本发明属于智能材料与智能结构技术领域，具体涉及一种基于电驱动的pvc-gel柔性机械手。
背景技术：
pvc凝胶(polyvinylchloride-ge1，简称pvc)是一种电活性聚合物具有高应变(13％以上)，响应速度快，工作频带宽，质量轻，驱动性能高，在电场中会向阳极产生蠕动变形。日本信州大学hashimoto采用pvc-gel用于制造可变刚度的运动辅助设备，提出了在软体机器人中应用的想法，韩国技术教育大学kim将pvc-gel用于变焦透镜的制造，根据pvc凝胶的叠层驱动性能，与柔性手爪结合在一起，发明一种利用pvc-gel驱动的柔性抓手。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于电驱动的pvc-gel柔性机械手，可控性强、结构简单。
本发明采用以下技术方案：
一种基于电驱动的pvc-gel柔性机械手，包括柔性手爪和pvc-gel驱动器，柔性手爪的一端固定在pvc-gel驱动器的驱动器外壳上，另一端通过顶杆与pvc-gel驱动器连接，顶杆与pvc-gel驱动器之间设置有弹簧，通过对pvc-gel驱动器施加电压使pvc-gel驱动器在厚度方向发生位移并输出力，通过弹簧驱动柔性手爪张开或闭合。
具体的，pvc-gel驱动器包括pvc-gel薄膜，pvc-gel薄膜的两侧对应设置阴极和阳极构成一个驱动单元，多个驱动单元相互叠加构成pvc-gel叠层结构，pvc-gel叠层结构引出正负电极组成pvc-gel驱动器。
进一步的，pvc-gel叠层结构的叠层层数大于等于3层。
进一步的，驱动单元的形状为方形、矩形、圆形或六边形。
进一步的，pvc-gel薄膜采用3d打印技术或者浇筑方式制备而成，厚度大于等于100μm。
进一步的，阳极采用带孔的导电材料制备而成，阳极孔目数大于等于10目，阴极采用厚度小于等于100μm的导电材料制备而成。
进一步的，阳极为金属网，阴极为金属萡片。
进一步的，pvc-gel薄膜的表面形状为平面状、鱼鳞状或波浪状。
进一步的，pvc-gel薄膜的两侧施加100～1000v的直流电压。
具体的，柔性手爪采用3d打印技术或者浇筑方式制作而成，柔性手爪的一端通过第一连接扣与驱动器外壳固定连接，另一端通过第二连接扣与顶杆固定连接，柔性手爪与第一连接扣和第二连接扣之间通过螺钉活动连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于电驱动的pvc-gel柔性机械手，柔性手爪通过顶杆与pvc-gel驱动器连接，并在顶杆和pvc-gel驱动器之间设置弹簧，通过对pvc-gel驱动器施加电压使pvc-gel驱动器在厚度方向发生位移并输出力，通过弹簧驱动柔性手爪的张开和闭合。相对于传统机械手爪，基于pvc-gel驱动的柔性手爪能够抓取不同形状的物体，在结构方面相对于传统的气动或者电动控制的机械爪大大的简化。
进一步的，pvc-gel驱动器由多个驱动单元叠加构成，每个驱动单元包括pvc-gel薄膜和设置在其两侧的阴极和阳极，利用pvc-gel的电致变原理，进行叠层设计驱动器，通过对pvc-gel叠层施加直流电压，引起pvc-gel薄膜向阳极网孔的蠕动变形，使pvc-gel薄膜的厚度发生改变，叠层驱动结构产生位移和输出力，驱动手爪的张开和闭合，而且叠层层数越多，产生的驱动力越大，同时柔性手爪在驱动力下能够贴合不同的表面形状。
进一步的，叠层层数不小于3层，叠层层数越多，驱动力越大，当叠层层数过少时，产生的驱动力不足以驱动柔性手爪的动作。
进一步的，将驱动单元设置成不同的形状，使柔性抓手能够适用于不同的安装场合。
进一步的，pvc-gel薄膜的厚度不小于100μm，pvc-gel薄膜厚度较小时，容易在变形过程中破损。
进一步的，阳极采用开孔导电材料是为了在通电过程中，pvc-gel发生蠕变变形，吸附到空隙之中，从而产生位移，阴极材料由厚度不大于100μm的导电材料制成，采用较薄的导电材料，能尽可能的减小叠层驱动器的厚度。
进一步的，施加100～1000v电压能够使驱动pvc-gel叠层驱动器，当所加较小时，不足以使pvc-gel发生蠕变变形，当电压过大时容易击穿pvc-gel。
综上所述，本发明采用pvc-gel叠层驱动驱动柔性手爪，柔性手爪能够抓取不同表面形状的物体，而且能够通过调节所施加的电压使驱动器输出不同的位移和驱动力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明pvc-gel驱动单元及驱动原理图，其中，(a)为施加电压时单层pvc-gel的状态，(b)为施加直流电压后，单层pvc-gel向阳极发生蠕变移动变形的状态；
图2为本发明pvc-gel叠层驱动器图；
图3为本发明柔性手爪结构图。
其中：1.金属网；2.pvc-gel薄膜；3.金属萡片；4.柔性手爪；5.顶杆；6.螺钉；7.驱动器外壳；8.pvc-gel叠层结构；9.第一连接扣；10.弹簧；11.第二连接扣。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种基于电驱动的pvc-gel柔性机械手，机械手的驱动部分采用电活性聚合物(pvc凝胶材料)叠层机构作为驱动器，柔性材料作为手爪，驱动器中的pvc-gel薄膜和柔性手爪均通过增材制造技术完成，根据pvc-gel的电致变原理，通过叠层设计驱动结构，通过对装置施加不同直流电压，能够得到不同的输出位移和输出力。
本发明一种基于电驱动的pvc-gel柔性机械手，包括pvc-gel驱动器、柔性手爪4和顶杆5，pvc-gel驱动器，柔性手爪4的一端固定在pvc-gel驱动器的驱动器外壳7上，另一端固定在顶杆5上，顶杆5通过弹簧10与pvc-gel驱动器连接，通过给pvc-gel驱动器施加直流电压使pvc-gel驱动器在厚度方向产生位移并输出力进而驱动柔性手爪4的张开和闭合。
pvc-gel驱动器包括驱动器外壳7，pvc-gel薄膜2，阳极和阴极，阳极和阴极贴合在pvc-gel薄膜2的两侧，作为一个驱动单元，多个驱动单元相互叠加构成pvc-gel叠层结构8，pvc-gel叠层结构8引出正负电极组成pvc-gel驱动器，pvc-gel叠层结构8的上部与弹簧10连接，通过弹簧10对pvc-gel叠层结构8进行预压缩，通过对pvc-gel叠层结构8施加直流电压，引起pvc-gel薄膜2向阳极网孔的蠕动变形，使pvc-gel薄膜2的厚度发生改变，叠层驱动结构产生位移和输出力，驱动柔性手爪4的张开和闭合。
优选的，叠层层数不小于3层，驱动单元的形状包括方形、矩形、圆形或六边形。
pvc-gel薄膜2采用3d打印技术或者浇筑方式制备而成，厚度不小于100μm，阳极采用带孔的导电材料制备而成，阳极孔目数不小于10目，如金属网1；阴极采用厚度不小于80μm的导电材料制备而成，如金属萡片3。
优选的，pvc-gel薄膜2的表面为平面状、鱼鳞状、波浪状等形状。
请参阅图1，pvc-gel驱动器的驱动原理是：将金属网1和金属箔片3牢固贴合在pvc-gel薄膜2的两侧，给pvc-gel薄膜2的两侧施加100～1000v的直流电压，在电场的作用下pvc-gel薄膜2中的负电荷由电场阴极向阳极移动并累积在阳极表面，此时pvc-gel薄膜2会以静电吸附的方式快速产生蠕动变形，pvc-gel薄膜2会向网格中蠕动，使整体产生收缩位移，当撤去电压后，pvc-gel薄膜2又能从金属网孔中形变回原始状态，实现类似人体肌肉的收缩和扩张功能，可灵活地应用于软体机器人中驱动器结构设计与制造。
柔性手爪4采用3d打印技术或者浇筑方式制作而成，能够根据接触物体的表面的不同调整不同的形态。
柔性手爪4的一端通过第一连接扣9与驱动器外壳7固定连接，另一端通过第二连接扣11与顶杆5固定连接，柔性手爪4与第一连接扣9和第二连接扣11之间通过螺钉6活动连接。
本发明一种基于电驱动的pvc-gel柔性机械手的制作过程如下：
s1、通过3d打印或者浇筑技术得到pvc-gel薄膜2；
s2、将电源阳极和阴极贴合在pvc-gel薄膜2的两侧，作为一个驱动单元；
s3、将步骤s2中制作的驱动单元进行叠层构成pvc-gel叠层结构8，将pvc-gel叠层结构8放入驱动器外壳7内，引出正负电极，制成pvc-gel驱动器；
s4、驱动器外壳7内安装一根弹簧10对pvc-gel叠层结构8进行压缩预紧；
s5、通过3d打印或者浇筑等技术制成柔性手爪4；
s6、通过多个连接扣将pvc-gel驱动器和柔性手爪4连接在一起组成基于电驱动的pvc-gel柔性机械手。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
pvc-gel驱动单元制作过程如下：
利用直写3d打印技术打印直径为40mm，厚度为300μm的圆形pvc-gel薄膜2，通过激光切割100目不锈钢钢丝网1和10μm不锈钢萡片3；
将通过3d打印得到的圆形pvc-gel薄膜2与不锈钢金属网1和不锈钢金属萡片3贴合在一起，不锈钢金属网1作阳极，不锈钢金属萡片3作阴极。
请参阅图2，将pvc-gel驱动单元在驱动器外壳7中进行叠层得到pvc-gel叠层结构8，在驱动器中安装一根弹簧10进行预压缩pvc-gel叠层结构8，使pvc-gel驱动单元之间紧密结合，通过第一连接扣9、第二连接扣11用螺钉6将顶杆5和柔性手爪4连接在一起。
对引出的正负极施加400v的直流电压，pvc-gel驱动器会在叠层方向产生上下位移。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。