一种竹节式复合弯曲驱动器制造技术

本申请提供了一种竹节式复合弯曲驱动器，所述竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域与若干个形变区域相互穿插排布，所述复合区域与所述形变区域具有由形状记忆合金一体化构成的驱动器本体，所述复合区域的本体外由内至外依次包括电卡材料、表面电极。通过电卡材料的电卡效应促使形状记忆合金的形变区域完成相变与逆相变的过程，以实现形状记忆合金能够大角度弯曲，解决单根形状记忆合金无法实现大角度弯曲驱动的问题，以及形状记忆合金的相变过程慢的问题，实现转角大、冷却速度快、结构简单、成本低且占用空间小的无卡点弯曲形变驱动。

【技术实现步骤摘要】
一种竹节式复合弯曲驱动器
本申请涉及驱动器领域，特别涉及为一种竹节式复合弯曲驱动器。
技术介绍
在近年来随着社会经济的不断发展，在计算机科学、自动化控制、机器人形态学等科学领域发展的推动下，机器人正在人类社会扮演着越来越重要的角色，其足迹己遍布工业、农业、航空宇航以及军事领域，而且正逐步向医疗、教育、家庭、服务等与人类生活更加密切的全新领域拓展。机器人的任务属性决定了通用性和适应性是机器人的两个最主要特征。通用性是指机器人具有可变的几何构型以实现不同的功能和完成多样性任务的能力。适应性要求机器人能够对周围环境进行感知，并能够通过改变自身的几何结构适应不同的工作环境，进行复杂的运动最终完成目标任务。而传统的刚性机器人无法通过简单的结构设计来实现上述功能。因而具有柔顺度高，灵活性好、结构简单，成本低的软体机器人应运而生。通常软体机器人采用的驱动器有形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，SMA)、丝驱动机构(tendon-drivenmechanisms)、电活性聚合物(ElectroActivePolymer，EAP)、人工气动肌肉(PneumaticArtificialMuscle，PAM)等。形状记忆合金作为一种新型功能材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支，目前主要有三类：NiTi基、Cu基和Fe基，记忆效果较好的是NiTi基合金。形状记忆合金驱动器利用高温相和低温相相互转变过程中产生的变形或者回复力达到驱动目的。形状记忆合金作为核心材料进行驱动与传统机械或者电磁驱动方式相比，其最显著的特点是：它几乎没有驱动能量的消耗，具有最高的变形能力，因此可以获得较大的驱动行程；它有最高的工作和断裂应力，因此材料本身可以胜任强度要求更高的驱动元件和结构；它有非常高的能量体积比(能量密度)，结合材料本身的相对高强度和NiTi系合金良好的记忆特性，因此可以提供较大的驱动力。虽然拥有众多优点，但基于形状记忆合金的大转角弯曲驱动器却是少之又少，而大角度弯曲驱动器又是机构运动形式多样化所必须的。形状记忆合金由于受到自身记忆能力及疲劳的限制，单根形状记忆合金无法实现大角度弯曲驱动的能力。虽然通过一定的复合结构能实现较大角度的弯曲，但这又增加了整个装置的体积，会限制其在小型及微型器件中的应用。形状记忆合金驱动器面临的第二个问题为其冷却问题，虽然通过脉宽电流可以在几秒之内使形状记忆合金完成逆相变过程，但却要通过几十秒的时间使之完成相变过程，导致其响应周期过长，频率下降。即使可以通过外加冷却装置(如风冷、气冷或水冷等)使之在较短的时间冷却，但这也会增加装置的体积、质量及成本。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本申请提供一种转角大、冷却速度快、结构简单、成本低且占用空间小的竹节式复合弯曲驱动器，旨在解决单根形状记忆合金无法实现大角度弯曲驱动的问题，以及形状记忆合金的相变过程较慢的技术问题，使其能够实现大角度转角驱动。本专利技术采用以下技术方案：一种竹节式复合弯曲驱动器，所述竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域与若干个形变区域相互穿插排布，所述复合区域与所述形变区域均有由形状记忆合金一体化构成的驱动器本体，所述复合区域的本体外由内至外依次复合有电卡材料、表面电极。作为本专利技术的进一步限定，所述复合区域的形状记忆合金本体与电卡材料之间紧密连接。作为本专利技术的进一步限定，所述形变区域表面复合有离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层。作为本专利技术的进一步限定，所述离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层为三层夹心结构，由中间离子交换聚合物和两侧的金属涂镀电极构成。作为本专利技术的进一步限定，所述中间离子交换复合物为聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)、聚(1,4-亚苯基醚-醛砜)、聚磺化苯醚砜中的一种；所述金属涂镀电极采用为金、铂、钯中的一种或几种。作为本专利技术的进一步限定，所述形状记忆合金包括镍钛基、铜基系或铁基系形状记忆合金材料的任意一种。作为本专利技术的进一步限定，所述复合区域的电卡材料的复合方式为全包式复合或覆盖式复合；所述全包式复合为所述电卡材料完全包覆所述复合区域；所述覆盖式复合为所述电卡材料相对不完全的覆盖所述复合区域；所述复合区域截面周长c≥0.8mm，每节所述复合区域电卡材料厚度h≥26.7μm。作为本专利技术的进一步限定，基于所述本体的轴向方向，所述复合区域的第一长度为L，所述形变区域的第二长度为e，所述第一长度与第二长度满足L≥2e。作为本专利技术的进一步限定，所述电卡材料包括：PbZrO3、(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(0.07≤x≤0.35)、SrBiTa2O9、PbSc0.5Ta0.5O3、PbMg1/3Nb2/3O3或Pb0.8Ba0.2ZrO3中的一种或几种。作为本专利技术的进一步限定，所述本体的横截面包括圆形、三角形、矩形、任意凸多边形和任意凹多边形，所述本体的横截面直径r≥0.1mm。本专利技术具有以下技术效果：1、通过在形状记忆合金一体化构成的驱动器本体外设置间断式的复合电卡材料与表面电极的复合区域，在表面电极施加电场，电卡材料的极化状态改变，有序化程度提高，熵值减小，电卡材料温度升高，此时通过热传导的方式将热量传递给形变区域的形状记忆合金，形变区域的形状记忆合金进行逆相变过程，由马氏体转变为高弹性的奥氏体，进而进行形变；当电场撤去时，电卡材料从有序态恢复到无序态，熵值增加，电卡材料温度降低，此时电卡材料帮助形变区域的形状记忆合金进行降温，使形变区域的形状记忆合金进行相变过程，由奥氏体转变为马氏体，由于形状记忆合金具有记忆特性，恢复到形变之前的形状和位置。因此，通过竹节式覆盖电卡材料和表面电极的形变记忆合金结构的复合弯曲驱动器能够通过在电卡材料表面电极施加与撤销电场的变换来达到快速进行形变与回位的技术效果，上述技术效果针除Pb0.8Ba0.2ZrO3以外正电卡材料适用，对于是Pb0.8Ba0.2ZrO3材料在施加与撤销电场时则是相反的效果。2、通过竹节式覆盖电卡材料和表面电极的形变记忆合金结构的复合弯曲驱动器，能够使间隔的形变区域在形变过程中逐渐累加，进而达到最大的变形利用效率，实现大转角弯曲驱动的能力，具有体积小、质量轻、设备集成简单的持点，成本也更低、能量转换率高、工作可靠性较高且无环境污染。3、通过在形变区域外复合离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层，能够在电场改变的情况下，进行离子驱动，进而增加形变区域的形变角度，扩大形变能力，在无电场改变的情况下，可以作为应力传感器，对复合区域的形变进行应力感应，进而做出相应的形变驱动，也起到了增加形变角度的作用。4、离子交换聚合物-金属涂镀电极中的离子交换聚合物采用聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)、聚(1,4-亚苯基醚-醛砜)、聚磺化苯醚砜这些聚合物时，聚合物主链上的芳香族和醚键提供了必要的强度、分子刚度和良好的加工性能，能够增加形变区域的弹性和柔韧性，且成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种竹节式复合弯曲驱动器，其特征在于，所述竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域(1)与若干个形变区域(3)相互穿插排布，所述复合区域(1)与所述形变区域(3)均有由形状记忆合金一体化构成的驱动器本体(2)，所述复合区域(1)的本体外由内至外依次复合有电卡材料(1-2)、表面电极(1-1)。/n

【技术特征摘要】
1.一种竹节式复合弯曲驱动器，其特征在于，所述竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域(1)与若干个形变区域(3)相互穿插排布，所述复合区域(1)与所述形变区域(3)均有由形状记忆合金一体化构成的驱动器本体(2)，所述复合区域(1)的本体外由内至外依次复合有电卡材料(1-2)、表面电极(1-1)。


2.根据权利要求1所述的一种竹节式复合弯曲驱动器，其特征在于，所述复合区域(1)的形状记忆合金本体与电卡材料(1-2)之间紧密连接。


3.根据权利要求1所述的一种竹节式复合弯曲驱动器，其特征在于，所述形变区域(3)表面复合有离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层(8)。


4.根据权利要求3所述的一种竹节式复合弯曲驱动器，其特征在于，所述离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层(8)为三层夹心结构，由中间离子交换聚合物(8-1)和两侧的金属涂镀电极(8-2；8-3)构成。


5.根据权利要求4所述的一种竹节式复合弯曲驱动器，其特征在于，所述中间离子交换复合物(8-1)为聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)、聚(1,4-亚苯基醚-醛砜)、聚磺化苯醚砜中的一种；所述金属涂镀电极(8-2；8-3)采用为金、铂、钯中的一种或几种。


6.根据权利要求1-5任一所述的一种竹节式复合弯曲驱动器，其特征在于，所述形状记忆合金包括镍钛基、铜基系或铁基系形状...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：李月，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23