CN114802527B - 一种由pvdf谐振驱动的双步态软体爬行装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置。可以实现软体爬行装置的高速双向运动，因软体爬行装置在不同频段下的滞空时间不一致，导致爬行装置在与地面接触的状态不一致，实现了在不同频段下装置双向运动的功能；由PVDF层谐振驱动的软体爬行装置主要有五层结构，由上而下依次是柔性电极层，PVDF层，柔性电极层，硅胶粘合剂层和PET层；此外软体爬行装置为了保持身体与足的角度，在折痕处填充了PDMS材料。本发明实现了软体爬行装置高速双向运动的功能。
Description
技术领域
本发明主要涉及机电一体化领域，具体涉及一种由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置，可以通过改变驱动电压频率的高低来控制软体爬行装置的快速前进和退后运动。
背景技术
虽然实际应用中软体爬行装置的驱动方式层出不穷，多数软体爬行装置主要还是采用气压驱动、液压驱动等方式。然而随着智能材料的不断发展，采用与软体生物肌肉性能相似的，具有结构简单、运动更自然更稳定等优点，将逐步成为软体爬行机器人未来的发展趋势。
通过对PVDF智能材料基本特性和变形机理的研究发现，若给PVDF驱动器加载高频或低频的电压则可以控制软体机器人实现快速前进和后退运动。
一种由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置主要改版驱动电压的频率来实现软体机器人的前进和后退运动，受技术的限制，高低频电压需要由外部电源提供并经由上下柔性电极连接到软件爬行机器人身上。
与其他的测试方法相比，选择由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置的优势在于：由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置有着结构简单、运动自然稳定的特点，应用领域十分广泛。
发明内容
为了克服背景技术中的问题，本发明提供了一种由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置，该发明不仅可以通过提供高频电压来驱动软体爬行装置实现快速前进运动，而且可以通过加载低频电压来驱动软体爬行装置实现快速退后运动，对于新型智能材料驱动功能的发现有着非凡的指导意义。
本发明采用的技术方案如下：
一种由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置主要有五层结构，由上至下依次是柔性电极层，PVDF层，柔性电极层，硅胶粘合剂层和PET层，其中厚度在微米级的PVDF层两面在出厂时已经被镀上厚度为纳米级的铜镍电极，硅胶粘合剂层与底层的PET结合牢固，且PET的弹性模量远远大于硅胶粘合剂层，PET层主要作为被动层提供阻抗作用。当给软体爬行装置提供高频电压时，软体爬行装置将会实现快速前进运动；当给软体装置加载低频电压时，软体爬行装置实现快速后退运动。于是我们可以改变外部电源的电压频率来实现对软体爬行装置的前进与后退运动的控制。
一、一种由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置
包括相连接的前足段和身体段；前足段和身体段均由PVDF复合层和PET层组成，PVDF复合层和PET层之间通过硅胶粘合剂上下粘合；PVDF复合层包括PVDF层和分别位于PVDF层上下表面的两层柔性电极层，两根导线分别连接至两层柔性电极层以提供外部电源；通过在前足段和身体段的连接处添加PDMS材料使两者之间的夹角保持锐角。
所述前足段和身体段之间的夹角为30°～45°；身体段的长度大于前足段长度，身体段与前足段的宽度尺寸一致。
通过柔性电极层对PVDF层施加电压，PVDF层在长度方向上发生形变，由于PET层对PVDF变形的限制作用，PVDF层发生弯曲；当施加的电压方向与PVDF层的极化方向相反时，PVDF层长度缩短使两端朝远离PET层的方向弯曲；当电场撤去时，PVDF恢复原长，PET层的回复力使PET层保持水平；当施加的电场方向与PVDF层的极化方向相同时，PVDF层长度伸长使两端朝PET层的方向弯曲。若电压是连续交变电压，则PVDF层可对外界输出连续的变化，同时输出连续的驱动力。
爬行装置的前足段和身体段的连接处朝上，前足段和身体段远离连接处的一端均与地面接触以起支撑作用；爬行装置重心靠近前足段。
二、采用上述双步态软体爬行装置的爬行方法
爬行装置在初始状态时，柔性电极层未上电，前部为前足段，后部为身体段，前足段和身体段与地面接触点分别为前触点和后触点；通过对爬行装置分别施加低频交流电压和高频正弦电压实现爬行装置的后退和前进。
所述爬行装置的后退过程如下：
1.1)对前足段和身体段的PVDF层施加固定幅值的低频交流电压；低频电压下，驱动器具有充足时间完成机械响应，并且机械响应会随电压方向的改变而改变。
1.2)当交变电压方向改变使PVDF层两端朝靠近PET层方向弯曲，即PVDF层处于伸长状态时，PVDF层振动同时带动爬行装置的后触点与地面不断发生周期性撞击，地面同时向后触点施加反作用力N2bb，后触点撞击地面的速度不断增加；由于PVDF层对身体段的驱动力大于对前足段的驱动力，地面对后触点施加的作用力大于地面对前触点施加的作用力，在前足离开地面前，装置整体将以前足触点为旋转中心旋转，直至身体段后半部分完全滞空；
从结构示意图可以看出，装置的重心靠近前足，对比前后触点与重心之间的距离可知，N2bb提供的转矩大于重心对前足的转矩，故此时装置整体以前足为旋转中心向顺时针方向旋转，装置后半部分完全滞空，如图2-c所示。
1.3)电压方向继续改变，使PVDF层两端朝远离PET层方向弯曲时，PVDF层从伸长状态变为收缩状态，由于低频下电压方向的改变时间小于身体段的滞空时长，当电压方向改变时，身体段虽然开始回落，但依旧处于滞空状态。装置整体处于部分失重状态，自身重力对于前足的作用减小，地面对前足朝向后方的反作用力N1bc带动装置整体向后移动；前足滞空的同时装置整体向后移动；
1.4)装置整体在重力作用下落地，完成整个后退运动。
所述爬行装置的前进过程如下：
2.1)对前足段和身体段的PVDF层同时施加固定幅值的高频正弦电压信号；
2.2)当电压方向改变使PVDF层两端朝靠近PET层方向弯曲，PVDF薄膜处于伸长状态时，爬行装置的前后触点与地面撞击，地面同时向前后触点施加反作用力；由于装置重心向前，前触点受地面的摩擦力大于后触点受地面的摩擦力，致使前触点锚定静止而后触点向前滑移。
后触点在撞击地面时将会向地面施加作用力，于是装置在向后移动时需要克服前足部分和后触点的摩擦力远大于向前移动时的摩擦力，因此装置具有向前运动的趋势：
如果装置向后运动，那么装置受到的作用力方向为斜向下方，最终的表象是前足部分和后触点的摩擦力将会变大；如果装置向前移动，前足触点受到的作用力方向是斜向上方，表象是前足和后触点部分与地面之间产生的摩擦力将会远小于向后移动所需克服的摩擦力。于是装置将有向前运动的趋势，当原先的平衡被破坏(PVDF通电将会致使平衡状态破坏)，装置将会向前运动
2.3)当后触点向前滑移且前触点静止时，身体段的PVDF层将会发生弯曲形成开口朝PET层的拱形，此时作为与后触点一体的前触点也会产生向前滑移的趋势，直至电压改变即PVDF层由伸长状态变为压缩状态时，之前的弯曲状态将会遭到破坏，前触点由于PVDF层的变化开始向前滑移，表现为后触点锚定静止，前触点向前滑移动；
2.4)电压方向周期性变化，使得装置在PVDF层驱动下持续前进。
若向PVDF层提供电压形式为固定幅值的低频交流电压，低频电压下PVDF层具有充足时间完成机械响应，并紧随电压信号的改变而改变，从而实现快速后退运动的功能；
若向PVDF层提供电压形式为固定幅值的高频交流电压，高频条件下PVDF层的振幅较小并且由于前足长度较短，前足部分可近似静止不动，装置的滞空现象忽略不计，PVDF层在高频条件下完成机械响应，并跟随电压信号的改变而改变，从而实现快速前进运动的功能。
本发明的有益效果：
本发明不仅可以通过提供高频电压来驱动软体爬行装置实现快速前进运动，而且可以通过加载低频电压来驱动软体爬行装置实现快速退后运动，对于新型智能材料驱动功能的发现有着非凡的指导意义。但受技术的限制，高频与低频的电压需要由外部电源提供并经由上下柔性电极连接到软体爬行装置身上。
附图说明
图1是本发明的由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置整体展示图。
图2是本发明的双步态软体爬行装置正反双向移动机理步骤的展示图。
图中：1、上层柔性电极层，2、PVDF层，3、下层柔性电极层、4、硅胶粘合剂层，5、PET层，6、PDMS材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1所示，爬行装置主要有五层结构，由上至下依次是上层柔性电极层1，PVDF层2，下层柔性电极层3，硅胶粘合剂层4和PET层5。其中厚度在微米级的PVDF层两面在出厂时已经被镀上厚度为纳米级的铜镍电极，由双面柔性电极组成的PVDF复合层可以简化成只有PVDF的单层结构，硅胶粘合剂层分别将下层柔性电极和PET被动层结合牢固，且PET的弹性模量远远大于硅胶粘合剂层。
本发明的双步态软体爬行装置包括身体部分和前足部分，其中身体部分的尺寸为30mm×20mm，前足部分的尺寸为10mm×20mm，身体部分长度与前足长度的比例为3:1时运动性能较好。并对软体爬行装置的运动特性进行了理论和试验研究，对比了不同驱动条件下不同结构尺寸参数下的装置爬行运动性能。结果显示，当PVDF层厚度为28μm以及PET层厚度为60μm时爬行装置的运动性能相对较好。
1、软体爬行装置的制备过程如下：
身体部分的制作是首先沿PVDF极化方向裁剪厚度28μm的PVDF薄片，在PVDF薄片上下集成柔性电极；使用同样的工艺裁剪厚度为60μm的PET材料，使用硅胶粘合剂将PVDF薄膜和PET材料粘连在一起；前足部分的制作同样由硅胶粘合剂将PVDF薄膜和PET材料粘连，折痕处添加PDMS材料6使软体爬行装置身体与腿部的角度保持锐角，经过实验仿真得出当前足与身体的夹角为30°～45°时性能较佳。将PDMS和固化剂均匀配比，并将对折后的PET材料放入模具中，滴入PDMS液体直到混合液均匀填充PET压痕，放入烘干箱加速PDMS的固化。固化完成后取出，裁剪V字形PET的其中一面使其呈L字型，最后在L型PET的长边处依次粘贴PET双面胶，漆包线和PVDF，至此，前足部分制备完成。
2、软体爬行装置的工作原理
通过柔性电极向PVDF层施加电压，PVDF层将在长度方向上发生形变，但PET被动层对PVDF一侧的变形起到阻碍作用，在几何条件的约束下驱动器会发生弯曲。当施加的电压方向与极化方向相反时，PVDF长度缩短并且朝着PVDF一侧弯曲；当电场撤去时，PVDF恢复原长，PET层的回复力使驱动器保持水平；当施加的电场方向与极化方向相同时，PVDF伸长并且朝着PET被动层一侧弯曲。若电压是连续的交变电压，则驱动器可对外界输出连续的变化，同时输出连续的驱动力。
若向软体爬行装置的PVDF薄膜提供电压形式为固定幅值的低频交流电压，低频电压下软体驱动器具有充足时间完成机械响应，并紧随电压信号的改变而改变，从而实现快速后退运动的功能。
若向软体爬行装置的PVDF薄膜提供电压形式为固定幅值的高频交流电压。高频条件下PVDF薄膜的振幅较小并且由于前足长度较短，前足部分可近似静止不动，并假设装置在运动期间不出现滞空现象，驱动器在高频条件下完成机械响应，并跟随电压信号的改变而改变，从而实现快速前进运动的功能。
3、软体爬行装置的爬行方法
后退运动具体包括如下步骤，
S1:爬行装置初始未上电状态，在自身重力G作用下受到地面N1ba和N2ba的反作用力，方向竖直向上，如图2-a所示。
S2:当开始向爬行装置的前足和身体部分的PVDF驱动器供电，电压形式为固定幅值的低频交流电压。低频条件下，电压方向改变时间较长，因此驱动器具有充足时间完成机械响应，紧随信号的改变而改变。
当交变电压方向变换到某一方向时使PVDF薄膜处于伸长状态时，软体爬行装置的后触点与地面撞击，撞击时后触点将会向地面施加作用力，根据牛顿第三定律可知，此时地面同时向后触点施加N2bb反作用力，如图2-b所示。
S3:由于前足的PVDF驱动器长度较短，而且两者的宽度是一致的，于是前足部分的面积小于身体部分的面积。因此在相同条件下，所能提供动力小于躯干PVDF所提供的驱动力，结合自身重力作用，在当前状态下可以假设前足未离开地面。从结构示意图可以看出，装置的重心靠近前足，对比前足起距可以发现，N2bb提供的转矩大于重心对前足的转矩，故此时装置整体以前足为旋转中心向顺时针方向旋转，装置后半部分完全滞空，如图2-c所示。
S4:随着电压方向改变，PVDF薄膜将从伸长状态变为收缩状态。由于身体后半部分的滞空时长大于电压方向改变时间，所以当电压方向改变时，装置的后半部仍然处于滞空状态因此此时装置处于部分失重状态，重力对前足的作用减小，使得前足也能出现短暂滞空，并且前足回弹力N1bc的作用软体装置将会后移一小段距离，如图2-d所示。
S5:软体装置在重力作用下落地，完成了一个周期运动，如图2-e所示。
前进运动具体包括如下步骤：
S1:爬行装置初始未上电状态，在自身重力G作用下受到地面N1bf和N2bf的反作用力,方向竖直向上，如图2-f所示。
S2:当爬行装置的前足和身体部分的PVDF驱动器同时被给予固定幅值的高频正弦电压信号。高频下，PVDF的振幅较小并且由于前足长度较短，所以前足分析时可近似不变，并假设装置在运动期间不出现滞空现象，简化运动分析模型。基于当前简化的模型结构下，后触点在撞击地面时将会向地面施加作用力，于是软体装置在向后移动时需要克服前足部分和后触点的摩擦力远大于向前移动时的摩擦力。所以，当软体爬行装置前足和身体部分的PVDF处于伸展状态时，前触点所受地面的摩擦力大于后触点所受到的摩擦力，所以前触点锚定静止，后触点向前滑移，如图2-g所示。
S3:当后触点向前滑移且前触点静止时，身体段的PVDF层将会发生弯曲形成开口朝PET层的拱形，此时作为与后触点一体的前触点也会产生向前滑移的趋势，直至电压改变即PVDF层由伸长状态变为压缩状态时，之前的弯曲状态将会遭到破坏，前触点由于PVDF层的变化开始向前滑移，表现为后触点锚定静止，前触点向前滑移动；如图2-h所示。
S4:从状态1(图2-f)向状态2(图2-g)转变时，装置的前足锚定，而身体后半部分向前移动，当状态2(图2-h)向状态3(图2-i)转变时，身体后半部分锚定，而前足向前移动，这样装置在一个周期内实现了向前移动。于是在周期驱动信号下，软体爬行装置可以持续前进。
评判驱动器的性能优劣的唯一指标是PVDF层产生的形变量，PVDF层在准静态条件下形变量越大，则说明驱动器的性能越优秀。同时不同厚度的PET薄膜和PVDF薄膜都将会对驱动器形变量的大小产生影响。
所选用的压电智能材料为一种具有高柔韧性的压电聚合物(PVDF薄膜)，在受到弯扭变形时，仍能不被破坏。在PVDF驱动器两面镀有柔性电极，为PVDF薄膜提供了均匀电场。爬行装置的身体由PET材料搭建而成，为了保持身体与足之间的角度，在折痕处填充了聚二甲基硅氧烷(PDMS)，最后使用硅胶粘合剂将身体和前足粘连在一起。
PVDF是各向异性材料，所以在裁剪PVDF薄膜时，应沿着极化方向进行裁剪，否则实验过程中会出现驱动器提供的驱动力不足而导致装置无法按照要求爬行。在PVDF薄片和PET单面胶贴合面处，插入一段已经使用刀片刮去表面油漆的漆包线，这样做的目的是为了将PVDF与PET的贴合面处的电极进行引出，方便后续的电路连接。
相同驱动电压下，不同PET厚度将会影响PVDF层弯曲形成的圆心大小；其中PET厚度越厚，PVDF层围成的圆心角越小。PET在整个驱动器的提供阻抗作用，但过厚的PET会阻碍驱动器形变。为了能实现大变形，在选择PET时应尽量选择较薄的PET作为被动层。
结构的抗弯系数与横截面积有很大的关系，PVDF层的横截面为矩形，厚度方向对抗弯截面系数起着决定性作用，厚度越厚，抗弯结面系数越大，驱动器越难以弯曲，反之亦然。所以在选择PVDF驱动器上应尽可能选用较薄的PVDF薄膜。
本发明装置的双步态模式机理与冰镐的工作原理相似，可以用冰镐的工作原理来辅助理解软体爬行装置的双方向爬行状态。对于冰镐而言，从它的尾部推它前进是很容易实现的，但是把它往后拉因为巨大摩擦力的影响十分困难。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
(1)软体爬行装置的制作：驱动器主要有五层结构，分别是柔性电极层、PVDF层、柔性电极层、硅胶粘合剂层和PET层，并且驱动器的身体与足的连接处需添加PDMS材料来保持身体与前足之间的角度，以获取合适的软体爬行装置模型。
(2)软体爬行装置仿真与性能分析：根据仿真软件对PVDF驱动器进行仿真分析，分析关键结构参数、驱动源输出特性对驱动器变形性能的影响，同时将仿真结果与理论值进行比较，验证了PVDF驱动器理论的准确性。
(3)软体爬行装置性能试验：主要对不同长度的驱动器和不同驱动源情况下驱动器形变特性进行了试验研究，试验了不同条件下爬行装置的运动性能差异。
(4)上文所出现的高频与低频是相对于确定的软体爬行装置而言，本次制作的软体爬行装置的共振频率为300HZ。因此当施加频率超过300HZ时可视为高频，软体爬行装置将会快速前进；当施加的频率低于300HZ时可视为低频，软体爬行装置将会快速后退。
以上是本发明的主要内容，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用超出本发明方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种由PVDF谐振驱动的双步态软体爬行装置的爬行方法，双步态软体爬行装置包括相连接的前足段和身体段；前足段和身体段均由PVDF复合层和PET层组成，PVDF复合层和PET层之间通过硅胶粘合剂上下粘合；PVDF复合层包括PVDF层和分别位于PVDF层上下表面的两层柔性电极层，两根导线分别连接至两层柔性电极层以提供外部电源；
通过在前足段和身体段的连接处添加PDMS材料使两者之间的夹角保持锐角；身体段和前足段的长度比例为3:1；所述前足段和身体段之间的夹角为30°~45°；身体段的长度大于前足段长度；
通过柔性电极层对PVDF层施加电压，PVDF层在长度方向上发生形变，由于PET层对PVDF变形的限制作用，PVDF层发生弯曲；当施加的电压方向与PVDF层的极化方向相反时，PVDF层长度缩短使两端朝远离PET层的方向弯曲；当电场撤去时，PVDF恢复原长，PET层的回复力使PET层保持水平；当施加的电场方向与PVDF层的极化方向相同时，PVDF层长度伸长使两端朝PET层的方向弯曲；
爬行装置的前足段和身体段的连接处朝上，前足段和身体段远离连接处的一端均与地面接触以起支撑作用；爬行装置重心靠近前足段；其特征在于，
爬行装置在初始状态时，柔性电极层未上电，前部为前足段，后部为身体段，前足段和身体段与地面接触点分别为前触点和后触点；通过对爬行装置分别施加低频交流电压和高频正弦电压实现爬行装置的后退和前进；
所述爬行装置的后退过程如下：
1.1）对前足段和身体段的PVDF层施加固定幅值的低频交流电压；
1.2）当交变电压方向改变使PVDF层两端朝靠近PET层方向弯曲，即PVDF层处于伸长状态时，PVDF层振动同时带动爬行装置的后触点与地面不断发生周期性撞击，地面同时向后触点施加反作用力N 2bb ；由于PVDF层对身体段的驱动力大于对前足段的驱动力，在前足离开地面前，装置整体将以前足触点为旋转中心旋转，直至身体段完全滞空；
1.3）电压方向继续改变，使PVDF层两端朝远离PET层方向弯曲时，PVDF层从伸长状态变为收缩状态，由于低频下电压方向的改变时间小于身体段的滞空时长，当电压方向改变时，身体段依旧处于滞空状态；地面对前足朝向后方的反作用力N 1bc 带动装置整体向后移动；
1.4）装置整体在重力作用下落地，完成整个后退运动。
2.根据权利要求1所述的爬行方法，其特征在于，所述爬行装置的前进过程如下：
2.1）对前足段和身体段的PVDF层同时施加固定幅值的高频正弦电压信号；
2.2）当电压方向改变使PVDF层两端朝靠近PET层方向弯曲，PVDF薄膜处于伸长状态时，爬行装置的前后触点与地面撞击，地面同时向前后触点施加反作用力；由于装置重心向前，前触点受地面的摩擦力大于后触点受地面的摩擦力，致使前触点锚定静止而后触点向前滑移；
2.3）当后触点向前滑移且前触点静止时，身体段的PVDF层将会发生弯曲形成开口朝PET层的拱形，此时前触点产生向前滑移的趋势，直至电压改变即PVDF层由伸长状态变为压缩状态时，前触点由于PVDF层的变化开始向前滑移，表现为后触点锚定静止，前触点向前滑移动；
2.4）电压方向周期性变化，使得装置在PVDF层驱动下持续前进。
3.根据权利要求2所述的爬行方法，其特征在于，
若向PVDF层提供电压形式为固定幅值的低频交流电压，低频电压下PVDF层具有充足时间完成机械响应，并紧随电压信号的改变而改变，从而实现快速后退运动的功能；
若向PVDF层提供电压形式为固定幅值的高频交流电压，高频条件下PVDF层的振幅较小并且由于前足长度较短，可忽略装置的滞空现象。
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