一种基于静电原理的层阻塞变刚度结构及其制备方法与流程

本发明属于变刚度技术领域，涉及一种基于静电原理的新型层阻塞变刚度方法，尤其是一种基于静电原理的层阻塞变刚度结构及其制备方法。

背景技术：

软体机器人对环境的适应性强，交互安全性高，在医疗、军事、工业等各个领域的应用潜力都不容小觑，目前已经成为一个热门研究领域。软体机器人一般是由超弹性材料制作，本体柔软，拥有无限自由度，这就导致机器人本体刚度不足以满足某些需要抵抗相应的力的情况下的使用要求，这严重的限制了软体机器人的发展，因此，控制软体机器人的刚度变化成为了突破其目前发展瓶颈的重要的技术之一。针对现在软体机器人领域变刚度研究，阻塞变刚度方法因为其设计简单、成本低、不需要依赖温度等优势被广泛应用于软体机器人变刚度的需求中。

阻塞变刚度方法主要分为颗粒阻塞和层阻塞两种，利用颗粒阻塞技术，研究人员已经设计出了很多令人印象深刻的结构，实现了许多不能刚度变化的软体机器人不能实现的功能，基于阻塞变刚度的软体抓手可以抓取各种形状的物体，拥有在流体状态下的高变形和固体状态性刚度大幅度增加的能力，并且不会发生较大的体积变化，但是颗粒阻塞变刚度的实现，需要大量的阻塞颗粒，且大部分机械性能的干扰还不得而知。另外，当软体机器人系统在狭窄的工作空间进行作业时，比如说对灵巧性要求较高的侵入性手术器械、柔软蛇形机器人导航以及软体康复手来说，颗粒阻塞变刚度就存在重量大、控制不精确，且需要真空设备抽取负压等问题。

层阻塞变刚度技术已经在软体机器人、肢体康复、多功能接口、建筑结构等许多领域都展示出了巨大的应用潜力，但是气动层阻塞技术也存在需要真空设备抽取负压的问题。相比之下，基于静电原理的新型层阻塞变刚度方法优势更大，更适合于对整体灵活性、控制精度和重量要求高的场合。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于静电原理的层阻塞变刚度结构及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于静电原理的层阻塞变刚度结构，包括基底柔性电极，以及结构相同的正极材料层和负极材料层，柔性电极分别嵌入在正极材料层和负极材料层中，且正极材料层和负极材料层的表面紧密接触，在施加直流电压时，正极材料层和负极材料层之间能够通过静电力产生摩擦，抵抗相对运动。

本发明进一步的改进在于：

柔性电极采用铝箔。

整个结构有若干正极材料层和负极材料层层叠而成，使得在施加直流电压时，相接处的正极材料层和负极材料层之间能够通过静电力产生摩擦。

正极材料层和负极材料层的表面还设置有绝缘保护层。

正极材料层和负极材料层为碳脂。

绝缘保护层为粘贴在碳脂表面的pi薄膜胶带。

一种基于静电原理的层阻塞变刚度结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在纸张一端粘贴铝箔作为接入柔性电极；

步骤2：将裁剪好的掩膜放在纸张上；

步骤3：在纸张表面均匀涂抹碳脂，碳脂涂抹完毕后，取下掩膜，粘贴上pi薄膜胶带，得到一个材料层；

步骤4：根据需要重复步骤1-3制作多个材料层；将若干材料层层叠设置，接入电极的材料层正负间隔布置，使得在施加直流电压时，相接处的正极材料层和负极材料层之间能够通过静电力产生摩擦。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于静电原理的新型层阻塞变刚度方法，可以通过更改外部电压来调节结构的刚度变化，使得控制更加方便，并能通过应用不同绝缘材料实现不同的刚度可控范围。另外，本发明不需要使用阻塞颗粒和气泵抽取负压，进一步简化了整体结构的设计。除了可以实现大范围的刚度变化，基于静电原理的新型层阻塞变刚度方法还有重量轻、结构简单、制造成本低、制造周期短等优势，为软体机器人的刚度变化提出了新的解决方案。

附图说明

图1为静电层阻塞理论建模原理图；

图2-a为静电层阻塞典型结构a示意图；

图2-b为静电层阻塞典型结构b示意图；

图2-c为静电层阻塞典型结构c示意图；

图2-d为静电层阻塞典型结构d示意图；

图3为静电力理论曲线图；

图4-a为初始状态的抗拉刚度及抗弯刚度对比图；

图4-b为抽取负压变刚度的抗拉刚度及抗弯刚度对比图；

图4-c为通过静电原理变刚度的抗拉刚度及抗弯刚度对比图。

其中：1-负极材料层；2-正极材料层；3-柔性电极；f-外力；m-外转矩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和2，本发明基于静电原理的层阻塞变刚度结构，包括连接正负极的负极材料层1、正极材料层2、嵌入材料层的柔性电极3以及可以控制输出的直流电压。施加直流电压时，电极上的电荷会因为电容效应而积累，然后根据库伦定律，带有异种电荷的电极将会互相吸引，静电力会让两个材料层之间产生摩擦，抵抗相对运动，同时达到改变整个结构刚度的目的。图2-a，图2-b，图2-c，图2-d所示为静电层阻塞典型的a、b、c、d四种布置方案，接入电极的材料层正负间隔布置。

本发明的原理：

如图1所示，本发明基于静电原理的层阻塞变刚度结构，可以用于对软体机器人刚度的控制，解决软体机器人刚度不足的问题。本发明包括对现有变刚度技术的改进，变刚度的实现方式不依赖于气泵抽取负压，且不需要阻塞颗粒，仅通过带电材料层之间的静电力进一步转化为摩擦力实现刚度变化。

如图3所示，静电力f和材料层之间的距离d呈指数递减关系。当两个电极板之间的距离是另外两个电极板之间的两倍时，静电力的关系为四分之一，这个特性使得设计时只需要考虑相邻两层的作用关系即可。

本发明的工作过程：

如图4所示，图4-a为初始状态，图4-b为抽取负压变刚度，图4-c为通过静电原理变刚度，在三种不同的情况下，相同结构的抗拉刚度和抗弯刚度呈现出不同的原理和状态，图4-c应用了本发明的可变刚度软体结构，对柔性电极3施加直流电压时，电极上的电荷会因为电容效应而积累，然后根据库伦定律，带有相反电荷的电极将会互相吸引，静电力会让两个材料层之间产生摩擦，在外力和弯矩作用下，静电层阻塞结构会抵抗相对运动，同时达到改变整个结构刚度的目的。

本发明采用材料之间的静电力产生摩擦——“静电层干扰”的方式来实现刚度可调，为了实现阻塞变刚度，材料的层与层之间通过静电力挤压在一起，不再需要提供真空环境，并且电子控制系统相比于气路控制系统更容易集成，这将在很大程度上降低设计的复杂程度，加大整体的灵活性。

本发明可提供的压力上限取决于外部电压和绝缘材料的介电常数以及结构设计参数。柔性电极3嵌入在具有绝缘能力的柔性负极材料层1和正极材料层2的内部；负极材料层1和正极材料层2具有图2所示的典型分布形式，并且按照排布规律可扩展。本发明可通过控制外部电压来控制整体结构的刚度变化。本发明并不仅仅局限于软体机器人领域的使用，可以在任何能提供直流电压且需要刚度变化的场合，实现刚度变化。

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。