一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构制造技术

技术编号:19597505 阅读:26 留言:0更新日期:2018-11-28 06:20
本发明专利技术涉及一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,包括:结构支架;EAP柔性薄膜,所述EAP柔性薄膜安装在所述结构支架上并通过自身刚度的变化进行驱动;负刚度预载荷,所述负刚度预载荷安装在所述结构支架上,用于根据所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出。本发明专利技术通过将EAP柔性薄膜和负刚度预载荷结合起来,与现有的机械式、电磁式作动器相比具有结构简单、响应快、无噪音、不生热、电力转化效率高等优点,可以应用到各种柔性驱动结构上,在电刺激下可以快速产生输出位移并做功。

【技术实现步骤摘要】
一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构
本专利技术涉及一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,具体涉及一种利用负刚度弹性元件(预载荷)受力变形特性,达到显著提高EAP驱动单元的输出位移以及输出功。
技术介绍
EAP软材料(Electro-activePolymers)作为一种典型的人工肌肉材料,是近年来新兴的一种智能聚合物材料,既可以用作驱动器将电能转换为机械能,亦可将机械能转换为电能实现发电或传感。应用此材料研制的EAP发电机或作动器与传统的电磁式、压电式发电机或作动器相比,具有能量密度高、电致变形大、柔性可穿戴、驱动-传感一体化、转化效率高、环境影响小、成本低、质量轻等优点,近年来受到越来越多的关注,基于该材料的航天武器装备研究快速发展,包括空间柔性抓捕手、变翼式飞行器、波浪能发电系统等。通常情况下,介电弹性体驱动器的预载荷弹性元件采用正刚度弹性元件,它是指弹性元件所受载荷增量与相应的变形增量符号相同,如图5所示,驱动器采用压缩弹簧提供预载荷。随着驱动器位移的增大,其压缩量变小,预载荷也变小,导致驱动器输出位移很小。如图6所示,正刚度预载荷结构可以通过调节弹性元件模量进而提高输出位移和输出功,但调节范围有限。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下:一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,包括:结构支架;EAP柔性薄膜,所述EAP柔性薄膜安装在所述结构支架上并通过自身刚度的变化进行驱动;负刚度预载荷,所述负刚度预载荷安装在所述结构支架上,用于根据所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出。本专利技术的有益效果是:本专利技术通过将EAP柔性薄膜和负刚度预载荷结合起来,与现有的机械式、电磁式作动器相比具有结构简单、响应快、无噪音、不生热、电力转化效率高等优点,可以应用到各种柔性驱动结构上,在电刺激下可以快速产生较大的输出位移及输出功。在上述技术方案的基础上,本专利技术还可以做如下改进。进一步,所述负刚度预载荷采用卷簧式负刚度预载荷结构,所述卷簧式负刚度预载荷结构通过第一方向的弹性形变,实现第二方向的动力输出。采用上述进一步方案的有益效果是:采用卷簧式负刚度预载荷结构,并通过第一方向的弹性形变,实现第二方向的动力输出,方便调控弹性形变和动力输出的方向,也有利于更精确的计算预载荷输出位移与EAP柔性薄膜刚度变化的关系,可以对负刚度预载荷动力输出的大小进行有效控制。进一步,所述负刚度预载荷包括四连杆结构和卷簧,所述卷簧的两端分别连接在所述四连杆结构上并通过自身弹性形变配合所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出,且所述负刚度预载荷输出动力的方向位于所述四连杆结构所在平面上。采用上述进一步方案的有益效果是:采用四连杆结构配合卷簧,使整个支撑驱动结构更加稳定可靠。进一步,所述四连杆结构的第一铰接端连接在所述结构支架上,与所述第一铰接端相对布置的第二铰接端抵接在所述EAP柔性薄膜上;所述卷簧的两端分别连接在相对设置的第三铰接端和第四铰接端上,或所述卷簧的两端分别连接在相对设置的第一铰接端和第二铰接端上,或所述卷簧的两端分别连接在所述四连杆结构中的任意两根连杆上。采用上述进一步方案的有益效果是:将两个相对的铰接端分别连接在EAP柔性薄膜上和结构支架上,可以实现这两个铰接端之间的往复运动,而且可选多种卷簧的设置方式来为往复运动提供蓄力。进一步,所述第二铰接端连接有一驱动板并通过该驱动板抵接在所述EAP柔性薄膜的一侧面上。采用上述进一步方案的有益效果是:在第二铰接端连接一驱动板,可以增大与EAP柔性薄膜的接触面积,使第二铰接端施加在EAP柔性薄膜上的作用力较为均匀稳定,避免对EAP薄膜造成锐性损伤。进一步,所述四连杆结构各个连杆的长度均相等。采用上述进一步方案的有益效果是:将四连杆结构的各个连杆长度设置为相等,即采用菱形铰接件,使往复运动的方向在菱形铰接件的一个对角线上,结构更加稳定可靠。进一步,所述结构支架包括一用于安装所述EAP柔性薄膜的框体和一用于连接所述负刚度预载荷的支架,所述负刚度预载荷输出动力的一端抵接在所述EAP柔性薄膜上并根据所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行往复运动。采用上述进一步方案的有益效果是:将负刚度预载荷和EAP柔性薄膜通过支架和框体连接起来,整体结构更加紧凑,稳固,而且对负刚度预载荷的动力输出起到了有效的支撑。进一步,所述支架位于所述框体的一侧且其四周边缘通过若干支撑杆连接在所述框体上并与所述框体形成一锥形结构。采用上述进一步方案的有益效果是:将支架和框体相对布置并通过若干支撑杆进行连接,使支架和框体之间预留出一定的空间,当负刚度预载荷在运动的时候,可以防止对负刚度预载荷造成阻碍;而且将支架和框体连接形成一个锥形结构,有利于负刚度预载荷的连接和动力输出,节约了整个驱动结构的安装空间。进一步,所述框体为两个且采用有机玻璃材质制成,所述EAP柔性薄膜的四周边缘夹在两个所述框体之间;所述EAP柔性薄膜的两个侧面分别涂覆有碳膏并分别引出有导线。采用上述进一步方案的有益效果是:采用有机玻璃材质制成两个框体,并将EAP柔性薄膜四周边缘夹在两个框体之间,为EAP柔性薄膜起到了有效稳定的支撑,避免对EAP柔性薄膜造成大力的撕扯;在EAP柔性薄膜的两个侧面涂覆碳膏,有利于电压信号的输入。进一步,所述EAP驱动结构通过在所述EAP柔性薄膜的顶面和底面上施加交变电压信号实现其刚度的变化。采用上述进一步方案的有益效果是:采用交变电压信号,可以实现EAP柔性薄膜的反复伸缩变化,进而负刚度预载荷的往复动力输出。附图说明图1为本专利技术的基于负刚度预载荷EAP驱动结构的立体结构示意图;图2为本专利技术的基于负刚度预载荷EAP驱动结构的立体爆炸结构示意图;图3为本专利技术的EAP柔性薄膜变形机理坐标图;图4为本专利技术的EAP柔性薄膜变形原理图;图5为EAP柔性薄膜采用正刚度弹性元件时的变形原理图;图6为EAP柔性薄膜采用正刚度弹性元件时的变形机理坐标图。附图中,各标号所代表的部件列表如下:1、结构支架;11、EAP柔性薄膜;12、框体;13、支架;14、支撑杆;2、负刚度预载荷;21、四连杆结构;211、上菱形杆;212、下菱形杆;22、卷簧;23、驱动板;24、顶板连接件;25、驱动板连接件;26、卷簧固定件。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述,所举实施例只用于解释本专利技术,并非用于限定本专利技术的范围。如图1和图2所示,本实施例的一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,包括:结构支架;EAP柔性薄膜11,所述EAP柔性薄膜11安装在所述结构支架上并通过自身刚度的变化进行驱动;负刚度预载荷2,所述负刚度预载荷2安装在所述结构支架上,用于根据所述EAP柔性薄膜11刚度的变化进行动力输出。本实施例的EAP柔性薄膜11型号为VHB4910,初始状态为:经过双周拉伸系统将薄膜沿X、Y双方向各拉伸300-500%,采用单层、双层均可。为了能够充分利用介电弹性体大变形的特点,驱动器的理想预载荷曲线应该处于驱动器的两条不同刚度曲线的之间,尽可能增大驱动器的两个工作平衡点,因此通过一个负刚度预载荷机构来实现。负刚度预载荷是指广义弹性元件所受载荷增量与弹性元件变形增量符本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,其特征在于,包括:结构支架;EAP柔性薄膜,所述EAP柔性薄膜安装在所述结构支架上并通过自身刚度的变化进行驱动;负刚度预载荷,所述负刚度预载荷安装在所述结构支架上,用于根据所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,其特征在于,包括:结构支架;EAP柔性薄膜,所述EAP柔性薄膜安装在所述结构支架上并通过自身刚度的变化进行驱动;负刚度预载荷,所述负刚度预载荷安装在所述结构支架上,用于根据所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出。2.根据权利要求1所述一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,其特征在于,所述负刚度预载荷采用卷簧式负刚度预载荷结构,所述卷簧式负刚度预载荷结构通过第一方向的弹性形变,实现第二方向的动力输出。3.根据权利要求2所述一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,其特征在于,所述负刚度预载荷包括四连杆结构和卷簧,所述卷簧的两端分别连接在所述四连杆结构上并通过自身弹性形变配合所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出,且所述负刚度预载荷输出动力的方向位于所述四连杆结构所在平面上。4.根据权利要求3所述一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构,其特征在于,所述四连杆结构的第一铰接端连接在所述结构支架上,与所述第一铰接端相对布置的第二铰接端抵接在所述EAP柔性薄膜上;所述卷簧的两端分别连接在相对设置的第三铰接端和第四铰接端上,或所述卷簧的两端分别连接在相对设置的第一铰接端和第二铰接端上,或所述卷簧的两端分别连接在所述四连杆结构中的任意两根连...

【专利技术属性】
技术研发人员:王鹏飞李秉洋牛少华葛杰友占干
申请(专利权)人:中国空间技术研究院北京理工大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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