柔性电极的结构示意图；

图6为本发明的实施中绝缘层内加热电极的结构示意图；

图7为本发明的又一实施中绝缘层内加热电极的结构示意图；

图8为本发明的又一实施中绝缘层内加热电极的结构示意图；

图9为本发明的实施例中静电吸附式无缝变刚度机构的结构示意图；

图10为本发明的实施例中静电吸附式无缝变刚度机构应用于变形飞行器蒙皮时伸缩的结构示意图；

图11为本发明的实施例中静电吸附式无缝变刚度机构应用于变形飞行器蒙皮时弯曲的结构示意图；

图12为本发明的实施例中静电吸附式无缝变刚度机构的控制方法的流程示意图；

图13为本发明的又一实施例中静电吸附式无缝变刚度机构的控制方法的流程示意图；

图14为本发明的又一实施例中对静电吸附式无缝变刚度机构进行伸缩控制时的流程示意图；

图15为与图14中流程示意图对应的静电吸附式无缝变刚度结构的结构单元进行伸缩的过程示意图；

图16为本发明的又一实施例中静电吸附式无缝变刚度结构进行弯曲控制时的流程示意图；

图17为与图16中流程示意图对应的静电吸附式无缝变刚度结构的结构单元进行弯曲的过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1，本发明实施例提供一种静电吸附式无缝变刚度结构，包括多个层叠设置的结构单元，所述结构单元包括两层绝缘层、两个柔性电极和至少一个加热电极；

同一所述结构单元的两层所述绝缘层的相邻表面相贴合，且两层所述绝缘层分别嵌入有一个所述柔性电极，其中，至少一层所述绝缘层中设置有所述加热电极，位于同一层所述绝缘层的所述加热电极和所述柔性电极间隔设置，所述加热电极用于通电产生热量；

每相邻的三个所述柔性电极中位于两端的两个所述柔性电极之间电连接，同一所述结构单元的两个所述柔性电极之间加载直流电压或交流电压以通过静电吸附实现变刚度。

以相邻两个结构单元为例，其一共设置有四个柔性电极，沿结构单元的分布方向，若四个柔性电极依次为第一个柔性电极、第二个柔性电极、第三个柔性电极和第四个柔性电极，则第一个柔性电极和第三个柔性电极之间电连接，第二个柔性电极和第四个柔性电极之间电连接，此时，该两个结构单元可以等效为两个并联的电容器。如无明确限定或者本领域人员可以根据前后文描述推定，后续文中有关两个柔性电极的描述均指互不连接(即相互无电连接关系)的两个柔性电极。例如，第一个柔性电极和第二个柔性电极，或者，第一个柔性电极和第四个柔性电极(此时，第四个柔性电极可以等效为第二个柔性电极)。

当两个柔性电极之间未加载电压时，整个静电吸附式无缝变刚度结构可以跟随其它结构变形，例如跟随变形飞行器的机翼的骨架变形；当向两个柔性电极之间加载直流电压或交流电压时，所述结构单元的两个柔性电极可以视为一个电容，柔性电极之间产生吸引力，该结构单元的两层绝缘层在静电吸附的作用下紧密贴合，从而产生刚度变化。利用多个结构单元调节变刚度结构的刚度，这种变刚度结构具有广泛的适用性。

但是，申请人研究发现，在变刚度结构变形后的稳定性较弱，经过研究分析发现，变刚度结构变形过程中特别是变形量较大时，结构单元之间会产生缝隙，影响各结构单元之间的结合力，从而影响整个变刚度结构的刚度稳定性。

本发明所述的静电吸附式无缝变刚度结构，通过设置加热电极，当向加热电极通以电流时，其产生的热量可以使各绝缘层的绝缘材料适应变刚度结构的整体变形，避免在整体变形过程中相邻两个结构单元之间的缝隙增大，影响整体变形后的刚度，变刚度结构通过设置加热电极使得各变形状态下结构单元之间基本处于无缝状态，能够提升变刚度结构的结构稳定性和可靠性。

如图1所示，每个结构单元的各所述绝缘层内分别嵌入一个所述加热电极。如此，加热电极对绝缘层的加热可以使绝缘层的变形性能得到优化，从而改善整体结构的自适应变形。

进一步，同一个所述变刚度单元中，两个所述柔性电极间隔设置且位于两个所述加热电极之间。如此，一方面，加热电极的加热更加容易作用于两个结构单元的相邻两个绝缘层的相邻端面，另一方面，利于两个柔性电极的静电作用。

如图2至图4，可选地，相邻两个所述结构单元的相邻位置有互锁微结构，所述互锁微结构包括凹陷部和与所述凹陷部相匹配的凸起部，所述凹陷部和所述凸起部分别设置于位于所述相邻位置的两层所述绝缘层。

也就是说，该两层所述绝缘层中的一层上设置有所述凹陷部，该两层所述绝缘层中的另一层上设置有对应的所述凸起部，当然，一层所述绝缘层中既可以设置该凹陷部和该凸起部，另一层所述绝缘层中设置与该凹陷部和该凸起部分别对应的凸起部和凹陷部。

示例性地，凹陷部和凸起部的结合面处纵切面(纵切面垂直于绝缘层的接触面)的轮廓线可以包括梯形(如图2)、半圆形(如图3)和正弦曲线形(如图4)。

示例性，凹陷部绝缘层上形成凹陷纹路，凹陷纹路的横截面形状整体沿一条直线延伸，直线在多处向两侧凸出，凸出部分可以是梯形、圆形和正弦曲线形。

如此，变刚度结构处于低刚度状态时，互锁微结构使得各结构单元之间相互约束，防止错位，增强结构稳定性；结构单元之间不会因静电吸附式无缝变刚度结构的整体变形产生很大的间隙，配合柔性电极通电产生的静电吸附力实现较大变形下结构单元之间的无缝，确保变刚度结构的稳定性。

如图5，在上述实施例中，所述柔性电极呈片状结构。片状结构和加热电极之间通过绝缘材料隔离，片状结构和加热电极之外也设置绝缘材料。

需要说明的是，图5示出了绝缘层内嵌设加热电极和柔性电极的结构示意图，图5中各绝缘材料属于上文描述的同一绝缘层，其中，将绝缘层的绝缘材料示意为多层(即图中标记“绝缘材料”所指示的各处)，其并不对绝缘层的制作方式造成限制。

如此，一方面使得柔性电极在对应的绝缘层内能够覆盖较大的范围，增强绝缘层之间的静电吸附力且该静电吸附力分布更加均匀，并且，片状结构的设置使得其在各方向均具有较好的适应变形的能力，能够增强变刚度结构的结构稳定性和可靠性。

所述柔性电极包括液态金属(如镓、镓铟二元合金、镓铟锡三元合金中的一种或几种)、碳黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线(如银纳米线)、导电聚合物(如聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸)中的任意一种材料。

如此，柔性电极具有良好的变形能力，能够适应绝缘层的拉伸或弯曲。

如图5、图6、图7和图8，在上述实施例中，所述加热电极呈蛇形结构。如此，加热电极能够在绝缘层内覆盖较大的范围，实现对绝缘层的均匀加热，并且，还能够保持较好的适应变形的性能。

所述加热电极可以包括镍钛电极、镍铬电极、镍镉电极中的任意一种。

所述绝缘层采用形状记忆聚合物制作。

例如，所述形状记忆聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)和聚酰胺中的任意一种。

如此，加热电极通电能够使得形状记忆聚合物转变为橡胶态，在橡胶态下形状记忆聚合物可以具有良好的适应变形的能力，当温度降低完成变形后，变刚度结构的结构单元之间基本无缝，其稳定性和可靠性更高。

需要说明的是，单一的形状记忆聚合物虽然具有变刚度范围较大、变形容易等优点，但是也存在一些不足，包括：(1)变刚度速度较慢；(2)在高温下的刚度较低，恢复力较小，恢复初始态较慢；(3)稳定性一般，容易出现褶皱，不易控制。这些缺陷都限制了形状记忆聚合物变刚度的应用。

此时，在橡胶态下可以利用柔性电极的电压产生一定的静电吸附力，增加形状记忆聚合物在橡胶态的刚度和提升其承载能力，并在一定程度上防止形状记忆聚合物在其橡胶态时产生褶皱；并且，在特定小刚度范围内(无需加热形状记忆聚合物)，可直接向柔性电极通直流高压或交流高压，实现快速变刚度，弥补单一形状记忆聚合物变刚度速度较慢的不足。该静电吸附式无缝变刚度结构，将静电吸附和形状记忆聚合物结合，突破单一材料或结构的变刚度的局限性，进一步增强静电吸附式变刚度结构的无缝变刚度功能，具备较大的变刚度范围、较高的稳定性和快速响应能力。

如图9，本发明的又一实施例提供一种静电吸附式无缝变刚度机构，静电吸附式无缝变刚度机构包括如上任意一项所述的静电吸附式无缝变刚度结构和供电装置，所述供电装置用于向所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极加载交流电压或者直流电压，并用于向所述静电吸附式无缝变刚度结构的加热电极供电。

需要说明的是，一般来说，供电装置向柔性电极加载的交流电压或者直流电压为高压，例如500V-1000V的高压，向加热电极供电具体为供给低压电流，例如低压电流的电压为5V，后续不再详细说明。

静电吸附式无缝变刚度机构还可以包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器串联在所述柔性电极以及对应连接的所述供电装置的一个输出端之间(例如第一个柔性电极与对应的供电装置的输出端)，所述电压传感器的两端分别与互不连接的两个所述柔性电极(例如第一个柔性电极和第二柔性电极)电连接，所述电流传感器和所述电压传感器均与所述供电装置的微处理器电连接，所述微处理器适于根据所述电流传感器和所述电压传感器的检测数据调整所述柔性电极加载的电压，实现智能变刚度。

具体地，当供电装置向柔性电极加载交流电压时，通过电流传感器能够检测通过柔性电极的电流的电流值，通过电压传感器能够检测两个柔性电极之间的电压值。将变刚度结构等效为一个电容器，则通过测得的该电压值和该电流值确定该变刚度结构的实时电容值。确定该变刚度结构的实时电容值的具体方式可以采用相关的现有技术，此处不再详细说明。

需要说明的是，随着柔性电极间加载电压的变化，柔性电极间的静电吸附力和结构单元间互锁微结构的约束力都会发生变化，随着柔性电极间的静电吸附力变化，柔性电极间的间距也会发生变化，该变刚度结构的实时电容值也会发生变化。也就说，可以通过变刚度结构的实时电容值表征柔性电极间的间距以及柔性电极间的静电吸附力，实时电容值可以用于表征变刚度结构的实时刚度。区别于上述实施例，也可以在柔性电极之间设置相应的检测传感器，例如，该检测传感器用于检测两个柔性电极之间的压力，两个柔性电极之间的距离越小时，其压力越大。

如此，对应确定的变刚度机构，可以预先标定表征值与变刚度结构的刚度的对应关系，表征值根据柔性电极间的距离确定，表征值可以是变刚度结构的电容值，表征值还可以是结构单元的绝缘层之间的压力，此处不再详细说明。

如图9，进一步，所述供电装置包括高压模块、第一晶体管(即图中的晶体管1)、第二晶体管(即图中的晶体管2)、微处理器和电源，所述高压模块的两个输出端分别与互不连接的两个所述柔性电极(例如第一个柔性电极和第二柔性电极)电连接，所述第一晶体管串联于所述高压模块和所述电源之间，所述第二晶体管串联于所述加热电极和所述电源之间，所述微处理器分别与所述高压模块、所述第一晶体管和所述第二晶体管连接。

具体地，电源向各装置(高压模块、第一晶体管、第二晶体管)供电，微处理器控制电源、高压模块、第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管和第二晶体管作为电子开关使用。第一晶体管和第二晶体管的栅极与微处理器连接。

如图9，当微处理器对第一晶体管(即图中的晶体管1)的栅极施加电压时，第一晶体管(即图中的晶体管1)所在的电路被导通，电源向高压模块供电，高压模块向柔性电极之间加载直流高压或者交流高压。高压模块既可以实现直流高压输出也可以实现交流高压输出，此处不再详细说明。

当微处理器对第二晶体管(即图中的晶体管2)的栅极施加电压时，第二晶体管(即图中的晶体管2)所在的电路被导通，电源向加热电极供电，从而加热电极对绝缘层进行加热。

需要说明的是，当该静电吸附式无缝变刚度机构还包括电流传感器和电压传感器，电流传感器和电压传感器均与微处理器电连接，微处理器根据电流传感器和电压传感器的检测数据控制高压模块的输出电压类型及输出电压的大小，并控制第一晶体管(即图中晶体管1)的通断。

如此，当高压模块向该静电吸附式无缝变刚度结构加载单个高压交流电激励柔性电极，微处理器根据电流传感器和电压传感器的检测数据得到该变刚度结构的实时电容值，随着柔性电极间电压的升高，实时电容值被连续监控，当实时电容值达到标定电容值时，可以保持柔性电极间电压不变。该静电吸附式无缝变刚度机构，通过对静电吸附式无缝变刚度结构的电容实时监测，以动态和可控的方式改变结构的刚度，实现变刚度的智能控制。

该静电吸附式无缝变刚度结构能够应用于诸多变形场合，如图10和图11(图中粗实线部分为主要变形部分)，本说明书中将以该静电吸附式无缝变刚度结构作为变形飞行器机翼的蒙皮为例说明其效果。示例地，将静电吸附式无缝变刚度结构贴合于机翼的骨架，利用编织材料包覆变刚度结构，骨架内配重驱动装置能够驱动骨架伸缩和/或弯曲，静电吸附式无缝变刚度结构适应骨架的变形。

如图12，本发明又一实施例还提供一种控制方法，应用于如上任意一项所述的静电式吸附无缝变刚度机构，所述控制方法包括：

步骤S110,当获取到刚度增大指令(刚度增大指令包括目标表征值)时，增大所述静电吸附式无缝变刚度机构的静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间加载的电压；获取表征值，当所述表征值达到目标表征值时，保持所述柔性电极之间加载的电压不变，其中，所述表征值与所述静电吸附式无缝变刚度结构的实时刚度对应，所述目标表征值与需求刚度对应；

步骤S120,当获取到变形或刚度减小指令时，控制所述静电吸附式无缝变刚度结构的加热电极通电。

需要说明的是，在获取需求指令之前，应先完成该静电式吸附无缝变刚度机构的安装。以静电吸附式无缝变刚度机构应用于变形飞行器为例，变刚度增大指令、变形或刚度减小指令均可以由骨架的驱动装置发出，或者根据驱动装置的指令得到，也可以是操作员发出的控制信息。

正如前文描述的是，增大柔性电极之间加载的电压时，柔性电极之间的静电吸附力增大，从而能够加大静电吸附式无缝变刚度结构的刚度。通过控制柔性电极之间加载的电压即可控制静电吸附式无缝变刚度结构的刚度，能够实现智能变刚度。

当加热电极通电时，绝缘层的绝缘材料会软化，从而静电吸附式无缝变刚度结构可以适应骨架的变形或者降低刚度，而绝缘材料会随整体结构自适应变形。

示例性地，当获取到刚度增大指令时，一般需要先降低刚度或者完成变形，例如，骨架从折叠状态展开为第一伸展状态时，先变形再变刚度，也就是步骤S120的控制，直至所述静电吸附式无缝变刚度结构变形结束。然后再进行步骤S110的控制。

可选地，需要降低刚度时，例如骨架从第一伸展状态转变为折叠状态时，降低刚度有利于其变形，可以进行步骤S120的控制。

如图13，可选地，在骨架由第一伸展状态时，保持所述柔性电极之间加载的电压不变之后，若有变形需求，可以进行步骤S120的控制，此时，若需要保持刚度，则继续维持电压不变，若不需要保持刚度，则柔性电极断电。

可选地，在上述实施例中，所述表征值为所述静电吸附式无缝变刚度结构的实时电容值(即图13中的C)，所述目标表征值为目标电容值(即图13中的C1)。应当理解的是，在其他条件保持不变的情况下，柔性电极之间的距离确定的情况下，对应的刚度以及电容值也确定，因此，电容值可以间接表征刚度(可以是大致对应)。

具体地，所述获取表征值包括：实时获取所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间的电流值和电压值，根据所述电压值和所述电流值得到所述实时电容值。

如此，在静电吸附式无缝变刚度结构的变刚度过程中，具备了反馈机制，其变刚度的可控性和智能性更高。

可选地，在上述实施例中，所述增大所述静电吸附式无缝变刚度机构的静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间加载的电压包括：

增大所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间加载的交流电压(也即，柔性电极之间直接加载交流电压)；或者，

在预设电压范围内所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间加载直流电压，在预设电压范围外所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间加载交流电压。

预设电压范围根据目标表征值对应的电压确定，例如，预设电压范围的最大致为目标表征值对应的电压的0.3-0.9倍，例如0.4-0.7倍，例如0.6倍。首先在柔性电极之间加载直流电压直至电压值达到该预设电压范围的最大(此过程中电压值不可测，为给定值)，然后加载交流电压，此时能够测得电流值和电压值，从而得到该实时电容值。

如此，先通过直流电压快速增加刚度，在刚度靠近目标刚度时，加载交流电压，可以进行刚度的精细控制，一方面实现智能控制，另一方面避免直流电压加载时波动过大导致的柔性电极的损坏(类似于电容的击穿)。

应当理解的是，一般直流电压相较于交流电压而言，具有响应更快的特点，在达到相同刚度的情况下，需要电压值更高的交流电压，此处不再详细说明。

如图10、图14和图15，示例性地说明静电吸附式无缝变刚度结构的伸缩过程：

利用加热电极加热绝缘层的绝缘材料；

绝缘材料(变刚度结构)随机翼骨架结构伸缩变形；

变形结束后，加热电极断电，冷却绝缘材料，变刚度结构变形结束；

对柔性电极加载高压电，结构单元间的约束力增强，避免绝缘材料产生褶皱，实时监测柔性电极间的电容值，当电容值C≥标定电容值时C1(C1为该变刚度环境所需的电容)，保持当前的输入电压，变刚度结构的刚度满足需求；

若变刚度结构需要恢复形状，利用加热电极对绝缘材料加热，绝缘材料(变刚度结构)随机翼骨架自适应变形，实现形状的恢复。

如图11、图16和图17，示例性地说明静电吸附式无缝变刚度结构的弯曲过程：

利用加热电极加热绝缘层的绝缘材料；

绝缘材料(变刚度结构)随机翼骨架结构弯曲变形；

变形结束后，加热电极断电，冷却绝缘材料，变刚度结构变形结束；

对柔性电极加载高压电，结构单元间的约束力增强，避免绝缘材料产生褶皱，实时监测柔性电极间的电容值，当实时电容值C≥标定电容值时C1(C1为该变刚度环境所需的电容)，保持当前的输入电压，变刚度结构的刚度满足需求；

若变刚度结构需要恢复形状，利用加热电极对绝缘材料加热，绝缘材料(变刚度结构)随机翼骨架自适应变形，实现形状的恢复。

在上述实施例中，在变形过程中，可以对柔性电极加载直流高压电(此高压电的电压值一般小于目标刚度所对应的高压电的电压值，例如为该目标刚度所对应的高压电的电压值的0.1-0.5倍，例如0.3倍)，使得结构单元间的约束力增强，能够弥补了形状记忆聚合物处于橡胶态时刚度不足和易产生褶皱的缺陷。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，包括静电吸附式无缝变刚度结构和供电装置；

所述静电吸附式无缝变刚度结构包括多个层叠设置的结构单元，所述结构单元包括两层绝缘层、两个柔性电极和至少一个加热电极；

同一所述结构单元的两层所述绝缘层的相邻表面相贴合，且两层所述绝缘层分别嵌入有一个所述柔性电极，其中，至少一层所述绝缘层中设置有所述加热电极，位于同一层所述绝缘层的所述加热电极和所述柔性电极间隔设置，所述加热电极用于通电产生热量；

每相邻的三个所述柔性电极中位于两端的两个所述柔性电极之间电连接，同一所述结构单元的两个所述柔性电极之间加载直流电压或交流电压以通过静电吸附力实现变刚度；

所述供电装置用于向所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极加载交流电压或者直流电压，并用于向所述静电吸附式无缝变刚度结构的加热电极供电；

所述绝缘层采用形状记忆聚合物制作；当所述绝缘层处于橡胶态时，利用所述柔性电极之间的电压产生的静电吸附力防止所述形状记忆聚合物产生褶皱。

2.根据权利要求1所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，还包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器串联在所述柔性电极以及对应连接的所述供电装置的一个输出端之间，所述电压传感器的两端分别与互不连接的两个所述柔性电极电连接，所述电流传感器和所述电压传感器均与所述供电装置的微处理器电连接，所述微处理器适于根据所述电流传感器和所述电压传感器的检测数据调整所述柔性电极加载的电压，实现智能变刚度。

3.根据权利要求1或2所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，所述供电装置包括高压模块、第一晶体管、第二晶体管、微处理器和电源，所述高压模块的两个输出端分别与互不连接的两个所述柔性电极电连接，所述第一晶体管串联于所述高压模块和所述电源之间，所述第二晶体管串联于所述加热电极和所述电源之间，所述微处理器分别与所述高压模块、所述第一晶体管和所述第二晶体管连接。

4.根据权利要求1或2所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，所述静电吸附式无缝变刚度结构为变形飞行器机翼的蒙皮，所述蒙皮适应所述机翼的骨架的伸缩和/或弯曲而变形。

5.根据权利要求1所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，各所述绝缘层分别嵌入一个所述加热电极，同一个所述变刚度单元中，两个所述柔性电极间隔设置且位于两个所述加热电极之间。

6.根据权利要求1所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，相邻两个所述结构单元的相邻位置有互锁微结构，所述互锁微结构包括凹陷部和与所述凹陷部相匹配的凸起部，所述凹陷部和所述凸起部分别设置于位于所述相邻位置的两层所述绝缘层。

7.根据权利要求1、5、6任意一项所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，所述柔性电极呈片状结构，和/或，所述加热电极呈蛇形结构。

8.根据权利要求1、5、6任意一项所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，所述柔性电极包括液态金属、碳黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、导电聚合物中的任意一种材料；和/或，所述加热电极包括镍钛电极、镍铬电极、镍镉电极中的任意一种。

9.根据权利要求1、5、6任意一项所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，所述形状记忆聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯基、聚苯乙烯基、聚乙烯醇基和聚酰胺基形状记忆聚合物中的任意一种。

10.一种控制方法，应用于权利要求1至9任意一项所述的静电吸附式无缝变刚度机构，其特征在于，所述控制方法包括：

当获取到刚度增大指令时，增大所述静电吸附式无缝变刚度机构的静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间加载的电压；获取表征值，当所述表征值达到目标表征值时，保持所述柔性电极之间加载的电压不变，其中，所述表征值与所述静电吸附式无缝变刚度结构的实时刚度对应，所述目标表征值与需求刚度对应；

当获取到变形或刚度减小指令时，控制所述静电吸附式无缝变刚度结构的加热电极通电。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述表征值为所述静电吸附式无缝变刚度结构的实时电容值，所述目标表征值为目标电容值，所述获取表征值包括：

实时获取所述静电吸附式无缝变刚度结构的柔性电极之间的电压值和通过所述柔性电极的电流值，根据所述电压值和所述电流值得到所述实时电容值。

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