一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器及其组件的制作方法

本发明属于机械仿生学领域中的一种并联柔性驱动器，特别涉及一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器及其组件。

背景技术：

仿生机器人在海洋资源探索、环境监测、生物观测、考古打捞、灾难搜救和军事搜索侦察等领域具有广泛的应用价值和前景，目前成为科学研究和技术发展研究热点之一。随着仿生学、智能材料与结构和控制等学科的发展，采用新型仿生材料和仿生驱动方式逐步成为仿生机器人的主要发展趋势。因此，新型智能材料越来越多地用于仿生机器人的开发，主要包括形状记忆合金(sma)、压电陶瓷(pzt)、超磁致伸缩薄膜(gmf)和电活性聚合物材料等。与其它智能材料的伸缩变形相比，电活性聚合物材料在电压作用下产生弯曲变形，与生物的运动形式，例如鱼尾的摆动，鱼鳍、鸟类和昆虫等的扇动，爬行动物足部的弯曲运动等，十分相似，因此在仿生驱动中具有更大优势。

电活性聚合物材料通常由电极-离子聚合物-电极构成三明治复合结构，在外界1-5v电压作用下，离子交换膜中的离子和水会发生迁移现象，使得电极两侧附近含水量不一致，从而导致电活性聚合物材料可以产生厘米级弯曲大变形。它主要包含两大类型：一类材料中使用离子交换膜为芯层离子聚合物，含有一定水分，能够直接工作于水环境或者潮湿空气环境，例如离子聚合物-金属复合材料；另一类材料中离子聚合物含有一定的离子液体，可以工作在空气环境，例如巴克凝胶驱动材料(bga)、碳驱动材料、导电聚合物驱动材料(cpa)、导电互穿插聚合物网络驱动材料(conductinginterpenetratedpolymernetwork)等。

目前，影响电活性聚合物材料作为仿生驱动器使用的瓶颈问题是单片电活性聚合物材料驱动力太小。已有研究提出通过多片电活性聚合物材料并联驱动来提高驱动力，主要包括两类：一类并联结构只能叠加驱动材料单元在某一方向上的变形，产生整体直线驱动的效果，不能直接用于前述仿生驱动；另一类并联结构在材料面内并行分布多片材料，单位面积的驱动力仍然不能得到提升。因此，推动电活性聚合物材料在仿生驱动器领域的应用，关键在于提升电活性聚合物驱动器的整体驱动性能。

技术实现要素：

为了解决单片电活性聚合物材料作为驱动器驱动力小，而现有并联结构不能有效提升驱动器的弯曲驱动性能——弯矩的技术问题，本发明提出一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器及其组件，其能大幅提升驱动器的弯矩。

本发明的解决方案是：一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器，包括并列式分布的且呈膜状的多片驱动单元；多片驱动单元的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，使得所述并联柔性驱动器整体呈扇形；每个驱动单元包括采用基于电压作用下能够产生弯曲变形的电活性聚合物制成的至少一片驱动件；属于同一个驱动单元中的驱动件从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度相同，并在平行于相应驱动单元的膜平面方向上平行平铺；属于不同驱动单元中的驱动件从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度不相同。

作为上述方案的进一步改进，所述电活性聚合物为离子聚合物-金属复合材料、巴克凝胶驱动材料、碳驱动材料、导电聚合物驱动材料、导电互穿插聚合物网络驱动材料中的至少一种电活性聚合物。

作为上述方案的进一步改进，驱动件的初始弯曲程度由通过给平直无变形的驱动件施加不同幅度电压产生的不同程度的弯曲变形决定。

作为上述方案的进一步改进，驱动件的形状为等厚度的长方形条状膜，或为变截面和/或变厚度的条状膜。

作为上述方案的进一步改进，驱动单元的位置呈等间隔对称分布，或呈非均匀间隔和/或非对称分布。

作为上述方案的进一步改进，属于同一个驱动单元中的驱动件，相互之间采用不同形状配合驱动。

作为上述方案的进一步改进，驱动件的形状通过溶液铸膜的工艺制造。

作为上述方案的进一步改进，驱动件的不同初始弯曲程度通过对驱动件进行热处理实现。

作为上述方案的进一步改进，所述并联柔性驱动器还包括：

固定夹具一，其固定在所述汇聚端，实现这些驱动件在所述汇聚端的固定；

固定夹具二，其固定在所述散开端，实现这些驱动件在所述散开端的固定。

本发明还提供一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器组件，其包括多个上述任意一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器；所有并联柔性驱动器在垂直于并联柔性驱动器的扇形面方向上累加且两端对齐，所有汇聚端和所有散开端分别呈直线布局；在垂直于并联柔性驱动器的扇形面方向上，同一排列的驱动件从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度相同，不同排列的驱动件从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度不相同。

作为上述方案的进一步改进，其采用以下其中一种构造方式组装：

构造方式一：先将长度相同且初始弯曲程度相同的多片驱动件在同一平面上平行平铺且两端对齐，组装成一片驱动单元，并由此方式组装出多片驱动单元；再将多片驱动单元的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，组装成一个并联柔性驱动器，由此方式组装出多个并联柔性驱动器，其中，那些属于不同驱动单元中的驱动件从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度不相同；最后将多个并联柔性驱动器在垂直于相应并联柔性驱动器的扇形面方向上累加且两端对齐，所有汇聚端和所有散开端分别呈直线布局，组装出一个并联柔性驱动器组件，其中，在垂直于并联柔性驱动器的扇形面方向上，同一排列的驱动件从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度相同，不同排列的驱动件从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度不相同；

构造方式二：先将长度相同且初始弯曲程度相同的多片驱动件在同一平面上平行平铺且两端对齐，组装成一片驱动单元，并由此方式组装出多片驱动单元；再将多片驱动单元在同一平面上平行平铺且两端对齐，组成一片呈分布式组件，并由此方式组装出多片分布式组件，其中，同一片的分布式组件中的驱动件长度相同且初始弯曲程度相同；最后将多片分布式组件的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，组装成并联柔性驱动器组件，其中，不同片的分布式组件中的驱动件长度相同且初始弯曲程度不相同。

构造方式三：结合上述两种构造方式混合组装。

本发明的基于电活性聚合物的并联柔性驱动器，主要应用于水下机器鱼的仿生鱼鳍和鱼尾摆动驱动、扑翼飞行的扇动和爬行机器人腿部弯曲驱动等大弯矩驱动场合，能够极大促进电活性聚合物材料在仿生机器人领域的推广和使用。

附图说明

图1为本发明实施例1基于电活性聚合物的并联柔性驱动器的三维结构示意图。

图2为图1中并联柔性驱动器采用的驱动单元的结构图。

图3为图1中驱动单元采用的驱动件的类型图。

图4为图1中并联柔性驱动器在垂直于膜平面方向上，不同驱动单元可能的分布形式图，其中，左边区域为等间隔对称分布，中间区域为变间隔对称分布，右边区域为非对称分布。

图5为图1中并联柔性驱动器的状态变化图，其中，区域(b)为加载电压为零时初始形状，区域(a)和区域(c)分别为左侧和右侧加载正向电压时整体弯曲变形的示意形状。

图6为本发明实施例2基于电活性聚合物的并联柔性驱动器组件的三维结构示意图。

图7为图6的并联柔性驱动器组件的横截面分布图。

图8为图6中并联柔性驱动器组件的其中一部分驱动单元的状态变化图，其中，区域(a)为初始形状，区域(b)和区域(c)分别为不同单元加载相同和不同极性电压时变形的示意形状，加载不同电压时能够产生扭转弯曲变形。

图9为阵列式并联弯曲型驱动器的截面构成示意图，区域(a)为多个扇形组件平行平铺构成的截面；区域(b)为多个分布式组件在膜平面垂直方向并联叠加构成的截面；区域(c)为前述两种构造方式混合组装构成的截面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器，主要是为了克服电活性聚合物驱动器驱动力小这一瓶颈问题，应用于水下机器鱼的仿生鱼鳍和鱼尾摆动驱动、扑翼飞行的扇动和爬行机器人腿部弯曲驱动等大弯矩驱动场合。这种并联弯曲型驱动器适用于电压作用下产生弯曲变形的各种膜状电活性聚合物材料，主要包括适合于水环境使用的离子聚合物-金属复合材料(ipmc)和空气中使用的巴克凝胶驱动材料(bga)、碳驱动材料、导电聚合物驱动材料(cpa)、导电互穿插聚合物网络驱动材料(conductinginterpenetratedpolymernetwork)等，主要由汇聚端固定夹具、发散端固定夹具以及不同弯曲程度的电活性聚合物材料组成。

实施例1

请参阅图1，本实施例1的基于电活性聚合物的并联柔性驱动器主要包括三部分：呈膜状的多个片状驱动单元2、一个固定夹具一1、一个固定夹具二2。多片驱动单元2的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，使得所述并联柔性驱动器整体呈扇形。

请结合图2，每个驱动单元2包括采用基于电压作用下能够产生弯曲变形的电活性聚合物制成的多片驱动件14。驱动件14在下文中也称为电活性聚合物单元。所述电活性聚合物为离子聚合物-金属复合材料、巴克凝胶驱动材料、碳驱动材料、导电聚合物驱动材料、导电互穿插聚合物网络驱动材料中的至少一种电活性聚合物。

这些属于同一个驱动单元2中的驱动件14从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度相同，并在平行于相应驱动单元2的膜平面方向上平行平铺。当然，每个驱动单元2也可以采用至少一片驱动件14。属于同一个驱动单元2中的驱动件14，相互之间可以采用不同形状配合驱动。

驱动件14形状可为等厚度的长方形条状膜，或为变截面和/或变厚度的条状膜，如图3所示，根据需要条状电活性聚合物材料裁剪成所示不同形状的电活性聚合物材料10、11、12、13。

因此，在垂直于膜平面方向上，除长方形外，驱动单元2可行的截面形状和厚度形状如图3所示；在平行于膜平面方向上，多个驱动单元形状不同，形成配合驱动的一种分布形状，如图2所示。

驱动单元2的位置可呈等间隔对称分布，或呈非均匀间隔和/或非对称分布，如图4所示，在垂直于膜平面方向上，不同驱动单元可能的分布形式图，其中，左边区域为等间隔对称分布，中间区域为变间隔对称分布，右边区域为非对称分布。

驱动件14的初始弯曲程度由通过给平直无变形的驱动件14施加不同幅度电压产生的不同程度的弯曲变形决定。驱动件14的形状通过溶液铸膜的工艺制造，且不同初始弯曲程度通过对驱动件14进行热处理获得。

本实施例的并联柔性驱动器在电压作用下能够产生大弯矩的弯曲变形驱动。固定夹具一1固定在所述汇聚端，实现这些驱动单元2在所述汇聚端的固定。固定夹具二3固定在所述散开端，实现这些驱动单元2在所述散开端的固定。固定夹具一1在形状上优选采用单夹式，驱动单元2在形状上优选采用多夹式，当然固定夹具一1和固定夹具二3采用什么样的形状、形式都不重要，主要的是要将这些电活性聚合物单元固定好。在其他实施例中，也可以采用强力胶、卡扣之类的对这些电活性聚合物单元进行固定。

并联柔性驱动器的工作原理结合图5可以看出，当不加电时不同电活性聚合物单元初始弯曲程度不同，一端发散一端汇聚。加电产生弯曲变形时，一方面不同材料单元表面不接触，因而不会因为摩擦产生驱动力内耗，另一方面加电弯曲内侧的材料单元弯曲程度增加，两端距离缩短，外侧材料单元弯曲程度减小，两端距离增加。驱动器单元的初始形状和位置能够整体协调变形过程各单元形状，因而能够产生优良的叠加驱动效果，产生大弯矩。

本实施例的并联柔性驱动器在构造时，先将长度相同且初始弯曲程度相同的多片驱动件14在同一平面上平行平铺且两端对齐，组装成一片驱动单元2，并由此方式组装出多片驱动单元2；再将多片驱动单元2的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，组装成一个并联柔性驱动器，其中，那些属于不同驱动单元2中的驱动件14从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度不相同。由此方式可以组装出多个并联柔性驱动器。

实施例2

请参阅图6及图7，与实施例1不同的是，多个实施例1中的基于电活性聚合物的并联柔性驱动器组装成一个基于电活性聚合物的并联柔性驱动器组件。所有并联柔性驱动器在垂直于并联柔性驱动器的扇形面方向上累加且两端对齐，所有汇聚端和所有散开端分别呈直线布局；在垂直于并联柔性驱动器的扇形面方向上，同一排列的驱动件14从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度相同，不同排列的驱动件14从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度不相同。

在平行于膜平面的方向上，长度相同而初始弯曲程度相同的驱动单元2一端对齐且平行平铺(如图8中的区域(a))。当不同电活性材料分布在膜平面内，施加相同电压时产生同向弯曲(如图8中的区域(b))，而施加不同极性电压时，能够产生扭转驱动的效果(如图8中的区域(c))，可用于仿生鱼鳍和仿生翅膀等对流体作用力方向的控制。

请结合图6，与实施例1和实施例2的不同的是，所有驱动单元2布局后的横截面呈阵列式并联弯曲型结构：在垂直于膜平面的方向上，长度相同而初始弯曲程度不同的驱动单元2并联叠加，在平行于膜平面的方向上，长度相同而初始弯曲程度相同的驱动单元2平行平铺。本实施例的并联柔性驱动器在电压作用下不仅能够产生大弯矩的弯曲变形驱动，而且能够产生扭转变形驱动。

在以上几个实施例中，制作长方形等厚度条状电活性聚合物材料构成的并联弯曲型驱动器，以代表性离子聚合物-金属复合材料(ipmc)为例。将nafion膜进行糙化预处理后，切割成等长的长方形条形样片，置于不同曲率半径的圆弧型模具中，经过100℃真空热处理形成不同初始弯曲形状。然后分别进行三次浸泡-还原和三次化学镀沉积电极，经过离子交换和后处理后制得不同弯曲程度的ipmc材料2。然后将一端汇聚，另一端散开进行并联叠加，安装在固定夹具一1和固定夹具二3上，构成并联柔性驱动器。当给各电活性驱动材料单元施加相同电压时，并联柔性驱动器组件整体产生弯曲变形。

请再次参阅图6和7，制作长方形等厚度条状电活性聚合物材料构成的阵列式并联弯曲型驱动器，以巴克凝胶驱动材料(bga)为例。采用聚偏氟乙烯(pvdf)、离子液体和有机溶剂制作芯层离子聚合物层，采用聚偏氟乙烯(pvdf)、离子液体、有机溶剂和碳纳米管制作电极层，通过热压的方式制得的bga材料。将bga材料置于不同曲率半径的圆弧型模具中，经过70℃真空热处理形成不同初始弯曲形状。同一形状的bga驱动器制作3片，先将多片长度相同而初始弯曲程度不同的电活性聚合物单元在垂直于膜平面的方向上并联叠加构成扇形驱动器，然后将多个扇形驱动器平行并联，安装在固定夹具三6和固定夹具四9上，构成阵列式并联弯曲驱动器即并联柔性驱动器组件。也可以先安装多个分布式驱动器即并联柔性驱动器，再安装在固定夹具三6和固定夹具四9上，构成阵列式并联弯曲驱动器。

采用聚偏氟乙烯(pvdf)、离子液体和有机溶剂制作芯层离子聚合物层，采用聚偏氟乙烯(pvdf)、离子液体、有机溶剂和碳纳米管制作电极层。将电极层切割成驱动单元大小，如图9中区域(a)所示，将电极层平行贴于聚合物芯层上下表面，通过热压的方式制得bga材料分布式驱动器。结合图9的区域(b)，将bga分布式驱动器置于不同曲率半径的圆弧型模具中，经过70℃真空热处理形成不同初始弯曲形状19。然后将多个弯曲程度不同的分布式驱动器19在垂直于膜平面的方向上并联叠加构成阵列驱动器。

结合图9的区域(c)，采用多个扇形驱动器18和多个分布式驱动器19，构成阵列式并联弯曲驱动器。

当给不同单元施加相同电压作用时，产生大弯矩的弯曲变形驱动；当给不同扇形驱动单元施加不同电压时，产生扭转变形驱动。

因此，阵列式并联弯曲型结构可以采用以下其中一种构造方式组装：

构造方式一：先将长度相同且初始弯曲程度相同的多片驱动件14在同一平面上平行平铺且两端对齐，组装成一片驱动单元2，并由此方式组装出多片驱动单元2；再将多片驱动单元2的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，组装成一个并联柔性驱动器，由此方式组装出多个并联柔性驱动器，其中，那些属于不同驱动单元2中的驱动件14从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度不相同；最后将多个并联柔性驱动器在垂直于相应并联柔性驱动器的扇形面方向上累加且两端对齐，所有汇聚端和所有散开端分别呈直线布局，组装出一个并联柔性驱动器组件，其中，在垂直于并联柔性驱动器的扇形面方向上，同一排列的驱动件14从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度相同，不同排列的驱动件14从汇聚端到散开端长度相同且初始弯曲程度不相同；

构造方式二：先将长度相同且初始弯曲程度相同的多片驱动件14在同一平面上平行平铺且两端对齐，组装成一片驱动单元2，并由此方式组装出多片驱动单元2；再将多片驱动单元2在同一平面上平行平铺且两端对齐，组成一片呈分布式组件，并由此方式组装出多片分布式组件，其中，同一片的分布式组件中的驱动件14长度相同且初始弯曲程度相同；最后将多片分布式组件的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，组装成并联柔性驱动器组件，其中，不同片的分布式组件中的驱动件14长度相同且初始弯曲程度不相同。

构造方式三：结合上述两种构造方式混合组装。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。