基于逆挠曲电的柔性材料往复式多层结构作动器及方法技术

基于逆挠曲电的柔性材料往复式多层结构作动器及方法，该作动器包括控制器，与控制器电连接的高压电源，由多层柔性薄膜状材料往复重叠组成的挠曲电型半半圆环状作动结构，作动结构中靠近单层材料膜上下表面位置的材料内部分别埋设具有可大范围弯曲和伸展的电极，电极与高压电源电连接，作动器通电后由于逆挠曲电作用，会产生沿作动结构圆环径向向内的弯曲变形；该变形导致半圆环曲率增大，使得电压作用不变的情况下原电场梯度进一步加大，电场梯度致的弯曲应力也进一步加大，从而使得作动结构进一步变形直至与材料抵抗变形的力相平衡或接触被夹持物体，继而保持该形状和握力；该超大变形作动器相对于现有刚性结构的机械手而言，具有对待作用结构的潜在破坏和损伤小等优势，具有非常广泛的应用价值。

Reciprocating multilayer structure super flexible actuator for flexible materials based on inverse flexural electricity principle

A flexible material reciprocating multi-layered actuator and its method based on the principle of inverse flexoelectricity are presented. The actuator consists of a controller, a high voltage power supply connected to the controller, a flexible electric semi-circular ring actuating structure consisting of a multi-layered flexible thin film material which is reciprocating and overlapping, and an actuating structure close to the upper and lower layers of a single material film. The electrode is connected with the high voltage power supply. After the actuator is electrified, the bending deformation along the radial direction of the ring of the actuator structure will occur due to the inverse bending effect; the deformation will cause the curvature of the semi-ring to increase, making the voltage unchanged. The original electric field gradient is further increased and the bending stress caused by the electric field gradient is further increased, so that the actuating structure is further deformed until it is balanced with the force resisting deformation of the material or contacts the clamped object, and then maintains the shape and grip force. It has the advantages of low potential damage and damage to structure, and has a very wide application value.

【技术实现步骤摘要】
基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器及方法
本专利技术涉及变形机械手，具体涉及基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器及方法。
技术介绍
极微小位移的作动技术在材料工程、航天器精确指向、科学仪器、高精度机加工等领域得到广泛的应用。一般采用具备优良微小位移输出特性的压电材料作为精密位移输出的驱动部件，然而由于压电材料具有居里温度、使其在高温环境下失效以至于无法正常工作，除此之外，由于压电材料存在诸如力-电线性度差、输出精度极限在亚纳米量级，极化效应随时间衰减、重金属等对环境具有潜在威胁等不足，使其进一步发展受到了限制。另一方面，刚性驱动元件可能对被驱动部件本身造成损伤，也很难以适应曲面或其他更为复杂多变的工况。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器及方法，为解决宽环境范围下的极微小位移输出及基于极高精度的大变形作动技术提供了有效的解决方案。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器，包括控制器1，与控制器1电连接的高压电源2，半圆环状作动结构3，在构成作动结构的单层材料内部沿膜上下表面分布的具有可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极4，电极4与高压电源2连接；所述半圆环状作动结构3的材料为多层柔性薄膜状材料往复重叠组成的挠曲电材料，一方面通过半圆环的内外径铺设电极，电极通电后由于逆挠曲电作用，实现了逆挠曲电效应所需的电场梯度，产生沿作动结构圆环径向向内的弯曲变形。另一方面通过往复折叠即能够放大输出位移增大输出力又能够整合压缩体积；所述可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极4由金属薄膜构成，但并非在柔性薄膜状材料外部表面，而是埋设在柔性薄膜状材料内部靠近表面处的位置，其截面形状为波浪型或褶皱型，当半圆环状作动结构3的柔性薄膜状材料发生超大变形时，电极4会随之发生相应的变形，由于电极4本身结构上具有延展性能，因此不会出现因大变形导致的电极断裂现象，而是波浪型的形状发生变化，或褶皱型结构被一定程度打开，这样保证了材料力-电作用时的可靠性和良好的导电性。所述半圆环状作动结构3使用的材料为均匀性质的材料或功能性柔性材料，功能性柔性材料是指在制备过程中通过掺杂-梯度控制方式使材料沿厚度方向产生物理和介电性质的梯度。所述制备过程中通过掺杂-梯度控制方式为向柔性材料掺杂进磁敏感或介电常数较大的微小粉末后进行磁场或重力控制，使其沿厚度方向产生粉末密度分布梯度，从而使质量密度和介电常数沿材料厚度方向产生梯度，进而从材料上增强了电场梯度的分布，增大了力-电转换能力。所述半圆环状作动结构3的柔性薄膜状材料力电特性与待作用载荷相匹配，半圆环状作动结构3柔性薄膜状材料的层数与待作用载荷相匹配，柔性薄膜状材料内电极的周期性形状尺度小于单层材料的厚度。所述的基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器的作动方法，半圆环状作动结构3上的电极4通电后由于逆挠曲电作用，会产生沿半圆环状作动结构3圆环径向向内的弯曲变形，该变形会造成圆环曲率变小，因而在电压作用不变的情况下使得电场梯度进一步加大，电场梯度致的弯曲应力也进一步加大，从而使得半圆环状作动结构3进一步变形，最终产生巨大的变形，直至驱动力与抵抗变形的力相平衡或半圆环状作动结构3与待作用物体接触后才不会进一步变形，并保持该形状和握力。本专利技术和现有技术相比，具有如下优点：1)相对于传统的压电材料作动器技术，本专利技术采用挠曲电柔性材料的逆挠曲电效应作动方法，能够实现比现有技术高至少一个数量级的高精度步进式大位移输出，且具有良好的载荷/位移范围可设计性，更广工作温度范围，尺度效应明显，适应更多种类的工作表面，对被驱动部件不具备损害性。2)本专利技术采用了特殊电极布置方法，与传统将电极平铺在构件表面的方式不同，本专利技术将电极埋设在材料内部靠近表面处的位置，其截面形状处于波浪型或褶皱型，当作动结构的柔性材料发生超大变形时，电极会随之发生相应的变形，使电极具有延展性能，因此不会出现因大变形导致的电极断裂等现象，而是这样保证了材料力-电作用时的可靠性和良好的导电性。3)本专利技术采用了往复式多层结构，整个部件一体化成型，既放大了力和位移的输出又避免了机械间隙带来的误差，使得整个结构更为紧凑、小型化。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的作动示意图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。如图1所示，基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器，包括控制器1，与控制器电连接的高压电源2，由多层柔性薄膜状材料往复重叠组成的挠曲电型部分半圆环状作动结构3，在构成作动结构的单层材料内部沿膜上下表面分布的具有可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极4，电极4与高压电源2连接。如图2所示，半圆环状作动结构3上的电极4通电后由于逆挠曲电作用，会产生沿半圆环状作动结构3圆环径向向内的弯曲变形。该变形使得圆环半径更小，因而在电压作用不变的情况下使得电场梯度进一步加大，电场梯度致的弯曲应力也进一步加大，从而使得半圆环状作动结构3进一步变形。由于半圆环状作动结构3使用的材料为功能性柔性材料，具有很大的弹性变形范围和较好的力-电转换能力，使得其在电压的作用下、在尚未与待作用结构相接触时会不断形变，最终产生非常巨大的变形，直至半圆环状作动结构3与待作用物体接触后才不会进一步变形，从而保持该形状和握力。所述可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极4如图1所示，其由金属薄膜构成，但并非在柔性薄膜状材料外部表面，而是埋设在柔性薄膜状材料内部靠近表面处的位置，其截面形状为波浪型或褶皱型即为波浪型电极4a或褶皱型电极4b，当半圆环状作动结构3的柔性薄膜状材料发生超大变形时，电极4会随之发生相应的变形，由于电极4本身结构上具有延展性能，因此不会出现因大变形导致的电极断裂等现象，而是波浪型电极4a的形状发生变化，或褶皱型电极4b被一定程度打开，这样保证了材料力-电作用时的可靠性和良好的导电性。半圆环状作动结构3的柔性薄膜状材料具有较高的挠曲电系数，既可以是均匀性质的材料圆环状作动结构3a，也可以在制备过程中通过掺杂-梯度控制等方式使材料沿厚度方向产生物理/介电性质的梯度圆环状作动结构3b，如向柔性材料掺杂进磁敏感或介电常数较大的微小粉末后进行磁场或重力控制，使其沿厚度方向产生粉末密度分布梯度，从而使质量密度和介电常数沿材料厚度方向产生梯度，进而从材料上增强了电场梯度的分布，增大了力-电转换能力。作为本专利技术的优选实施方式，所述半圆环状作动结构3的柔性薄膜状材料力电特性与待作用载荷相匹配，圆环状作动结构3柔性薄膜状材料的层数与待作用载荷相匹配，柔性薄膜状材料内电极4的周期性形状尺度远小于单层材料的厚度。所述逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器可以用在多种工况下，尤其是面对表面不规则的被驱动物体也能保持良好的接触面从而保证良好的抓持性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器，其特征在于：包括控制器(1)，与控制器(1)电连接的高压电源(2)，半圆环状作动结构(3)，在构成作动结构的单层材料内部沿膜上下表面分布的具有可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极(4)，电极(4)与高压电源(2)连接；所述半圆环状作动结构(3)的材料为多层柔性薄膜状材料往复重叠组成的挠曲电材料，一方面通过半圆环的内外径铺设电极，电极通电后由于逆挠曲电作用，实现了逆挠曲电效应所需的电场梯度，产生沿作动结构圆环径向向内的弯曲变形。另一方面通过往复折叠即能够放大输出位移增大输出力又能够整合压缩体积；所述可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极(4)由金属薄膜构成，但并非在柔性薄膜状材料外部表面，而是埋设在柔性薄膜状材料内部靠近表面处的位置，其截面形状为波浪型或褶皱型，当半圆环状作动结构(3)的柔性薄膜状材料发生超大变形时，电极(4)会随之发生相应的变形，由于电极(4)本身结构上具有延展性能，因此不会出现因大变形导致的电极断裂现象，而是波浪型的形状发生变化，或褶皱型结构被一定程度打开，这样保证了材料力‑电作用时的可靠性和良好的导电性。

【技术特征摘要】
1.基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器，其特征在于：包括控制器(1)，与控制器(1)电连接的高压电源(2)，半圆环状作动结构(3)，在构成作动结构的单层材料内部沿膜上下表面分布的具有可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极(4)，电极(4)与高压电源(2)连接；所述半圆环状作动结构(3)的材料为多层柔性薄膜状材料往复重叠组成的挠曲电材料，一方面通过半圆环的内外径铺设电极，电极通电后由于逆挠曲电作用，实现了逆挠曲电效应所需的电场梯度，产生沿作动结构圆环径向向内的弯曲变形。另一方面通过往复折叠即能够放大输出位移增大输出力又能够整合压缩体积；所述可大范围弯曲和伸展的、经特殊设计的电极(4)由金属薄膜构成，但并非在柔性薄膜状材料外部表面，而是埋设在柔性薄膜状材料内部靠近表面处的位置，其截面形状为波浪型或褶皱型，当半圆环状作动结构(3)的柔性薄膜状材料发生超大变形时，电极(4)会随之发生相应的变形，由于电极(4)本身结构上具有延展性能，因此不会出现因大变形导致的电极断裂现象，而是波浪型的形状发生变化，或褶皱型结构被一定程度打开，这样保证了材料力-电作用时的可靠性和良好的导电性。2.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电原理的柔性材料往复式多层结构超大变形作动器，其特征在于：所述半圆环状作动结构3使用的材料为均匀性质的材料或功能性柔性材料，功能性柔性材料是指在制备过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：武彤晖，徐明龙，张舒文，刘开园，申胜平，邵恕宝，宋思扬，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61