一种仿生柔性摆动致动器制造技术

本发明专利技术公开了一种仿生柔性摆动致动器，属于仿生机器人技术领域。包括：框架，内部中空；介电弹性体，预拉伸后紧压于框架两侧，处于框架中空部分的介电弹性体为活动区域，介电弹性体由多层单层介电弹性体叠加而成；柔性电极，涂覆于活动区域的每层介电弹性的左、右表面；肋板，位于框架两侧的底端，与框架的形状相配合；保护层，为柔性绝缘防水薄膜，将整个机构包覆起来；导线，与每层介电弹性体的活动区域连接。本发明专利技术具有柔性好、摆动幅度大、响应时间快、结构简单、可反复使用、成本低、无噪声、无磁性、便于安装等优点。

A kind of bionic flexible oscillators

The invention discloses a bionic flexible swing actuator, belonging to the technical field of bionic robot. Including: frame, hollow inside; dielectric elastomer, pretension pressed on both sides of the frame, dielectric elastic body in the hollow part of the frame as active area, dielectric elastomer superimposed by multilayer monolayer dielectric elastomer; flexible electrode, coated on the left and right surface of every layer of dielectric elastic in active region; rib plate, position The bottom end on both sides of the frame is matched with the shape of the frame; the protective layer is a flexible insulating waterproof film that covers the entire mechanism; the wire is connected to the active area of the dielectric elastomer of each layer. The invention has the advantages of good flexibility, large swing amplitude, quick response time, simple structure, repeated use, low cost, no noise, no magnetism, easy to install and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种仿生柔性摆动致动器
本专利技术涉及仿生机器人
，具体涉及一种仿生柔性摆动致动器。
技术介绍
生物的摆动致动具有许多传统摆动致动器难以比拟的优点。模拟生物摆动功能，获得类生物致动的优异性能和简洁紧凑的结构，具有十分明显的研究意义和实际应用价值。近年来，不少国内外研究机构利用压电陶瓷、磁致伸缩、形状记忆合金、气动人工肌肉等智能驱动材料对摆动致动展开了研究。此类摆动致动器与传统摆动致动器相比，具有结构简单、体积小、质量轻等优点，能够在机器鱼驱动及一些复杂的环境中发挥作用。但是，压电陶瓷由于变形量小，只能用于小位移场合；同时，它在应用时往往需要放大机构进行位移放大，使得结构复杂。磁致伸缩驱动器存在着迟滞现象，磁场的性能对磁致伸缩材料的性能影响比较大，并且存在着磁滞损耗和涡流损耗，能量利用率比较低。形状记忆合金由于温度变化引起材料相变，导致晶格间距离变大表现出宏观位移实现驱动，外界温度对其影响很大，驱动空间有限时，速度较难改变，限制了动作频率，其效率比较低。气动人工肌肉具有输出力大、响应快等优点，但采用气动人工肌肉驱动需要较多附件如气源及其控制系统等，系统结构尺寸和质量大。介电弹性体是一种电场激活性聚合物材料，由于其性能类似自然肌肉，俗称人工肌肉。介电弹性体较其它新型功能材料和传统的致动技术有很多优点：结构简单、无需传动机构、可以直接对外做功；体积小、质量轻；无磁、无热、无噪声；功率质量比大(3.4J/g)；电-机械能量转换效率高(60％-90％)；响应速度快(10-3s)；变形大(最大380％)，可产生较大位移；具有柔性，便于结构安排，易于实现致动一体化。正是由于介电弹性体的上述优点，使得基于介电弹性体的仿生摆动致动器成为仿生机器人
的热点。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种仿生柔性摆动致动器，具有柔性好、摆动幅度大、响应时间快、结构简单、可反复使用、成本低、无噪声、无磁性、便于安装等优点。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，一种仿生柔性摆动致动器，其特征在于，包括：框架，为一矩形或三角形结构，内部镂空，框架为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，polyethyleneterephthalate)材料，框架镂空部位的下端区域的宽度是未镂空区域宽度的1.5倍～2倍，框架的厚度为0.25mm。如此采用，是由于介电弹性体是利用本身的粘性和框架粘贴在一起，因此应选择粘附性好的材料作为框架。此外，由于介电弹性体是在较高的电压(一般3000V～5000V)下工作，因此框架材料应具有良好的绝缘性。由摆动致动器的工作原理知，框架材料应具有良好的弯曲性和回弹性。基于上述几项原因考虑，通过大量的材料比较和试验，最终选择PET材料作为框架。框架镂空部位的下端区域的宽度是未镂空区域宽度的1.5倍～2倍，如此设置，使摆动致动器不变形部位的刚度比变形部位的刚度大，使得摆动致动器便于向特定的方向摆动，以此获得具有实际应用和摆动效果好的致动器。框架的厚度为0.25mm，是因为试验研究表明，框架的厚度变厚后，摆动角度减小，框架的厚度减小后，摆动驱动器的输出力变小。框架的厚度为0.25mm时的摆动致动器为最优。介电弹性体，预拉伸后紧压于框架两侧，处于框架中间部分的介电弹性体为活动区域，其余与框架接触的部分介电弹性体为固定区域，介电弹性体由多层单层介电弹性体叠加而成。如此采用，是因为介电弹性体的驱动电压与厚度有关，介电弹性体可根据需要选择不同层数的单层介电弹性体，且每层介电弹性体的上下表面均涂覆柔性电极，使得致动器产生的致动力区间范围更大，而致动电压和单层致动时的电压一样，并没有增加。柔性电极，涂覆于每层介电弹性体的活动区域的左右表面，固定区域部分的介电弹性体不涂覆柔性电极。肋板，位于框架两侧的底端，与框架的形状相配合；肋板的厚度为0.25mm。如此采用，是通过肋板来增加框架的局部刚度，加上肋板后致动器不会产生扭曲变形，以此获得具有实际应用和摆动效果好的致动器。保护层，为柔性绝缘防水薄膜，将整个机构包覆起来，防止致动器进水。导线，一端与每层介电弹性体的活动区域连接，另一端连接控制器。进一步的，所述预拉伸介电弹性体由2～4层单层介电弹性体叠加而成，所述介电弹性体的预拉伸量为4×4倍。如此设置是因为预拉伸率是致动器设计的一项重要参数，预拉伸能够增加介电弹性体的应变能力、响应能力、介电强度等。但是过分的预拉伸也可能会制约介电弹性体的应变能力与响应能力。通过对预拉伸率分别为300％×300％、400％×400％和500％×500％的三组VHB4910介电弹性体进行等轴预拉伸后的圆形驱动器进行研究，发现：预拉伸率为400％×400％的驱动器较另外两种不同预拉伸的驱动器，通电后具有应变较大、响应速度较快、抗电场击穿破坏的能力较大等优点。进一步的，所述柔性电极为超细碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物，其中硅油、硅胶的体积比为1：1，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2.4倍，超细碳黑粉、硅油、硅胶混合在一起搅拌均匀后，再把得到的混合液放到超声清洗机中振荡12小时。再缓慢加入正庚烷进行搅拌，正庚烷的加入量至混合液达到粘稠状为止，再把混合液放到超声清洗机中振荡0.2小时，柔性电极放在阴暗，干燥的地方，密封保存。采用自备的柔性电极能够随着介电弹性体的变形而变形，变形抗力小。进一步的，制作出所述的仿生柔性摆动致动器，主要包括以下几个步骤：(a)裁剪出预先设计好的矩形和三角形框架，并用细金相砂纸打磨毛刺，这是因为，介电弹性体是一种柔性材料，和框架粘接时，当框架上有毛刺时，材料通电后容易被击穿，而且用细金相砂纸打磨毛刺，可以消除应力集中的影响；(b)将介电弹性体按照400％×400％的预拉伸率在拉伸机构上进行等轴预拉伸，拉伸后的介电弹性体面积扩大16倍，取每次预拉伸后的介电弹性体中间部分备用，这是因为中间部位的拉伸比较均匀；(c)参照步骤(a)裁剪好的框架镂空部位的形状大小，在步骤(b)备用的每个预拉伸的介电弹性体与框架镂空部位的形状大小相当的部位两侧表面上用细软毛刷涂覆柔性电极，其余部分不涂覆柔性电极，这是因为不涂覆柔性电极的介电弹性体部分是绝缘的，通电不会产生变形，且不涂覆柔性电极的介电弹性体部分本身具有粘性，能很好的粘附在框架上，涂覆柔性电极的介电弹性体部分通电产生变形，用细软毛刷涂覆是防止毛刷损伤介电弹性体，导致介电弹性体通电被击穿；(d)将步骤(c)制作后的涂覆有柔性电极的预拉伸介电弹性体，利用介电弹性体本身的粘性分别粘附在框架的两侧，框架两侧粘附的介电弹性体的数量相同，如此，使得框架两侧受到的预拉伸力相同；(e)将制作好的致动器放置1小时消除粘弹性的影响后，框架两侧均受到预拉伸介电弹性体的回复力影响，整个致动器处于中间的平衡状态。本专利技术的有益技术效果体现在：平时，框架两侧承受的介电弹性体的预拉伸力相同，致动器处于平衡状态。当控制器通过导线给框架一侧的介电弹性体施加电压后，由于静电力作用，通电区域介电弹性体将沿电压施加的方向产生收缩，而在垂直于电压施加的方向扩展延伸，产生较大的垂直于电场方向的应变；与此同时，在通电区域介电弹性体的框架另一侧的介电弹性体受到预拉伸后的恢复力作用，会产生收缩，整个致动器受本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生柔性摆动致动器，其特征在于，包括：框架，为一矩形或三角形结构，内部镂空，框架为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，框架镂空部位的下端区域的宽度是未镂空区域宽度的1.5倍～2倍，框架的厚度为0.25mm；介电弹性体，预拉伸后紧压于框架两侧，处于框架中间部分的介电弹性体为活动区域，其余与框架接触部分的介电弹性体为固定区域，介电弹性体由多层单层介电弹性体叠加而成；柔性电极，涂覆于每层介电弹性体的活动区域的左右表面，固定区域部分的介电弹性体不涂覆柔性电极；肋板，位于框架两侧的底端，与框架的形状相配合，肋板为PET材料，肋板的厚度为0.25mm。保护层，为柔性绝缘防水薄膜，将整个机构包覆起来；导线，一端与每层介电弹性体的活动区域连接，另一端连接控制器。

【技术特征摘要】
1.一种仿生柔性摆动致动器，其特征在于，包括：框架，为一矩形或三角形结构，内部镂空，框架为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，框架镂空部位的下端区域的宽度是未镂空区域宽度的1.5倍～2倍，框架的厚度为0.25mm；介电弹性体，预拉伸后紧压于框架两侧，处于框架中间部分的介电弹性体为活动区域，其余与框架接触部分的介电弹性体为固定区域，介电弹性体由多层单层介电弹性体叠加而成；柔性电极，涂覆于每层介电弹性体的活动区域的左右表面，固定区域部分的介电弹性体不涂覆柔性电极；肋板，位于框架两侧的底端，与框架的形状相配合，肋板为PET材料，肋板的厚度为0.25mm。保护层，为柔性绝缘防水薄膜，将整个机构包覆起来；导线，一端与每层介电弹性体的活动区域连接，另一端连接控制器。2.根据权利要求1所述的仿生柔性摆动致动器，其特征在于，所述预拉伸介电弹性体由2～4层单层介电弹性体叠加而成，所述介电弹性体的预拉伸量为4×4倍。3.根据权利要求1或2所述的仿生柔性摆动致动器，其特征在于，所述柔性电极为超细碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物，其中硅油、硅胶的体积比为1：1，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2....

【专利技术属性】
技术研发人员：姜登云，
申请(专利权)人：孝感锐创机械科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42