CN212423466U - 一种由电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种由电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，包括制动器、支撑框架、连杆机构，制动器安装于支撑框架上，连杆机构与制动器连接；制动器包括介电弹性体、软磁铁及电磁铁，所述软磁铁设置在介电弹性体下表面，所述介电弹性体包括基底膜和设置在基底膜两侧的电极，所述电极通过导线连接高压脉冲电源；支撑框架包括上盖板、下盖板、底板和螺柱，所述介电弹性体位于上、下盖板之间，上、下盖板通过螺与底板固定连接，所述电磁铁位于底板上且与软磁铁的位置相应；微扑翼机构由介电弹性体驱动，电磁铁通电后对介电弹性体下表面的软磁体产生电磁力作为预应力，具有控制简单、响应迅速、非接触等优点，可以提升制动位移。

Description

一种由电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构

技术领域

本实用新型涉机器人技术领域，具体涉及一种由电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构。

背景技术

微型扑翼机构以其优良的机动性、低噪音、低成本、携带方便、操作简单、可执行多种任务功能，无论在军用还是民用领域都有十分重要、极其广泛的用途。

生物在经历长期的进化过程之后，自然界中的各种鸟类和昆虫普遍采用扑翼这种优良的方式飞行。其中蝴蝶是一种具有轻质、灵巧的身体结构，它可在3D空间自由运动、灵活避开障碍。

电活性聚合物（electroactive polymer,EAP）是一类新型柔性智能材料。由于具有应变大、柔性好、质量轻等独特性质，EAP在航空航天、仿生机械、生物医学等多个领域有广阔应用前景。与传统金属、非金属材料相比，EAP材料具有应变快，密度能量大等特点，而且EAP材料与自然肌肉具有高度的相似性，所以EAP也美誉为“人工肌肉”。EAP依据驱动原理的不同主要分为电子型和离子型两大类。其中电子型的代表物为介电弹性体（dielectricelastomer,DE），是一种十分优异的制动材料。

目前，在微扑翼飞行器的研究当中，大多采用微电机驱动。微电机驱动的扑翼机构通常采用曲柄摇杆和减速齿轮组作为传动机构，把微电机的高速旋转运动转化为低速的拍打运动。

哈佛大学Yufeng Chen团队使用结构紧凑的多层DEA卷成圆柱状制动器并与铰链机构整合为155毫克重量的扑翼模块，组合成不同的配置类型，并利用这些模块在外接电源的条件下实现了微扑翼机构既能够被动稳定上升飞行，又能控制悬停飞行。但需要控制圆柱状制动器的离轴运动以提高制动位移与输出力。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种由电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，通过设置电磁铁和软磁铁实现以电磁力为预应力的电子型人工肌肉（介电弹性体）驱动并通过连杆机构实现扑翼动作，装置简单，可控性强，操作方便。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，包括制动器、支撑框架、连杆机构，制动器安装于支撑框架上，连杆机构与制动器连接；

进一步，所述制动器包括介电弹性体、软磁铁及电磁铁，所述软磁铁设置在介电弹性体下表面，所述介电弹性体包括基底膜和设置在基底膜两侧的电极，所述电极通过导线连接高压脉冲电源；

进一步，所述支撑框架包括上盖板、下盖板、底板和螺柱，所述介电弹性体位于上、下盖板之间，上、下盖板通过螺柱与底板固定连接，所述电磁铁位于底板上且与软磁铁的位置相应；

进一步，所述连杆机构包括第一杆件、第二杆件和第三杆件，第三杆件与制动器连接，第一杆件与第二杆件铰接，第二杆件与第三杆件铰接，所述上盖板上设有支撑件，第一杆件与支撑件铰接形成旋转副。

进一步，所述上盖板、下盖板中心处设有通孔，第三杆件穿过通孔与介电弹性体连接。

进一步，所述介电弹性体上表面设有连接件，第三杆件通过连接件与介电弹性体连接。

进一步，所述软磁铁设置在介电弹性体下表面的中心处，相应的，电磁铁设置在底板的中心处。

本实用新型的有益效果：与现有技术相比，微扑翼机构由介电弹性体驱动，具有能量密度高、低噪音、效率高等特点。位于底板上的电磁铁通电后对介电弹性体下表面的软磁体产生电磁力作为预应力，具有控制简单、响应迅速、非接触等优点，可以提升制动位移。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型支撑框架、制动器和第三杆件的结构示意图；

图3为本实用新型连杆机构的安装状态示意图；

图4为介电弹性体、连接件和软磁铁的连接状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图4所示本实用新型的电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，包括制动器、支撑框架、连杆机构，制动器安装于支撑框架上，连杆机构与制动器连接；所述制动器包括介电弹性体6、软磁铁7及电磁铁9，所述软磁铁7设置在介电弹性体6下表面，所述介电弹性体6包括基底膜6-2和设置在基底膜两侧的电极6-1，所述电极6-1通过导线连接高压脉冲电源；

所述支撑框架包括上盖板4、下盖板5、底板8和螺柱10，所述介电弹性体6位于上、下盖板之间，上、下盖板通过螺柱10与底板8固定连接，所述电磁铁9位于底板8上且与软磁铁7的位置相应；进一步，所述软磁铁设置在介电弹性体下表面的中心处，相应的，电磁铁设置在底板的中心处。

本实用新型的连杆机构包括第一杆件1、第二杆件2和第三杆件3，第三杆件3与制动器连接，优选的，所述介电弹性体6上表面设有连接件11，第三杆件3通过连接件11与介电弹性体6连接。第一杆件1与第二杆件2铰接，第二杆件2与第三杆件3铰接，所述上盖板、下盖板中心处设有通孔，第三杆件3穿过通孔与介电弹性体6连接。

所述上盖板4上设有支撑件12，第一杆件1与支撑件12铰接形成旋转副使得第一杆件1能够以与支撑件12的铰接点为支撑点上下移动。

本实用新型的连杆机构由轻质碳纤维材料制备而成，支撑框架采用3D打印技术制备而成，打印材料为聚乳酸，具有成本低，加工成型好的优点。

本实用新型的介电弹性体基底材料由186硅橡胶掺杂改性氧化石墨烯制备而成（参见专利申请号201910819817.4），经过等轴拉伸器件以150%的形变进行拉伸。介电弹性体薄膜两侧的中心位置分别键合连接件和软磁铁，介电弹性体置于上、下盖板之间，将介电弹性体的电极通过导线连接高压脉冲电源。

本实用新型电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构运动原理如下：

介电弹性体在高压电场激励条件下时并在电磁铁的磁场对软磁铁的作用下，介电弹性体向下移动至制动状态位置（如图2所示）；当撤去高压电场后，介电弹性体在回复力的作用下回到初始位置，完成一个周期的运动。电磁铁提供预应力的周期与高压脉冲信号的周期一致，对介电弹性体施加高压脉冲电场，位于介电弹性体上表面的连接件与其相连接的第三杆件在初始位置与制动状态位置之间做往复直线运动，第三杆件通过第二杆件传递运动带动第一杆件绕第一杆件与上盖板之间的旋转副实现微扑翼机构的扑翼运动。

基于介电弹性体的制动器采用电磁铁施加预载荷，将介电弹性体的面内形变转化为面外形变，以电磁铁施加预载荷的形式能够使得锥形制动器产生更大的位移。

本实用新型未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，其特征在于：包括制动器、支撑框架、连杆机构，制动器安装于支撑框架上，连杆机构与制动器连接；

所述制动器包括介电弹性体（6）、软磁铁（7）及电磁铁（9），所述软磁铁（7）设置在介电弹性体（6）下表面，所述介电弹性体（6）包括基底膜（6-2）和设置在基底膜两侧的电极（6-1），所述电极（6-1）通过导线连接高压脉冲电源；

所述支撑框架包括上盖板（4）、下盖板（5）、底板（8）和螺柱（10），所述介电弹性体（6）位于上、下盖板之间，上、下盖板通过螺柱（10）与底板（8）固定连接，所述电磁铁（9）位于底板（8）上且与软磁铁（7）的位置相应；

所述连杆机构包括第一杆件（1）、第二杆件（2）和第三杆件（3），第三杆件（3）与制动器连接，第一杆件（1）与第二杆件（2）铰接，第二杆件（2）与第三杆件（3）铰接，所述上盖板（4）上设有支撑件，第一杆件（1）与支撑件（12）铰接。

2.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，其特征在于：所述上盖板（4）、下盖板（5）中心处设有通孔，第三杆件（3）穿过通孔与介电弹性体（6）连接。

3.根据权利要求2所述的电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，其特征在于：所述介电弹性体（6）上表面设有连接件（11），第三杆件（3）通过连接件（11）与介电弹性体（6）连接。

4.根据权利要求1所述的电子型人工肌肉驱动的微扑翼机构，其特征在于：所述软磁铁（7）设置在介电弹性体（6）下表面的中心处。

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