CN203775077U - 双稳态致动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种双稳态致动器，包括支架、预拉伸机构、致动机构和驱动机构。其中，预拉伸机构为拉伸臂，拉伸臂分布于支架两边；驱动机构为两片智能软材料薄膜，两片薄膜的内端分别与刚性片粘合，外端分别固定在连接着拉伸臂的夹具上，致动机构通过智能软材料薄膜的收缩和舒张来驱动；致动机构包括双稳态梁和刚性片，双稳态梁位于机构中央，并垂直穿过刚性片中部，智能软材料薄膜与刚性片粘合，双稳态梁的两端与支架连接，双稳态梁通过位置状态的切换来实现所述致动器在两个稳定状态之间相互切换，双稳态梁仅在位置状态切换时需要提供能量，保持稳定位置状态时不需要能量。本实用新型借助智能软材料薄膜材料以及双稳态结构实现稳态驱动，不仅具有一般致动器的优点，而且可以实现小型化、省电以及快速响应。

Description

双稳态致动器

技术领域

本实用新型涉及致动器，具体涉及一种利用智能软材料的本征应变驱动的双稳态致动器。

背景技术

微驱动器是机电双稳态驱动器的重要组成部件，其中基于电、热、磁和光等驱动原理的微驱动器是研究的重点。传统的电磁驱动器所需的电压可以很低但是其工作特征的尺寸效应明显，结构复杂、功耗高而效率并不高。双稳态（bi-stable）设计虽然可以缓解接种发热所造成的散热困难，但是这种器件仍然存在着功效低的问题。热机械(电热)驱动可以在小尺寸上具有较低的驱动电压、较高的输出力矩和较高的单位体积能量。但是热机械驱动存在功耗高，响应慢的缺点。而永磁双稳态电热驱动器在传统的热机械驱动器的基础上引入了双稳态的结构进而改善热驱动的缺陷，但是仍然存在结构复杂且效率低下的缺点。此外，传统的智能软材料驱动器需要保持激励作用来维持驱动状态，这就造成了能源利用率的低下，不具备节能的效果。

实用新型内容

  针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用智能软材料的本征应变驱动的双稳态致动器，本实用新型的双稳态致动器仅在状态切换时需要提供能量，保持稳定状态时不需要能量，具有大幅降低能耗的优点。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种双稳态致动器，其特征在于：所述的双稳态致动器包括支架、预拉伸机构、致动机构和驱动机构，其中：

所述的预拉伸机构用于调节驱动机构的预拉伸，预拉伸使得驱动机构更加容易被驱动；

所述的驱动机构利用智能软材料的本征应变产生驱动力，所述的智能软材料是指在外加激励（不包含力场），例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场的作用下，产生的自由形变相对显著并且肉眼可见的特殊材料，其为一种柔性材料，力学特性偏软，刚度和模量很小，其自由形变可恢复；所述的本征应变是指材料在外加激励，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场的作用下产生的形变，这种形变不需要依赖外界的力载荷，也即这种形变是材料本身产生的，例如热胀冷缩现象，这种形变产生的驱动力能使双稳态致动器发生状态切换。

对于智能软材料，所述的预拉伸是指先将此类材料预先拉伸到一定状态，然后固定到拉伸臂上用于保持拉伸状态。经过预拉伸以后的驱动机构可以非常容易驱动，因为驱动机构的一部分处于外加激励作用下，该部分的预拉伸可以被放松，从而可以被没有处于外加激励的部分驱动。

所述的致动机构用于使所述致动器在两个稳定状态之间相互切换，所述的致动机构仅在状态切换时需要提供能量，用来对智能软材料施加激励，而在保持稳定状态时不需要能量。

 传统的双稳态致动器的驱动方式往往需要引入电磁铁，电机等复杂的机械结构以便实现双稳态驱动器的稳态切换。这些器件往往有两个缺点。首先，其能量利用率不高，在维持稳定状态的时候需要持续供能，较为耗能；其次，上述机械结构使得整个双稳态驱动器的结构更为复杂。

由于智能软材料具有因粘弹性导致的响应速率慢以及驱动力小的缺点，如果单独将智能软材料用于驱动器，则需要保持激励作用来维持驱动状态，这就造成了能源利用率的低下，不具备节能的效果；而本实用新型设计的双稳态结构在稳态跳跃过程中时间很短，产生的力较大，并且可辅助智能软材料薄膜驱动，将智能软材料作为本实用新型双稳态致动器的驱动机构，智能软材料与双稳态结构的有机结合恰好弥补了智能软材料的缺点，显著提升了即智能软材料薄膜的响应速度和驱动力，并且大大简化了双稳态致动器的结构。

本实用新型针对智能软材料的缺点，创造性地提出一种全新结构的基于智能软材料的双稳态致动器，大大简化了双稳态致动器的结构，其仅在状态切换时需要提供能量，而在保持稳定状态时不需要能量，使得整个双稳态致动器的能耗大幅降低。

进一步地，所述的双稳态致动器的尺寸范围可以为0.1mm～1m，作为优选，所述双稳态致动器的尺寸范围是1mm～10cm。

进一步地，所述的驱动机构为智能软材料薄膜，所述的致动机构通过智能软材料薄膜的收缩和舒张来驱动，所述的智能软材料薄膜在外加激励（不包含力场），例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场的作用下会在薄膜的平面内膨胀，厚度变薄。

进一步地，所述智能软材料薄膜的材料选自光致伸缩高弹体、介电高弹体、磁致伸缩高弹体。

进一步地，本实用新型所述的驱动机构为弹簧结构。

进一步地，本实用新型的双稳态致动器的预拉伸机构为拉伸臂，拉伸臂分布于支架两边，在拉伸臂内可以设有调节螺栓，可以通过旋转调节螺栓来改变拉伸臂的位置，从而改变智能软材料薄膜的预拉伸。

进一步地，本实用新型的双稳态致动器的拉伸臂上设有夹具，夹具上设有夹紧螺栓，夹紧螺栓与夹具通过螺纹连接，通过旋转夹紧螺栓可调节夹具的开闭，方便智能软材料薄膜的更换。

本实用新型的双稳态致动器的拉伸臂的调节范围可根据驱动器的实际情况设定，其范围取决于调节螺栓的长度。

进一步地，本实用新型的双稳态致动器的双稳态梁为双铰支梁，通过对梁中间部位施加拉力来实现双稳态梁位置状态的改变。双铰支梁的两端固定在支架上，由于两固定点的距离短于梁的原始长度，故梁在轴向上受到支架的压力，进入屈曲状态。智能软材料对刚性片施加的拉力转移到梁的中间位置，由于智能软材料材料种类的不同，其对梁的拉力也不同，因此对梁弯曲刚度应根据智能软材料材料的种类进行合理选择，即双铰支梁与智能软材料应合理匹配。

进一步地，本实用新型的双稳态致动器的致动机构包括双稳态梁和刚性片，所述的双稳态梁与刚性片连接，所述的驱动机构与刚性片粘合，所述的双稳态梁的两端与支架连接，所述的双稳态梁通过位置状态的切换来实现所述致动器在两个稳定状态之间相互切换，所述的双稳态梁仅在位置状态切换时需要提供能量，保持稳定位置状态时不需要能量，所述的双稳态梁的位置状态通过智能软材料薄膜的收缩和舒张来改变。

进一步地，所述的智能软材料薄膜分别位于刚性片两边，智能软材料薄膜的内端与刚性片粘合，外端固定在连接着拉伸臂的夹具上。

进一步地，本实用新型的双稳态致动器的刚性片在位置上与双稳态梁相互垂直，双稳态梁穿过刚性片，并使得刚性片与双稳态梁的接触线位于梁的正中间部位。刚性片的两端分别与两片智能软材料薄膜粘合，直接承受智能软材料薄膜因形变产生的拉力，并将拉力传递给双稳态梁，双稳态梁的位置状态通过两片智能软材料薄膜的收缩和舒张来改变。

   进一步地，本实用新型的双稳态致动器的两片智能软材料薄膜分别位于刚性片两边（以下实用新型内容说明中将智能软材料薄膜51标记为A，智能软材料薄膜52标记为B），两片智能软材料薄膜的内端与刚性片粘合，外端固定在连接着拉伸臂的夹具上，智能软材料薄膜有一定的预紧力，预紧力的大小可以通过拉伸臂调节。通过外加激励（不包含力场）可使智能软材料薄膜A发生本征应变，从而释放智能软材料薄膜A的预紧力，然而智能软材料薄膜B由于没有受到外加激励，仍旧处于预紧状态，于是智能软材料薄膜B的拉力会大于智能软材料薄膜A，它们对于双稳态梁的合力会使双稳态梁的屈曲方向发生改变。

进一步地，本实用新型的双稳态致动器的激励方式可以有多种形式，可选自光能、热能、电能、磁能中的任意一种或任意多种，根据激励方式的不同选取不同类型的智能软材料薄膜材料。

下面以高压发生器作为激励方式，致动机构为双稳态梁和刚性片，智能软材料为介电高弹体(DE)为例，阐述本实用新型所述的驱动机构利用智能软材料的本征应变产生驱动力的原理，示意图参见图4。

图4的(a)图表示没有预拉伸的智能软材料薄膜的侧面图；智能软材料薄膜分为两片，其长度分别为                                                ,；

图4的(b)图表示具有一定预拉伸的智能软材料薄膜A、B的侧面图，其长度分别为：λ_1p ，λ_1p ；

图4的(c)图为双稳态梁和智能软材料薄膜的耦合结构，在稳定状态下，智能软材料薄膜A产生的拉力比智能软材料薄膜B的小，这样两片智能软材料薄膜产生的合力向右（智能软材料薄膜B的方向），但是由于双稳态梁的稳态跳跃需要一定大小的力（阀值），而此时两片智能软材料薄膜作用在梁上的合力没有达到这个阀值（即使双稳态梁跳跃的临界值），所以整个双稳态驱动器仍然处于此稳定状态；

图4的(d)图表示双稳态驱动器的状态切换过程，当智能软材料薄膜A处于一定的外加激励下，就会产生本征应变，即会在平面内膨胀，也就是说，智能软材料薄膜A释放了应力，与此同时智能软材料薄膜B由于没有受到外加激励，仍然处于原来的应力状态，于是两片智能软材料薄膜作用在梁上的合力会变大，此合力和激励大小成正比，当激励达到一定值时，此合力超过了双稳态梁跳跃所需的阀值，于是整个双稳态驱动器从一个稳定状态切换到另一个稳定状态（如图虚线所示）。

因为本实用新型的双稳态驱动器在几何结构上是对称的，所以当双稳态驱动器切换到虚线所示的稳定状态后仍然可以同样的方法切换到原来的稳定状态，此时需要在智能软材料薄膜B加上相同的激励，而智能软材料薄膜A处于没有外加激励的状态。

在此过程中，只有在两个稳定状态之间切换的时候需要加上外加激励（例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场），当两个稳定状态之间切换结束可以撤去外加激励，整个双稳态驱动器会保持在切换以后的状态。这样就达到了节约能源的目的。

本实用新型的双稳态致动器的设计理论如下：

根据软材料力学相关理论，我们可以得到加载在初始厚度为H的智能软材料薄膜A，B上的电压分别为、，在驱动方向产生的应力分别为，，薄膜变形后驱动方向的长度分别为λ_1p 、λ_1p ，其等式关系为：

                         (1)

                          (2)

其中ε是薄膜的介电系数，J _lim是和预拉伸有关的常数，μ是剪切模量，

λ _1A ，λ _1B 分别为薄膜A，B驱动方向的长度变化系数，λ _2A ，λ _2B 分别表示薄膜A，B垂直于驱动方向的长度变化系数，在(2)式中有λ _1A =λ _1B =λ _1p ，λ _2A =λ _2B =λ _2p 。

对于双稳态梁而言，处于平衡状态的条件是：

                          (3)

根据双稳态梁的相关理论，我们得到双稳态梁中点载荷和位移的关系，其中，α和β表示两个无量纲的常数，d表示梁中点的位移。

                            (4)

这样我们可以得到电压和双稳态梁位移的关系如下：

            (5)

其中，

.

图5显示了双稳态致动器外加电压和梁中点位移的实验和理论对比曲线，横坐标代表梁中点位移，纵坐标正轴代表薄膜A上施加的电压，纵坐标负轴代表薄膜B上施加的电压，理论结果由公式(5)得到，图中的倒三角形表示实验中测得的数据，曲线表示理论计算结果。

 由图5可见，实验结果与理论计算结果有部分是吻合的，而在另一部分不吻合，其原因是双稳态梁在跳跃前处于平衡状态，因此可以根据前面所述的理论方法计算，从而该段曲线吻合。而双稳态梁在跳跃过程中为非平衡状态，因此不能根据前面所述的理论方法计算，从而导致该部分理论曲线与实验曲线不吻合。也就是说，理论曲线与实验数据连成的曲线的分离点为该双稳态梁跳跃的临界点，即为本实用新型双稳态致动器的状态切换点，因此说明了本实用新型的设计理论与实际是相吻合的。本实用新型设计的稳态致动器达到了预期的效果。

本实用新型的有益效果是：

1. 本实用新型针对智能软材料的缺点，创造性地提出一种全新结构的基于智能软材料的双稳态致动器，大大简化了双稳态致动器的结构，其仅在状态切换时需要提供能量，而在保持稳定状态时不需要能量，使得整个双稳态致动器的能耗大幅降低；

2. 由于本实用新型的双稳态致动器结构非常简单，故可以小型化；

3. 由于智能软材料薄膜的状态可以在不持续供电的情况下保持，故可以省电；

4. 智能软材料具有粘弹性，其响应速度和驱动力不足，而现有的双稳态结构需要庞大而复杂的的驱动器（如电机），本实用新型基于智能软材料的双稳态驱动器利用双稳态结构的跳跃性能可以提升智能软材料的响应速度和驱动力，又大大简化了驱动器结构，减小了其体积，使双稳态致动器可以实现小型化、省电以及快速响应。

附图说明

图1为本实用新型的双稳态致动器的三维图；

图中所示：1：支架；2：拉伸臂；3：双稳态梁；4：刚性片；51，52：智能软材料薄膜；6：夹具；

图2为本实用新型的双稳态致动器的主视图；

图3为本实用新型的双稳态致动器的俯视图；

图4为本实用新型驱动机构的原理图；

图5为本实用新型双稳态致动器外加电压和梁中点位移的实验和理论曲线吻合图。

具体实施方式

以下实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型提供了一种双稳态致动器，由支架1和预拉伸机构，致动机构以及驱动机构组成，其特征在于所述的预拉伸机构包括拉伸臂2，所述的致动机构包括双稳态梁3和刚性片4，所述的驱动机构为智能软材料薄膜51，52，所述的拉伸臂2能调节智能软材料薄膜预紧力，所述的双稳态梁3能在两个稳定状态间相互切换，所述的智能软材料薄膜51，52能产生驱动力。

其中，

所述的拉伸臂2上设有夹具6；

所述的夹具6上设有夹紧螺栓；

所述的夹具6将智能软材料薄膜51，52一端夹紧；

所述的智能软材料薄膜51，52与刚性片4粘合；

所述的双稳态梁3垂直穿过刚性片4；

所述的双稳态梁3的两端与支架1连接。

    本实用新型的双稳态致动器的拉伸臂2分布于支架两边，在拉伸臂2内设有调节螺栓，可以通过旋转调节螺栓来改变拉伸臂2的位置，从而改变智能软材料薄膜51，52的预拉伸。

进一步地，本实用新型的双稳态致动器的双稳态梁3为双铰支梁，梁的两端固定在支架1上，由于两固定点的距离短于梁的原始长度，故梁在轴向上受到支架1的压力，进入屈曲状态，智能软材料薄膜51，52对刚性片4施加的拉力转移到梁的中间位置。

    本实用新型的双稳态致动器的刚性片4在位置上与双稳态梁3相互垂直，双稳态梁3穿过刚性片4，并使得刚性片4与双稳态梁3的接触线位于梁的正中间部位。刚性片4的两端分别与智能软材料薄膜51，52粘合，直接承受智能软材料薄膜因形变产生的拉力，并将拉力传递给双稳态梁3。

    本实用新型的双稳态致动器的两片智能软材料薄膜51，52分别位于刚性片4两边，与刚性片4粘合，智能软材料薄膜的另一边利用夹具6固定在拉伸臂2上，智能软材料薄膜有一定的预紧力，预紧力的大小可以通过拉伸臂2调节。通过加电(或光、磁、热)可其中一片智能软材料薄膜发生本征应变，从而拉动刚性片4移动，进而使得双稳态梁3的屈曲方向发生改变。

    本实用新型的双稳态致动器的激励方式可采用多种形式，如热、光、电、磁等，根据激励方式的不同选取不同类型的智能软材料薄膜。

    下面结合附图对本实用新型提供的双稳态致动器进一步说明。

    本实用新型中使双稳态梁3改变状态的驱动力由智能软材料薄膜51，52产生，在使用前首先要安装智能软材料薄膜。如图1-3所示，智能软材料薄膜51，52的外端通过夹具6被夹紧，内端与刚性片4粘合，根据激励方式的不同，选取不同的智能软材料薄膜材料，以下部分以介电高弹体为例。

    两片智能软材料薄膜51，52的正反面分别通过电极与外加电源连接。

    在使用该装置时还要对智能软材料薄膜51，52进行预拉伸调节，调节方法为旋转两边拉伸臂2内的调节螺栓。由于双稳态梁3处于屈曲状态，而不同材料的梁其弯曲刚度不同，使其改变屈曲方向所需拉力的大小也不同，而智能软材料薄膜预紧力的可调使智能软材料薄膜在通电时产生的拉力也可调，保证在通电时智能软材料薄膜因形变产生的拉力足以改变双稳态梁3的屈曲方向。

    当双稳态梁3的弯曲刚度过大，通过调节预紧力也无法改变其屈曲方向时，则要更换弯曲刚度较小的梁，以保证致动器能够正常工作。

本实用新型双稳态致动器的激励方式的选取可以多样化，根据选取激励方式的不同，需要选择相应的智能软材料薄膜51，52，附图中选择的激励方式为高压发生器，因此选择DE薄膜作为智能软材料薄膜51，52。

当本实用新型的双稳态致动器处于稳定状态时，双稳态梁3处于稳定状态，也就是其处于某一屈曲状态，由于此时没有施加外加激励，智能软材料薄膜51，52上的拉力没有变化；当施加外加激励时，智能软材料薄膜51,52由于发生本征应变，导致薄膜上的拉力发生变化，使双稳态梁3处于非稳定状态，也就是其处于从某一屈曲状态向另一屈曲状态的跳跃过程，双稳态致动器发生状态切换，当双稳态梁的跳跃过程结束时，双稳态致动器就完成了状态切换。

具体地，双稳态梁3在开始时处于某一屈曲状态，两片智能软材料薄膜对刚性片4的拉力相平衡，当给梁屈曲方向的智能软材料薄膜52施加电压时，智能软材料薄膜52舒张，产生的拉力迅速减小，而此时另一侧的智能软材料薄51膜仍处于预紧状态，从而使另一侧的智能软材料薄膜51迅速将刚性片4拉向另一侧，进而推动双稳态梁3向另一侧屈曲，此时关掉电源，双稳态梁3即保持在切换后的状态，不需要持续供电来维持该状态。当需要双稳态梁3切换回原来的状态时，只需在另一侧智能软材料薄膜51上施加电压，同时将原来一侧智能软材料薄膜52上的电荷释放掉，便可以使双稳态梁切回至原来的状态。    

本实用新型由于不需要持续供电来维持双稳态梁的屈曲状态，因此较为节约能源；同时由于多数智能软材料具有粘弹性，应用双稳态结构的跳跃性能可以提高智能软材料的响应速度和驱动力；与现有双稳态致动器相比，该实用新型结构非常简单，占用空间小，可以适用于更多场合。 

Claims (10)

1.一种双稳态致动器，其特征在于：所述的双稳态致动器包括支架(1)、预拉伸机构、致动机构和驱动机构，其中： 

所述的预拉伸机构用于调节驱动机构的预拉伸； 

所述的驱动机构利用智能软材料的本征应变产生驱动力； 

所述的致动机构用于使所述致动器在两个稳定状态之间相互切换。 

2.根据权利要求1所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的驱动机构为智能软材料薄膜(51,52)，所述的致动机构通过智能软材料薄膜(51,52)的收缩和舒张来驱动。 

3.根据权利要求2所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的智能软材料薄膜(51,52)的材料选自光致伸缩高弹体、介电高弹体、磁致伸缩高弹体。 

4.根据权利要求1所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的驱动机构为弹簧结构。 

5.根据权利要求1-4任一项所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的预拉伸机构为拉伸臂(2)，所述的拉伸臂(2)分布于支架(1)两边。 

6.根据权利要求5所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的拉伸臂(2)上设有夹具(6)，所述的夹具(6)上设有夹紧螺栓。 

7.根据权利要求1-4任一项所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的致动机构包括双稳态梁(3)和刚性片(4)，所述的双稳态梁(3)与刚性片(4)连接，所述的驱动机构与刚性片(4)粘合，所述的双稳态梁(3)的两端与支架(1)连接，所述的双稳态梁(3)通过位置状态的切换来实现所述致动器在两个稳定状态之间相互切换。 

8.根据权利要求1-4任一项所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的智能软材料薄膜(51,52)分别位于刚性片(4)两边，智能软材料薄膜(51,52)的内端与刚性片(4)粘合，外端固定在连接着拉伸臂(2)的夹具(6)上。 

9.根据权利要求1-4任一项所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的双稳态梁(3)为双铰支梁，通过对梁中间部位施加拉力来实现双稳态梁位置状态的改变。 

10.根据权利要求1-4任一项所述的双稳态致动器，其特征在于：所述的双稳态致动器的激励方式选自光能、电能、磁能中的任意一种或任意多种。