一種基于介電彈性體的充氣式變形體的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及軟體驅動技術領域，具體涉及一種基于介電彈性體的充氣式變形體。
【背景技術】
[0002]隨著人類社會的不斷發展，軍事偵察、醫療衛生、救援服務等領域為機器人技術的發展進一步提出要求。常規的機器人多采用硬質結構，憑借齒輪、關節、活塞、發動機等結構實現驅動和運動傳遞。
[0003]由于采用硬質結構，部件之間存在著緩沖空間小、容易受到沖擊破壞，且可靠性差，效率低下，生物親和性不好，噪聲大，對環境適應性差等缺點。因此，智能軟體機器人技術的發展機器人技術的發展提供了新思路。
[0004]相比于傳統的剛性機器人，軟體機器人具有質輕，可變形，抗沖擊能力強，緩沖性好，對環境適應能力強，生物親和性優越等優點。因此在軍事偵察，生物工程，醫療救援以及服務業等領域具有很好的應用前景。
[0005]盡管如此，柔性機器人也才能在一定的局限性。由于軟體機器人通常采用以來柔性材料的本征應力提供驅動力，在非工作狀態下存在應力。這導致軟體機器人材料松弛、失效，大大降低了使用壽命。
[0006]此外，充氣型柔性機器人大多采用氣動驅動方式，導致工作狀態下充放氣噪聲較大，體積較大，空間占有率較大。
[0007]公開號為10252326的中國專利申請公開了一種充氣式介電彈性體半球形驅動器，該驅動器在兩片軟片上貼覆了經過預拉伸的驅動薄膜，該薄膜與基底形成了半球形空間，構成半球形驅動器，具有響應快，結構簡單的優點，但是該驅動器的驅動薄膜無論是否處于工作狀態，都會保持預拉伸狀態，在薄膜內部始終殘留預應力，因此會大大縮短該薄膜的壽命，以致縮短該驅動器的使用壽命。
[0008]而本發明的充氣式變形體也具有驅動器的作用，它在不工作時，驅動薄膜會保持松弛狀態，當需要工作時，首先對其進行充氣，使驅動薄膜變為預拉伸狀態，然后進行工作。這樣極大的縮短了驅動薄膜處于預拉伸狀態的時間，因此可以大大提高其使用壽命。

【發明內容】

[0009]針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于介電彈性體的充氣式變形體。該變形體采用介電驅動，控制成本低廉，易于實現，可應用于柔性機械手臂，柔性抓持機器(多個組裝，一起工作)，自主偵查，智能服務與醫療救援等領域。
[0010]一種基于介電彈性體的充氣式變形體，包括設有充氣閥的氣囊，所述氣囊為介電彈性體薄膜，所述介電彈性體薄膜中嵌設有用于限制氣囊充氣變形方向的定向纖維，其上、下表面(實際上應理解為氣囊的內表面和外表面)設有至少I個柔性電極對(每個柔性電極對中位于上、下表面的兩個電極具有相對的重合區域)，所述柔性電極對用于外接使柔性電極對覆蓋區域的介電彈性體薄膜發生形變的驅動電壓。
[0011]本發明充氣式變形體存在兩種狀態，分為工作狀態和非工作狀態。
[0012]在非工作狀態下，變形體處于放氣狀態，體積小，貯存方便，隱蔽性好。此外，在非工作狀態下，變形體不充氣，因此，不存在本征應力，很好地解決了機器材料的松弛及失效問題，相比于非充氣柔性機器人，壽命可以大大提高。
[0013]進入工作狀態前，先對變形體(氣囊)充氣，體積迅速膨脹，使之進入工作狀態。在工作狀態下，由于介電彈性體薄膜中嵌設有氣囊充氣變形方向的定向纖維，因此形成特定形態的充氣結構，且在此時通過電極對施加驅動電壓，通過調控驅動電壓的幅值和頻率，即可得到不同形變，實現相應的功能(如爬行、驅動等)。
[0014]每根定向纖維首尾連接，氣囊充氣后所有定向纖維所在平面平行。氣囊充氣后相鄰定向纖維所在平面間的距離相等。氣囊充氣后相鄰定向纖維所在平面間的距離為I?1mm0
[0015]在上述定向纖維的作用下，充氣后的氣囊變形體的外周呈圓形，不同高度處的圓周取決于與其最鄰近的兩根定向纖維的周長，當所有定向纖維的長度相同時，該充氣后，該變形體呈柱體，該柱體外周等于定向纖維的長度，通常當所有定向纖維的長度相同時，
[0016]通過定向限制纖維限制介電高彈體充氣后變形方向，氣囊充氣后，在沿著垂直于定向纖維所在平面的方向上形成細長結構，這樣有利于該變形體的變形。
[0017]本發明中以氣囊充氣后垂直于定向纖維所在平面的方向作為變形體的長度方向，當氣囊充氣后，在于垂直與長度方向的各個橫截面為圓形(即截面圓)，每個截面圓的大小取決于沿長度方向到該截面圓的距離最小的兩根定向纖維的長度。
[0018]本發明中優選所有定向纖維的長度相同，此時充氣后，氣囊呈柱體(實際上不是嚴格的柱體，應理解為類似于柱體結構)。當通過電極對施加幅值和頻率不同的驅動電壓時，該變形體沿長度方向發生伸縮變化，在垂直于長度方向上由于受到定向纖維的限制不發生形變。
[0019]為保證在實際應用中，變形體(柱體)周向上不發生相變，所述定向纖維的剛度為驅動薄膜的剛度15倍以上。本發明中定向纖維的材質優選為尼龍。
[0020]所述介電彈性體薄膜的厚度為0.1?1mm。通常介電高彈體薄膜需要高電壓驅動，一般為3kV?20kV，這也是市面上現有的大部分高壓電源的電壓范圍，對于大部分介電高彈體材料，如果薄膜厚度小于0.1_，在3kV的電壓下就已經很容易擊穿，因此選擇介電高彈體薄膜的厚度為最小為0.1mm，此外，考慮到介電高彈體薄膜的制備成本，以及變形體的驅動效果，設置厚度上限為1mm。
[0021]為保證功能纖維能夠嵌入驅動層中，所述定向纖維的直徑為0.1?0.5mm，且小于驅動層的厚度。
[0022]本發明中在變形體在非工作狀態下通過充氣閥給變形體充氣，使變形體伸長，產生預拉伸，進入工作狀態，在工作之后需要通過充氣閥給變形體放氣，使其回到無預拉伸的狀態，再次回到非工作狀態。
[0023]變形體的形變大小(實際上為介電彈性體薄膜的形變大小)取決于氣囊的充氣量，一般當變形體變形為原長度(將變形體展開平鋪時在變形體的長度方向的長度)2?8倍時即認為充氣量合適，最優為3倍。為保證在介電彈性體薄膜發生最大形變時不出現問題，定向纖維的直徑比驅動層的厚度至少小0.3mm。
[0024]柔性電極對數量根據實際應用情況設定，每個柔性電極對單獨施加驅動電壓，通過控制每個電極對兩端的驅動電壓的幅值和頻率，能夠得到不同形變模式的變形體，實現不同的驅動效果。
[0025]當柔性電極對的數量大于I時，所有電極對均勻分布，且相鄰電極對最短間距為5?10mm，以保證各個電極對之間的電氣隔離。
[0026]電極對均勻分布是指在氣囊充氣進入工作狀態后，每個電極對中外部的柔性電極在變形體的外周面上均勻分布。
[0027]所述柔性電極對中柔性電極的厚度為10nm?2 μπι。柔性電極通常是利用刷子，滾輪等方法涂在介電彈性體薄膜表面上，因此厚度在微米級別，一般對柔性電極的要求為厚度均勻，避免出現部分位置電極空缺的情況。
[0028]由于介電彈性體薄膜形成氣囊，因此，在實際應用時氣囊內部分的柔性電極需要通過導線引至氣囊外部。
[0029]本發明中的變形體多個并聯使用，此時在每一個變形體上，柔性電極將不再分區，而是圍繞變形體一周均分布有柔性電極，此時的變形方式為當驅動某一個變形體時，該變形體伸長，由于其他變形體與其固定同時又沒有伸長，整個結構會朝著被驅動的變形體的另一側彎曲。
[0030]與現有技術相比，本發明的基于介電彈性體的充氣式變形體結構簡單，易于實現，成本低廉，在非工作狀態下，變形體處于放氣狀態，體積小，貯存方便，隱蔽性好，且未充氣不存在本征應力，解決了器件材料的松弛及失效問題，壽命可以大大提高。充氣進入工作狀態后，僅通過調控電極對施加驅動電壓，即可得到不同形變，實現相應的功能(如爬行、驅動等)，響應速度快。該充氣式變形體可以應用于柔性機械手臂，柔性抓持機器(多個組裝，一起工作)，自主偵查，智能服務與醫療救援等領域。