弹性体致动器及制造致动器的方法技术

一种管状弹性体致动器，具有这样的形状，在截面图中，所述形状露出最多一个具有指定长度的单个对称轴，例如椭圆形。该致动器可由多个层叠在一起并卷起的板状件形成的片状物制成。每个板状件可具有用于使元件具有各向异性结构的皱褶，且包含仅一个表面上的电极。该致动器移位是在其厚度上施加电场时板状件收缩移位的结果。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及致动器，例如，用于机器人应用的致动器。该致动器由包括具有限定在电极之间的弹性体的板状件的片状物制成。电极相对于弹性体设置，以在将电场应用于电极时使本体变形。板状件被卷成能够在将电场应用于电极时分别膨胀和收缩的柱状结构。
技术介绍
已知，具有用于使弹性体材料变形的电极的弹性体致动器便于在较弱的电场中有较大的形变，例如，在和可选的介电材料(例如，包含陶瓷的压电材料)相对比的情况下。工作原理在于两个电极之间的电势产生导致吸引力或排斥力的电场。结果，电极之间的距离改变造成弹性体材料的压缩或拉伸，从而使得弹性体材料变形。由于该工作原理和肌肉机能的相似性，弹性致动器有时涉及电致伸缩聚合物人造肌肉(EPAM)。通常，通过施加例如含有颜料的碳或薄金层的导电电极给由例如硅酮或，聚氨酯的弹性体材料制成的薄膜的两侧制成弹性致动器。该膜通常通过模塑工艺制成。叠层式致动器是已知的，例如，美国专利5,977,685公开了每侧均具有电极的聚氨酯弹性体层，层叠在一起形成可变形的片状物。每层均具有在水平方向形成的狭缝，借此，该层可在收缩移动期间保持体积。例如，为了节省空间，弹性片状物可被卷起，形成柱状致动器以在多个小尺寸系统中替换更多传统的线性致动器，例如，在形成腿或机器人手腕夹钳等的机器人应用中。在上述卷式致动器中，膜被卷进在轴向对端装配有机械连接器的管状部。在电场对电极起作用的情况下，在弹性体材料变形期间，片状物轴向收缩或延伸。然而，已经发现，弹性膜的卷式结构某种程度上限制了膜的变形能力，从而降低了性能。特别地，当柱状致动器被设计为径向延伸和收缩时，柱状致动器的径向收缩补偿径向改变是有必要的，由于柱形体向径向限制施加硬度，柱形限制了径向延伸和收缩的幅度。直到如今，卷式柱状致动器的长度的百分之五至七数量级的最大行程(stroke)通常被视作技术限制。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种由弹性体膜制成的致动器，提高了性能。相应地，根据本专利技术的第一方面，提供了包括在纵向上延伸的管状部的致动器，该管状部包括设置在两个电极之间的弹性体材料，其中，在垂直于纵向的横截面中的周缘上两个相对点之间延伸的任意对称线段的长度不同于任何其他这样的对称线段的长度。换言之，提供了一种横截面没有对称线段的致动器，一条对称线段或多条对称线段的长度均不同。例如，该形状可以是非圆形或非四边形。例如，从横截面观察，该致动器露出两个长度不同的对称轴。例如，从上述横截面观察，该致动器具有椭圆形状，其可以是卵形或矩形。当在电极上方施加电势时，电吸引力或电排斥力迫使电极彼此靠近或远离，弹性体材料借此变形。由于特定的形状，在纵向延伸和收缩期间，可以实现管状部在垂直于纵向的属性的自由改变，从而，在和具有圆形或四边形横截面形状的致动器进行对比的情况下，该致动器在垂直于纵向的延伸和收缩的能力得到改善，也就是，具有多个对称轴的致动器的长度相同。因此，实现了较大的径向延伸和收缩。优选地，为了便于容易制造，通过卷起包括至少两个元件的片状物，可以使管状部变形，所述至少两个元件中的每个都包括弹性材料体和连接至其第一表面的电极，其中，弹性材料体和/或电极的变形在第一方向受到限制，在另一(第二)方向得到支持。第二方向优选平行于纵向。由于分别对变形的限制和支持，实现了弹性体仅在(或主要在)一个方向的变形，也就是，在纵向的变形，同时，围绕管状部的圆周的变形受到限制，使得管状部的周长保持不变。该弹性体可以是绝缘体，将随后被详细描述，优选在至少一个表面上有多个皱褶，优选具有各向异性。堆叠这两个元件，使得元件中的一个的表面与另一个元件的表面接触。例如，通过使电极中和弹性体中的皱褶变形，可以实现两个方向变形的限制和支持。这些皱褶可以平行于第一方向相互延伸，因此，支持在垂直于第一方向的第二方向的变形。在注模工艺中的制造弹性体的过程中，形成这些皱褶。通过在后续工艺中汽化导电材料(例如，金、银、铜、铝、或任何类似导电金属)到弹性体，将非常薄的电极形成在弹性体的皱褶上。该电极将有效地防止在皱褶方向的变形。优选地，导电端子形式的供电路径连接至至少两个元件的一个，以施加不同的电势给相应的电极。为了便于连接电源，该片状物可以包括-第一类型元件，包括与元件的电极电接触的第一类型导电端子；-第二类型元件，包括与元件的电极电接触的第二类型导电端子；其中，当电极被堆叠以形成交替的第一类型和第二类型元件的片状物时，第一类型导电端子与第二类型导电端子电绝缘。例如，端子可以暴露在处于可选不同位置上的弹性体的表面上。例如，当堆叠元件形成片状物时，使得每个第二元件的端子处于元件的最右端，每个其他第二元件的端子处于元件的最左端。在片状物上，弹性材料体使相邻的元件的端子之间绝缘。优选地，卷式结构包括交替的一个第一类型元件和一个第二类型元件。第一类型元件连接至第一通电路径，第二类型元件连接至第二通电路径。由此实现了层叠结构的单工作层包括一个第一元件上的一个电极、一个第二元件上的一个本体、以及一个第二元件上的一个电极。层叠结构的另一层包括一个第二元件上的一个电极、一个第一元件的一个本体、以及一个第一元件上的一个电极。第一类型元件还包括与元件的电极电绝缘的第二类型导电端子。相应地，第二类型元件还包括与元件的电极电绝缘的第一类型导电端子。当第一类型导电端子相互电接触且第二类型导电端子相互电接触时，例如，当元件层叠时，所有的第一类型的端子可在一个连接点连接至电源的一个端子，所有的第二类型的端子可在另一个连接点连接至电源的一个端子。与元件的电极电绝缘的端子用于在两个相邻元件之间将电势差跨越该元件。为了更便于电源的应用，第一和/或第二类型导电端子可以覆盖弹性材料体的外周边缘部，例如，当元件被层叠以形成交替的第一和第二类型元件的片状物时，使得第一类型的端子在一个位置处覆盖边缘部。沿着边缘部连接至端子的导线还可将电极连接至电源。在本专利技术的特定实施例中，通过围绕弹性体芯体卷起元件形成卷式结构。为了减少芯体对卷式致动器的柔韧性的影响，弹性体芯体可比致动器的弹性体更软。在本专利技术的特定的鼓状实施例中，卷式结构具有管状部限定(即，卷式结构限定的)的空腔以及两个在管状部的轴向相对端紧固的闭合部。闭合部可具有轴颈形状，例如，包括用于将连接器连接至应用器件(例如，机器人手柄)的紧固装置。从而实现了卷式结构具有柱状横截面，该结构的芯体是无源谐振腔(passive cavity)。弹性材料体可通过用弹性体材料(例如，处于液态状态)填充空腔形成。随后，液态芯体硬化，例如，同时卷式结构在轴向延伸。从而实现了当芯体被填充并硬化时，结构体具有压缩应力。当结构在随后被轴向松弛时，弹性材料体的压缩应力将减少芯体中的张应力，当制动器处于松弛不活动位置时，力平衡将实现稳定的自支承结构。在第二方面，本专利技术涉及制造卷式弹性体致动器的方法，所述方法包括以下步骤-由元件层形成片状物，每个均包括弹性材料体和与弹性材料体的表面接触的电极，-卷起片状物，形成空心管部，其形状使得任何在垂直于纵向的横截面中的周边上的两个相对点之间延伸的对称线段的长度与任何其它这样的对称线段不同，例如，椭圆形或四边形。根据第二方面的方法可以延伸为包括制造根据本专利技术的第一方面的任何特征的致动器的步骤，特别地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致动器，包括在纵向上延伸的管状部，所述管状部包括设置在两个电极之间的弹性体材料本体，其中，在垂直于纵向的横截面中的周缘上的两个相对点之间延伸的任意对称线段的长度不同于任何其它这样的对称线段的长度。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：MY本斯利曼，P格拉夫森，
申请(专利权)人：丹福斯有限公司，
类型：发明
国别省市：DK[丹麦]