本发明涉及一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构，具体涉及一种利用负刚度弹性元件(预载荷)受力变形特性，达到显著提高EAP驱动单元的输出位移以及输出功。
背景技术：
EAP软材料(Electro-active Polymers)作为一种典型的人工肌肉材料，是近年来新兴的一种智能聚合物材料，既可以用作驱动器将电能转换为机械能，亦可将机械能转换为电能实现发电或传感。应用此材料研制的EAP发电机或作动器与传统的电磁式、压电式发电机或作动器相比，具有能量密度高、电致变形大、柔性可穿戴、驱动-传感一体化、转化效率高、环境影响小、成本低、质量轻等优点，近年来受到越来越多的关注，基于该材料的航天武器装备研究快速发展，包括空间柔性抓捕手、变翼式飞行器、波浪能发电系统等。
通常情况下，介电弹性体驱动器的预载荷弹性元件采用正刚度弹性元件，它是指弹性元件所受载荷增量与相应的变形增量符号相同，如图5所示，驱动器采用压缩弹簧提供预载荷。随着驱动器位移的增大，其压缩量变小，预载荷也变小，导致驱动器输出位移很小。如图6所示，正刚度预载荷结构可以通过调节弹性元件模量进而提高输出位移和输出功，但调节范围有限。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构，包括：
结构支架；
EAP柔性薄膜，所述EAP柔性薄膜安装在所述结构支架上并通过自身刚度的变化进行驱动；
负刚度预载荷，所述负刚度预载荷安装在所述结构支架上，用于根据所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出。
本发明的有益效果是：本发明通过将EAP柔性薄膜和负刚度预载荷结合起来，与现有的机械式、电磁式作动器相比具有结构简单、响应快、无噪音、不生热、电力转化效率高等优点，可以应用到各种柔性驱动结构上，在电刺激下可以快速产生较大的输出位移及输出功。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述负刚度预载荷采用卷簧式负刚度预载荷结构，所述卷簧式负刚度预载荷结构通过第一方向的弹性形变，实现第二方向的动力输出。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用卷簧式负刚度预载荷结构，并通过第一方向的弹性形变，实现第二方向的动力输出，方便调控弹性形变和动力输出的方向，也有利于更精确的计算预载荷输出位移与EAP柔性薄膜刚度变化的关系，可以对负刚度预载荷动力输出的大小进行有效控制。
进一步，所述负刚度预载荷包括四连杆结构和卷簧，所述卷簧的两端分别连接在所述四连杆结构上并通过自身弹性形变配合所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行动力输出，且所述负刚度预载荷输出动力的方向位于所述四连杆结构所在平面上。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用四连杆结构配合卷簧，使整个支撑驱动结构更加稳定可靠。
进一步，所述四连杆结构的第一铰接端连接在所述结构支架上，与所述第一铰接端相对布置的第二铰接端抵接在所述EAP柔性薄膜上；所述卷簧的两端分别连接在相对设置的第三铰接端和第四铰接端上，或所述卷簧的两端分别连接在相对设置的第一铰接端和第二铰接端上，或所述卷簧的两端分别连接在所述四连杆结构中的任意两根连杆上。
采用上述进一步方案的有益效果是：将两个相对的铰接端分别连接在EAP柔性薄膜上和结构支架上，可以实现这两个铰接端之间的往复运动，而且可选多种卷簧的设置方式来为往复运动提供蓄力。
进一步，所述第二铰接端连接有一驱动板并通过该驱动板抵接在所述EAP柔性薄膜的一侧面上。
采用上述进一步方案的有益效果是：在第二铰接端连接一驱动板，可以增大与EAP柔性薄膜的接触面积，使第二铰接端施加在EAP柔性薄膜上的作用力较为均匀稳定，避免对EAP薄膜造成锐性损伤。
进一步，所述四连杆结构各个连杆的长度均相等。
采用上述进一步方案的有益效果是：将四连杆结构的各个连杆长度设置为相等，即采用菱形铰接件，使往复运动的方向在菱形铰接件的一个对角线上，结构更加稳定可靠。
进一步，所述结构支架包括一用于安装所述EAP柔性薄膜的框体和一用于连接所述负刚度预载荷的支架，所述负刚度预载荷输出动力的一端抵接在所述EAP柔性薄膜上并根据所述EAP柔性薄膜刚度的变化进行往复运动。
采用上述进一步方案的有益效果是：将负刚度预载荷和EAP柔性薄膜通过支架和框体连接起来，整体结构更加紧凑，稳固，而且对负刚度预载荷的动力输出起到了有效的支撑。
进一步，所述支架位于所述框体的一侧且其四周边缘通过若干支撑杆连接在所述框体上并与所述框体形成一锥形结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：将支架和框体相对布置并通过若干支撑杆进行连接，使支架和框体之间预留出一定的空间，当负刚度预载荷在运动的时候，可以防止对负刚度预载荷造成阻碍；而且将支架和框体连接形成一个锥形结构，有利于负刚度预载荷的连接和动力输出，节约了整个驱动结构的安装空间。
进一步，所述框体为两个且采用有机玻璃材质制成，所述EAP柔性薄膜的四周边缘夹在两个所述框体之间；所述EAP柔性薄膜的两个侧面分别涂覆有碳膏并分别引出有导线。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用有机玻璃材质制成两个框体，并将EAP柔性薄膜四周边缘夹在两个框体之间，为EAP柔性薄膜起到了有效稳定的支撑，避免对EAP柔性薄膜造成大力的撕扯；在EAP柔性薄膜的两个侧面涂覆碳膏，有利于电压信号的输入。
进一步，所述EAP驱动结构通过在所述EAP柔性薄膜的顶面和底面上施加交变电压信号实现其刚度的变化。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用交变电压信号，可以实现EAP柔性薄膜的反复伸缩变化，进而负刚度预载荷的往复动力输出。
附图说明
图1为本发明的基于负刚度预载荷EAP驱动结构的立体结构示意图；
图2为本发明的基于负刚度预载荷EAP驱动结构的立体爆炸结构示意图；
图3为本发明的EAP柔性薄膜变形机理坐标图；
图4为本发明的EAP柔性薄膜变形原理图；
图5为EAP柔性薄膜采用正刚度弹性元件时的变形原理图；
图6为EAP柔性薄膜采用正刚度弹性元件时的变形机理坐标图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、结构支架；11、EAP柔性薄膜；12、框体；13、支架；14、支撑杆；2、负刚度预载荷；21、四连杆结构；211、上菱形杆；212、下菱形杆；22、卷簧；23、驱动板；24、顶板连接件；25、驱动板连接件；26、卷簧固定件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，本实施例的一种基于负刚度预载荷EAP驱动结构，包括：
结构支架；
EAP柔性薄膜11，所述EAP柔性薄膜11安装在所述结构支架上并通过自身刚度的变化进行驱动；
负刚度预载荷2，所述负刚度预载荷2安装在所述结构支架上，用于根据所述EAP柔性薄膜11刚度的变化进行动力输出。
本实施例的EAP柔性薄膜11型号为VHB4910，初始状态为：经过双周拉伸系统将薄膜沿X、Y双方向各拉伸300-500％，采用单层、双层均可。
为了能够充分利用介电弹性体大变形的特点，驱动器的理想预载荷曲线应该处于驱动器的两条不同刚度曲线的之间，尽可能增大驱动器的两个工作平衡点，因此通过一个负刚度预载荷机构来实现。负刚度预载荷是指广义弹性元件所受载荷增量与弹性元件变形增量符号相反，即随着驱动器位移的增大，虽然弹性元件的变形减小，但经过负刚度机构转换得到的载荷增大，将其作为预载荷，可增大驱动器两个工作平衡点之间的距离，即增大驱动器的输出位移。在驱动器中，采用负刚度预载荷机构可以产生比正刚度弹性元件更大的输出位移以及输出功。本实施例通过将EAP柔性薄膜和负刚度预载荷结合起来，与现有的机械式、电磁式作动器相比具有结构简单、响应快、无噪音、不生热、电力转化效率高等优点，可以应用到各种柔性驱动结构上，在电刺激下可以快速产生输出位移并做功。
本实施例的EAP软材料在没有任何约束的情况下，在电刺激下只能发生面内变形，而基于EAP软材料的变形特性进行相应的结构设计进而可以实现结构的三维变形；本实施例的EAP薄膜有两种工作模式，分别如下所示：
(1)驱动模式。EAP薄膜两侧敷有柔性电极，施加电压后，两面电极上的异性电荷相互吸引，EAP薄膜在静电场作用下，厚度变薄、面积变大，完成电能向机械能转换。
(2)发电模式。此模式下EAP薄膜本身可以看做电容，EAP薄膜受外力拉伸时，其面积变大，厚度变小，电容量增加，给EAP薄膜施加一定的电压后，让EAP薄膜自由收缩时，由于EAP薄膜厚度增加、面积变小，其电容值也变小，由于电荷量不变，则电极间电压增加，EAP薄膜上电荷的电能增加，由此实现机械能向电能的转化，其本质为电容式发电。
本实施例基于EAP材料驱动特性研制的EAP驱动结构具有结构简单、重量轻、能量转换率高等优点，通过将EAP材料预拉伸处理，可以进一步提高结构的输出特性。目前有卷轴型、锥形、延伸型、管型等等，而且EAP驱动结构制作、加工简单，在工作过程中具有较高的稳定性，较大的输出位移和输出功，因此具有很好的应用前景。
本实施例的EAP驱动结构变形机理如图3、4所示：
(1)点1到点2为介电弹性体刚度下降过程。通电前，介电弹性体刚度曲线fa(y)与预载荷力-位移曲线fc(y)相互平衡点(点1)。通电后，在静电压力的作用下，介电弹性体刚度曲线下降，得到曲线fb(y)，此时其回复力也会下降(点2)。
(2)点2到点3为驱动器位移输出过程。驱动器保持通电状态，介电弹性体回复力小于预载荷，在力差ΔF1作用下，驱动器产生由y1到y2的相对位移。当介电弹性体回复力与预载荷再次相互平衡时，则驱动器达到新的平衡点(点3)。
(3)点3到点4为介电弹性体刚度上升过程。驱动器断电时，介电弹性体所受到的静电压力作用突然消失，介电弹性体刚度曲线变为曲线fa(y)，其回复力突然增大(点4)。
(4)点4到点1为驱动器位移反向输出过程。驱动器保持断电状态，介电弹性体回复力大于预载荷，驱动器产生由y2到y1的反向位移。当介电弹性体回复力与预载荷达到相互平衡时，则驱动器回到原来的初始平衡位置(点1)。
由此可以看出，在通电与断电时，驱动器存在两条不同的刚度曲线分别为曲线fa(y)和曲线fb(y)，点1、3分别是驱动器的两个工作平衡点，因此介电弹性体驱动器就是利用通、断电时刚度不同并与预载荷曲线进行相互平衡的原理进行工作的，达到向外输出位移和力的功能。由1、2、3、4四个点所包围的面积就是在一个工作过程中驱动器所做的功。如果要获得较大的输出位移，则应尽可能扩大在两个平衡点(点1与点3)之间的距离，且能增大驱动器的输出功，因此选择合适的预载荷机构至关重要。
如图1和图2所示，本实施例的所述负刚度预载荷2采用卷簧式负刚度预载荷结构，所述卷簧式负刚度预载荷结构通过第一方向的弹性形变，实现第二方向的动力输出。例如，如图2所示，本实施例采用的卷簧式负刚度预载荷结构通过在左右方向的弹性形变，实现了上下方向的动力输出。当然，也可以通过上下方向的弹性形变，实现左右方向的动力输出，这与卷簧式负刚度预载荷结构的安装位置相关联。采用卷簧式负刚度预载荷结构，并通过左右方向的弹性形变，实现上下方向的动力输出，方便调控弹性形变和动力输出的方向，也有利于更精确的计算预载荷输出位移与EAP柔性薄膜刚度变化的关系，可以对负刚度预载荷动力输出的大小进行有效控制。
如图1和图2所示，本实施例的所述负刚度预载荷2包括四连杆结构21和卷簧22，所述卷簧22的两端分别连接在所述四连杆结构21上并通过自身弹性形变配合所述EAP柔性薄膜11刚度的变化进行动力输出，且所述负刚度预载荷2输出动力的方向位于所述四连杆结构21所在平面上。采用四连杆结构配合卷簧，使整个支撑驱动结构更加稳定可靠，不需要借助滑块等就能实现往复运动。卷簧用于提供初始预加载应力，初始状态处于拉伸状态。
如图1和图2所示，本实施例的所述四连杆结构21的第一铰接端连接在所述结构支架上，与所述第一铰接端相对布置的第二铰接端抵接在所述EAP柔性薄膜11上；所述卷簧22的两端分别连接在相对设置的第三铰接端和第四铰接端上，或所述卷簧22的两端分别连接在相对设置的第一铰接端和第二铰接端上，或所述卷簧22的两端分别连接在所述四连杆结构21中的任意两根连杆上。将两个相对的铰接端分别连接在EAP柔性薄膜11上和结构支架上，可以实现这两个铰接端之间的往复运动，而且可选多种卷簧的设置方式来为往复运动提供蓄力。
如图1和图2所示，本实施例的所述四连杆结构21各个连杆的长度均相等。将四连杆结构的各个连杆长度设置为相等，即采用菱形铰接件，使往复运动的方向在菱形铰接件的一个对角线上，结构更加稳定可靠。
如图1和图2所示，本实施例的四连杆结构21包括两根上菱形杆211和两根下菱形杆212，两根所述上菱形杆211的上端分别铰接在顶板连接件24上并形成所述第一铰接端；两根所述下菱形杆212的下端分别铰接在所述驱动板连接件25上并形成所述第二铰接端；所述上菱形杆211的下端与所述下菱形杆212的上端铰接形成第三铰接端和第四铰接端。
具体的，两个所述下菱形杆212的上端分别形成有一U型连接部，两个所述上菱形杆211的下端分别插接在两个所述U型连接部内并通过卷簧固定件26与所述U型连接部进行铰接；然后再将卷簧22的两端分别连接在两个所述卷簧固定件26上即可。
另外，所述顶板连接件24和所述驱动板连接件25也均采用U型结构，所述上菱形杆211的上端和所述下菱形杆212的下端也分别铰接在对应的U型结构内。U型结构的顶板连接件24的底部连接在所述支架13下侧面的中心位置，U型结构的驱动板连接件25的底部连接在所述驱动板23上侧面的中心位置。
如图1和图2所示，本实施例的所述第二铰接端连接有一驱动板23并通过该驱动板23抵接在所述EAP柔性薄膜11的一侧面上。在第二铰接端连接一驱动板23，可以增大与EAP柔性薄膜11的接触面积，使第二铰接端施加在EAP柔性薄膜11上的作用力较为均匀稳定，避免对EAP薄膜造成锐性损伤。
如图1和图2所示，本实施例的所述结构支架包括一用于安装所述EAP柔性薄膜11的框体12和一用于连接所述负刚度预载荷2的支架13，所述负刚度预载荷2的一端连接在所述EAP柔性薄膜11上并根据所述EAP柔性薄膜11刚度的变化进行往复运动。将负刚度预载荷和EAP柔性薄膜通过支架和框体连接起来，整体结构更加紧凑稳固，而且对负刚度预载荷的动力输出起到了有效的支撑。
如图1和图2所示，本实施例的所述支架13位于所述框体12的一侧且其四周边缘通过若干支撑杆14连接在所述框体12上并与所述框体12形成一锥形结构。将支架和框体相对布置并通过若干支撑杆进行连接，使支架和框体之间预留出一定的空间，当负刚度预载荷在运动的时候，可以防止对负刚度预载荷造成阻碍；而且将支架和框体连接形成一个锥形结构，有利于负刚度预载荷的连接和动力输出，节约了整个驱动结构的安装空间。
如图1和图2所示，本实施例的所述框体12为两个且采用有机玻璃材质制成，所述EAP柔性薄膜的四周边缘夹在两个所述框体之间。采用有机玻璃材质制成两个框体，并将EAP柔性薄膜四周边缘夹在两个框体之间，为EAP柔性薄膜起到了有效稳定的支撑，避免对EAP柔性薄膜造成大力的撕扯。
本实施例的一个具体方案为，所述EAP驱动结构通过在所述EAP柔性薄膜11的两个侧面上施加电压信号实现其刚度的变化。
本实施例的一个优选方案为，所述电压为交变电压信号。采用交变电压信号，可以实现EAP柔性薄膜的反复伸缩变化，进而负刚度预载荷的往复动力输出。
本实施例的一个具体方案为，所述EAP柔性薄膜11的两个侧面分别涂覆有碳膏并分别引出有导线。在EAP柔性薄膜的两个侧面涂覆碳膏，有利于电压信号的输入。
如图1和图2所示，本实施例的顶板连接件采用圆形板状结构，可在顶板连接件上开设若干孔，以利于安装其他部件。所述驱动板连接件采用圆环型结构，以使EAP柔性薄膜在进行形变的时候受力均匀。所述驱动板也采用圆形板状结构。本实施例基于负刚度预载荷EAP驱动结构在进行安装的时候，将顶板连接件、驱动板连接件和驱动板分别平行布置，并使它们的中心轴线重合，以利于驱动力的稳定输出。
另外，本实施例的支撑杆14优选为三根，均匀连接在顶板连接件24和驱动板连接件25之间，顶板连接件24的直径小于驱动板连接件25的直径，支撑杆14将顶板连接件24和驱动板连接件25连接起来，使整个驱动结构呈圆台型锥形结构。四连杆结构的左右两端分别从相邻两个支撑杆之间伸出一小部分或位于圆环形的驱动板连接件内侧。
本实施例在具体使用时，弹簧处于预拉伸状态，上端固定，下端与EAP驱动片连接，驱动片在薄膜内应力与弹簧拉伸力的垂直分力的相互作用下处于平衡状态。加电后，薄膜受库仑力作用，材料上下表面挤压后变薄，面内松弛，刚度下降内应力下降，驱动片在弹簧拉伸力的垂直分力与内应力的力差作用下向下运动，输出位移，直到两个作用力达到新的平衡；断电后，薄膜上下表面的库仑力消失，薄膜刚度升高，驱动片在内应力与分力的力差作用下向上运动，直到两者达到新的平衡，完成一个循环。可以通过输入一个交变信号，通过电刺激的有无实现锥形驱动器的反复作动。
采用如图所示坐标系，此时可看做整体结构处于通电或断电后两种平衡态其中之一，根据虚功原理(质点或质点系在平衡状态下，所有力在任何虚位移上的虚功之和为零)可求得垂直方向上的等效载荷大小，具体如下：
平衡状态下：
F弹δx＝F预δy (1-1)
弹簧长度：
x＝2Lcosα (1-2)
那么，
δx＝-2Lsinαδα (1-3)
预载荷输出位移：
y＝2Lsinα (1-4)
则
δy＝2Lcosαδα (1-5)
带入公式1-1：
其中：
F弹＝-K(s-s0) (1-7)
则
F预＝-F弹tanα＝K(s-s0)tanα (1-8)
从公式可以看出，由于tanα在0-90°区间内是增函数，因此，四连杆结构相邻两个边的夹角α从0°变化到90°的过程中，预载荷随着夹角α的增大而增大，也就是说整个驱动器在极限电压范围内，施加的电压越高，薄膜刚度越低，驱动片受外力输出的位移越大，带来的夹角变化越大，预载荷输出力也越大。
本实施例的EAP驱动结构与现有机械式、电磁式作动器相比具有结构简单、响应快、无噪音、不生热、电力转化效率高等优点，应用于各种柔性驱动结构上，电刺激下可快速产生输出位移并做功，具有很好的应用前景。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。