一种竹节式复合弯曲驱动器的制作方法

本申请涉及驱动器领域，特别涉及为一种竹节式复合弯曲驱动器。
背景技术：
：在近年来随着社会经济的不断发展，在计算机科学、自动化控制、机器人形态学等科学领域发展的推动下，机器人正在人类社会扮演着越来越重要的角色，其足迹己遍布工业、农业、航空宇航以及军事领域，而且正逐步向医疗、教育、家庭、服务等与人类生活更加密切的全新领域拓展。机器人的任务属性决定了通用性和适应性是机器人的两个最主要特征。通用性是指机器人具有可变的几何构型以实现不同的功能和完成多样性任务的能力。适应性要求机器人能够对周围环境进行感知，并能够通过改变自身的几何结构适应不同的工作环境，进行复杂的运动最终完成目标任务。而传统的刚性机器人无法通过简单的结构设计来实现上述功能。因而具有柔顺度高，灵活性好、结构简单，成本低的软体机器人应运而生。通常软体机器人采用的驱动器有形状记忆合金(shapememoryalloy，sma)、丝驱动机构(tendon-drivenmechanisms)、电活性聚合物(electroactivepolymer，eap)、人工气动肌肉(pneumaticartificialmuscle，pam)等。形状记忆合金作为一种新型功能材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支，目前主要有三类：niti基、cu基和fe基，记忆效果较好的是niti基合金。形状记忆合金驱动器利用高温相和低温相相互转变过程中产生的变形或者回复力达到驱动目的。形状记忆合金作为核心材料进行驱动与传统机械或者电磁驱动方式相比，其最显著的特点是：它几乎没有驱动能量的消耗，具有最高的变形能力，因此可以获得较大的驱动行程；它有最高的工作和断裂应力，因此材料本身可以胜任强度要求更高的驱动元件和结构；它有非常高的能量体积比(能量密度)，结合材料本身的相对高强度和niti系合金良好的记忆特性，因此可以提供较大的驱动力。虽然拥有众多优点，但基于形状记忆合金的大转角弯曲驱动器却是少之又少，而大角度弯曲驱动器又是机构运动形式多样化所必须的。形状记忆合金由于受到自身记忆能力及疲劳的限制，单根形状记忆合金无法实现大角度弯曲驱动的能力。虽然通过一定的复合结构能实现较大角度的弯曲，但这又增加了整个装置的体积，会限制其在小型及微型器件中的应用。形状记忆合金驱动器面临的第二个问题为其冷却问题，虽然通过脉宽电流可以在几秒之内使形状记忆合金完成逆相变过程，但却要通过几十秒的时间使之完成相变过程，导致其响应周期过长，频率下降。即使可以通过外加冷却装置(如风冷、气冷或水冷等)使之在较短的时间冷却，但这也会增加装置的体积、质量及成本。技术实现要素：为解决上述技术问题，本申请提供一种转角大、冷却速度快、结构简单、成本低且占用空间小的竹节式复合弯曲驱动器，旨在解决单根形状记忆合金无法实现大角度弯曲驱动的问题，以及形状记忆合金的相变过程较慢的技术问题，使其能够实现大角度转角驱动。本发明采用以下技术方案：一种竹节式复合弯曲驱动器，所述竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域与若干个形变区域相互穿插排布，所述复合区域与所述形变区域均有由形状记忆合金一体化构成的驱动器本体，所述复合区域的本体外由内至外依次复合有电卡材料、表面电极。作为本发明的进一步限定，所述复合区域的形状记忆合金本体与电卡材料之间紧密连接。作为本发明的进一步限定，所述形变区域表面复合有离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层。作为本发明的进一步限定，所述离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层为三层夹心结构，由中间离子交换聚合物和两侧的金属涂镀电极构成。作为本发明的进一步限定，所述中间离子交换复合物为聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)、聚(1,4-亚苯基醚-醛砜)、聚磺化苯醚砜中的一种；所述金属涂镀电极采用为金、铂、钯中的一种或几种。作为本发明的进一步限定，所述形状记忆合金包括镍钛基、铜基系或铁基系形状记忆合金材料的任意一种。作为本发明的进一步限定，所述复合区域的电卡材料的复合方式为全包式复合或覆盖式复合；所述全包式复合为所述电卡材料完全包覆所述复合区域；所述覆盖式复合为所述电卡材料相对不完全的覆盖所述复合区域；所述复合区域截面周长c≥0.8mm，每节所述复合区域电卡材料厚度h≥26.7μm。作为本发明的进一步限定，基于所述本体的轴向方向，所述复合区域的第一长度为l，所述形变区域的第二长度为e，所述第一长度与第二长度满足l≥2e。作为本发明的进一步限定，所述电卡材料包括：pbzro3、(1-x)pb(mg1/3nb2/3)o3-xpbtio3(0.07≤x≤0.35)、srbita2o9、pbsc0.5ta0.5o3、pbmg1/3nb2/3o3或pb0.8ba0.2zro3中的一种或几种。作为本发明的进一步限定，所述本体的横截面包括圆形、三角形、矩形、任意凸多边形和任意凹多边形，所述本体的横截面直径r≥0.1mm。本发明具有以下技术效果：1、通过在形状记忆合金一体化构成的驱动器本体外设置间断式的复合电卡材料与表面电极的复合区域，在表面电极施加电场，电卡材料的极化状态改变，有序化程度提高，熵值减小，电卡材料温度升高，此时通过热传导的方式将热量传递给形变区域的形状记忆合金，形变区域的形状记忆合金进行逆相变过程，由马氏体转变为高弹性的奥氏体，进而进行形变；当电场撤去时，电卡材料从有序态恢复到无序态，熵值增加，电卡材料温度降低，此时电卡材料帮助形变区域的形状记忆合金进行降温，使形变区域的形状记忆合金进行相变过程，由奥氏体转变为马氏体，由于形状记忆合金具有记忆特性，恢复到形变之前的形状和位置。因此，通过竹节式覆盖电卡材料和表面电极的形变记忆合金结构的复合弯曲驱动器能够通过在电卡材料表面电极施加与撤销电场的变换来达到快速进行形变与回位的技术效果，上述技术效果针除pb0.8ba0.2zro3以外正电卡材料适用，对于是pb0.8ba0.2zro3材料在施加与撤销电场时则是相反的效果。2、通过竹节式覆盖电卡材料和表面电极的形变记忆合金结构的复合弯曲驱动器，能够使间隔的形变区域在形变过程中逐渐累加，进而达到最大的变形利用效率，实现大转角弯曲驱动的能力，具有体积小、质量轻、设备集成简单的持点，成本也更低、能量转换率高、工作可靠性较高且无环境污染。3、通过在形变区域外复合离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层，能够在电场改变的情况下，进行离子驱动，进而增加形变区域的形变角度，扩大形变能力，在无电场改变的情况下，可以作为应力传感器，对复合区域的形变进行应力感应，进而做出相应的形变驱动，也起到了增加形变角度的作用。4、离子交换聚合物-金属涂镀电极中的离子交换聚合物采用聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)、聚(1,4-亚苯基醚-醛砜)、聚磺化苯醚砜这些聚合物时，聚合物主链上的芳香族和醚键提供了必要的强度、分子刚度和良好的加工性能，能够增加形变区域的弹性和柔韧性，且成本相对于nafion膜更低。5、在形变区域复合的离子交换聚合物-金属涂镀电极为三层夹心结构，由中间离子交换聚合物和两侧的金属涂镀电极构成，进而形成了当复合区域的表面电极进行电场施加或撤离的过程中，金属涂镀电极也能够促使离子交换聚合物-金属涂镀电极产生离子交换电流和位移电流，进而在形变区域的形状记忆合金进行逆相变过程的同时离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层也进行致动，进一步增加竹节式复合弯曲驱动器的大转角驱动能力。附图说明图1是本申请竹节式复合弯曲驱动器第一种技术方案的结构示意图；图2是本申请竹节式复合弯曲驱动器的复合区域与变形区域截面图；图3是本申请竹节式复合弯曲驱动器第二种方案的结构示意图；图4是本申请第二种方案中形变区域的离子交换复合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜具体结构的示意图；图5是本申请第二种方案中形变区域的离子交换复合物-金属涂镀电极变形时具体结构的示意图；图6是本申请竹节式复合弯曲驱动器的形变时与复原时的结构示意图；图7是本申请竹节式复合弯曲驱动器升温与降温过程中转角随时间变化的温度拟合曲线；图8是本申请竹节式复合弯曲驱动器转角随节数变化关系曲线。图中：1为复合区域；2为形状记忆合金；3为形变区域；4为全包式复合；5为覆盖式复合；6为形变时的复合弯曲驱动器；7为复原时的形状记忆合金；1-1为表面电极；1-2为电卡材料；8为离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层8；8-1为中间离子交换聚合物；8-2为一侧金属涂镀电极，8-3为另一侧金属涂镀电极。具体实施方式下面将结合本申请的实施例中的附图，对本申请的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。需要说明，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。其次，本申请的实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。实施例1参考附图1-2，为本申请提出的一种竹节式复合弯曲驱动器的结构示意图，由图可知，竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域1与若干个形变区域3相互穿插排布，复合区域1与形变区域3均具有由镍钛基形状记忆合金一体化构成的驱动器本体2，复合区域1的本体2外由内至外依次包括srbita2o9与pbmg1/3nb2/3o3的混合物组成的电卡材料1-2、金表面电极1-1，电卡材料1-2在被施加施加/撤回电场，以产生电卡效应。基于本体2的轴向方向，复合区域1的本体2的形状记忆合金的第一长度为l为21cm，形变区域的形状记忆合金的第二长度e为9.5cm。由于在复合区域1复合了电卡材料以及表面电极，所以复合区域1的横截面积大于形变区域3的横截面积，外观形似竹节，因此称为竹节式复合弯曲驱动器。如图2，复合区域1的电卡材料1-2完全包覆在本体2上，为全包式复合4；复合区域截面周长c为0.9mm，每节复合区域电卡材料厚度h为30μm。如图2，本体2的横截面包括圆形、三角形、矩形、任意凸多边形和任意凹多边形，本体2的横截面直径r为0.2mm。具体原理为，竹节式复合弯曲驱动器通过竹节形式累加弯角来完成大转角的弯曲驱动。由上述可知，竹节式复合弯曲驱动器的弯曲过程是通过形状记忆合金2的弯曲来实现的，而形状记忆合金2的弯曲需要受热，因此，在形状记忆合金2上规划若干个复合区域1和若干个形变区域3相互穿插分布，并在若干个复合区域1上设置电卡材料1-2，复合区域1的形状记忆合金2不会产生形变，仅有形变区域3能够产生形变；当需要竹节式复合弯曲驱动器需要发生角度弯曲时，通过表面电极1-1在电卡材料1-2上施加电场，进而电卡材料产生电卡效应，从而电卡材料1-2自身温度升高，通过热传导将热量导入至本体2的形变区域3，进而本体2位于的形变区域3的部位受热而发生弯曲，以达成竹节式复合弯曲驱动器的角度弯曲；如图6所示，通过若干个间隔的形变区域3的角度弯曲不断的累加而形成大角度弯曲；当形状记忆合金2需要复原时，撤销通过表面电极1-1施加于电卡材料1-2的外加电场，进而电卡材料1-2温度降低，形状记忆合金2温度降低，即通过热传导电卡材料1-2吸收形状记忆合金2的热量帮助形状记忆合金2散热，随后，形状记忆合金2完成自动复原，从而完成竹节式复合弯曲驱动器的复原过程。实施例2参考附图2-4，为本申请提出的一种竹节式复合弯曲驱动器，由图3可知，竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域1与若干个形变区域3相互穿插排布，复合区域1与形变区域3具有由铜基系形状记忆合金一体化构成的驱动器本体2，复合区域1的本体2外由内至外依次包括螺旋缠绕本体2的金属丝(附图中未示出)、0.03pb(mg1/3nb2/3)o3-0.07pbtio3电卡材料1-2、导电银浆表面电极1-1。基于所述形状记忆合金的轴向方向，复合区域1的本体2的形状记忆合金的第一长度为l为20.5cm，形变区域的形状记忆合金的第二长度e为10cm；上述金属丝可以是铜丝、铝丝或者铁丝，本申请优选铜丝，金属丝用于加快电卡材料1-2释放/撤回电场的速度，以提升电卡效应的生热/制冷的效率。如图3-4，形变区域3的本体2的外侧复合有由中间离子交换聚合物8-1、金涂镀电极8-2和金涂镀电极8-2构成的三层夹心结构的离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层8；其中，中间离子交换聚合物8-1采用聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)，通过离子聚合物化学电镀工艺进行两侧的金属涂镀电极8-2和金属涂镀电极8-3而制得，分为以下四个步骤：离子聚合物表面粗化、离子交换、金属还原、表面电极化。首先，通过离子聚合物表面粗化磨毛预处理，清洗后放入稀盐酸或硝酸中煮沸去除杂质，蒸馏水中煮沸至充分膨胀；其次，放入10mmol/l的金盐溶液[au(nh3)4]cl2-h2o中在室温下浸泡2小时进行离子交换；再次，再分次逐渐加入nabh4还原剂，并逐渐升高温度2h后完成初步金属还原工艺；最后，经过在金盐溶液中的离子交换，金盐溶液中的金离子逐步深入离子交换聚合物表面，通过金属还原后，金离子在离子交换聚合物内形成零价金属纳米颗粒，进而在聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)离子交换聚合物表面形成渗入深度为1～15μm的纳米微粒金属层；将形成纳米微粒金金属层的离子交换聚合物再次放入金盐溶液中，采用还原剂nh2oh-hcl进行还原，保持温度60℃2.5小时，直至溶液与等量的nabh4煮沸不变黑为止。完成聚(1,4-亚苯基醚-醚-砜)-金涂镀电极复合物的制备。如图4-5所示，当复合区域1的表面电极1-1进行电流变化而产生的电场强弱变化时，能够引起金涂镀电极8-2和金涂镀电极8-3的极性发生改变，在电场增强时，金涂镀电极8-2为正极，金涂镀电极8-3成为负极，进而在库伦力的作用下，引起离子交换聚合物8-1吸收的极性溶液或者水中的离子在离子交换聚合物8-1形成的网链内迁移或扩散，由于聚(1，4-亚苯基醚-醚-砜)具有质子交换特性，因此，在金涂镀电极8-3侧集聚，使得靠近金涂镀电极8-3侧的离子交换聚合物8-1产生膨胀，靠近金涂镀电极8-2的离子聚合物8-1产生收缩，产生向金涂镀电极8-2侧的弯曲形变；当电场减弱时，离子交换减少，靠近金涂镀电极8-2和金涂镀电极8-3侧的离子交换聚合物8-1形变恢复，进而恢复到形变之前的形状。如图2所示，复合区域1的电卡材料1-2完全复合在金属丝缠绕的本体2的形状记忆合金上，为全包式复合4。复合区域1的截面周长c为1.0mm，每节复合区域1的电卡材料1-2厚度h为31μm。本体2的横截面包括圆形、三角形、矩形、任意凸多边形和任意凹多边形，本体2的横截面直径r为0.21mm。在电卡材料1-2和复合区域1的本体2的形状记忆合金之间添加金属丝，电卡材料1-2通过施加电场后以吸热，以及通过撤销电场后以放热；在电卡材料1-2施加电场时，金属丝的丝体获取电能，通过电能在金属丝上沿一个方向(顺时针或者逆时针)传导时，能够提升电卡材料1-2对于电场的施加速度，并且还能提升电卡材料1-2的电场施加程度；同理，在电卡材料1-2撤销电场时，能够通过金属丝加快电卡材料1-2撤销电场的速率。因为金属丝的存在，一方面提升了电卡材料1-2的电场施加/撤销的速率，另一方面提升了电卡材料1-2电场大小，从而能够使电卡材料1-2的吸热与放热速度加快，并且能够使电卡材料1-2吸收更多的热量；进而帮助本体2的形状记忆合金更快的进行弯曲和复原，并且能够提升弯曲程度。需要说明，本申请不限定形状记忆合金2的弯曲方向，本领域有意识的针对上述特征做出常规设置。实施例3参考附图2-4，为本申请提出的一种竹节式复合弯曲驱动器，由图3可知，竹节式复合弯曲驱动器由若干个复合区域1与若干个形变区域3相互穿插排布，复合区域1与形变区域3具有由铜基系形状记忆合金一体化构成的驱动器本体2，复合区域1的本体2外由内至外依次包括螺旋缠绕本体2的金属丝(附图中未示出)、pbzro3和pb0.8ba0.2zro3组合物构成的电卡材料1-2、铂表面电极1-1。基于本体2的轴向方向，复合区域1的本体2的形状记忆合金的第一长度为l为35cm，形变区域的形状记忆合金的第二长度e为15cm。如图2所示，复合区域1的电卡材料1-2相对不完全的覆盖在金属丝缠绕的本体2的形状记忆合金上，为覆盖式复合5。复合区域1的截面周长c为1.2mm，每节复合区域1的电卡材料1-2厚度h为28μm。本体2的横截面包括圆形、三角形、矩形、任意凸多边形和任意凹多边形，本体2的横截面直径r为0.25mm。如图3-4，形变区域3的本体2的外侧复合有由中间离子交换聚合物8-1、钯涂镀电极8-2和钯涂镀电极8-2构成的三层夹心结构的离子交换聚合物-金属涂镀电极构成的应力传感器薄膜层8，本实施例与实施例2的区别仅在于中间离子交换聚合物8-1采用聚磺化苯醚砜，制作过程中的离子交换步骤将聚磺化苯醚砜浸入10mmol/l的钯盐溶液[pd(nh3)4]cl2-h2o中，其余步骤与工艺参数与实施例2的相同，完成聚磺化苯醚砜-钯涂镀电极复合物的制备，其形变机理已在实施例2进行详述。实验实施例采用本发明实施例1得到的竹节式复合驱动器进行弯曲训练，采用中温时效处理，温度范围为400～600℃，实验结果见图7-8。如图7所示，在施加电场时，电卡材料吸热，当达到形状记忆合金逆相变开始温度时，形状记忆合金开始逆相变产生变形，输出应变增大，当达到逆相变结束温度时变形结束，形状记忆合金变形最大，输出应变达到最大值；在撤销电场时，电卡材料放热，温度降低，形状记忆合金完成相变过程，因为部分热量通过热传导及热对流释放，降温过程要比升温过程时间稍长。如图8所示，通过竹节式结构的递增，多个形变区域3通过逆相变过程产生的弯曲形变逐渐累加，竹节数越多，累加的复合驱动器本体2的转角弯度越大。对比实施例1采用本发明实施例1-3得到的竹节式复合驱动器与中国专利201810618993.7具体实施方式得到的复合驱动器进行弯曲性能测试，按照《镍钛形状记忆合金记忆性能测试方法第2部分弯曲测试方法(送审稿)》标准检测本发明实施例1-3以及对比实施例得到的复合驱动器的相对性状应变回复率、可恢复应变量、相对超弹性应变。结果见表1。表1通过表1可以得出，采用本发明的竹节式复合驱动器可以使驱动器得到更好的弯曲性能，满足柔顺度高，灵活性好的机器人运动需求。对比实施例2采用本发明实施例1-3得到的竹节式复合驱动器与中国专利201810618993.7具体实施方式得到的复合驱动器，对本发明各个实施例以及对比实施例2得到的复合驱动器施加相同的电场，检测各个复合驱动器的弯曲角度。结果见表2。表2指标实施例1实施例2实施例3对比实施例2弯曲角度7.4°8.9°9.5°5.1°通过表2可以得出，采用本发明的竹节式复合驱动器可以获得更大的驱动角度，能够有效避免机器人动作驱动中的失真卡点的出现。综上所述，竹节式复合弯曲驱动器包括形状记忆合金2、金属丝和电卡材料1-2，形状记忆合金2上包括有若干个复合区域1和若干个形变区域3；通过若干个复合区域1与若干个形变区域3相互穿插排布；在若干复合区域1上均缠绕有金属丝，若干个复合区域1上均设有电卡材料1-2，且电卡材料1-2覆盖金属丝，从而通过电卡材料1-2的电卡效应促使形状记忆合金2的形变区域3完成相变与逆相变的过程，以实现形状记忆合金2能够大角度弯曲，解决单根形状记忆合金2无法实现大角度弯曲驱动的能力，以及形状记忆合金2的相变过程慢的技术问题。尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页12