一种基于PVC凝胶驱动的触觉反馈结构及其制作方法和应用与流程

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pvc凝胶驱动的触觉反馈结构及其制作方法和应用。

背景技术：

触觉反馈技术(hapticortactilefeedbacks)能通过作用力、振动等一系列动作为使用者再现触感。这一力学刺激可被应用于计算机模拟中的虚拟场景或者虚拟对象的辅助创建和控制，以及加强对于机械和设备的远程操控。用于触觉反馈技术的振动器主要包括以下几类:偏心转子震动器，它模拟一个点击的触觉反馈动作，需要耗时100到200毫秒，如果需要快速重复点击，这种马达就会产生明显的迟滞感。并且这种马达很难体现出震动的强弱，所以震动反馈体验十分不理想；压电执行器，与偏心旋转电机执行器等常规电磁制动器相比，带触觉反馈的压电执行器具有最佳的加速度和力，最大的插入高度和最短的响应时间；同时在近20年来出现的电活性聚合物驱动技术，也在触觉反馈领域有新的应用。dea(dielectricelastomeractuator)是一类柔性聚合物材料，有非常高的响应速度，但是一直以来，dea材料有两个瓶颈问题：驱动场强很高，1～10mv/m，因此通常电压很高(几千伏)；稳定性问题，主要存在热和电击穿问题；electro-mechanicalpolymer(emp)是美国qmzhang教授本世纪初开发的一种氟化聚合物pvdf改性压电聚合物材料(novasentis公司)。驱动电压也较高，电场在1～80mv/m，应变在4％，弹性模量在700mpa。膜厚20um，电压可以在100v量级(通常更高)，此时膜厚很薄，产生的激振力比较小了。

针对以上问题，pvcgel引起了人们的广泛关注。pvcgel驱动器是一类新型的eap材料，其特性介于离子型和电场型eap材料之间，其驱动频率能够达到几khz，满足触觉反馈技术需求，而电压又比电场型低，几十到几百伏。通常使用聚合度在3000～4000的pvc颗粒，与塑化剂以一定质量比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，配置成聚合物溶液。利用这种聚合物溶液进行铸膜，自然风干得到一定厚度的pvc凝胶膜。工艺过程中使用的原料成本低廉，制作工艺简单，而且使用不同形状的模具能够得到不同形状的pvc凝胶膜。

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pvc凝胶驱动的触觉反馈结构及其制作方法和应用，可控性强、不受形状制约、可以提供物理触觉的触觉反馈结构。

本发明采用以下技术方案：

一种基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构，包括从上至下依次层叠设置的阴极平面电极板、pvcgel薄膜和阳极网孔电极板，pvcgel薄膜能够在施加直流电压后向阳极网孔电极板的网孔中蠕动变形产生输出位移用于触觉反馈。

具体的，阳极网孔电极板的厚度小于等于500μm，pvc薄膜的厚度小于等于400μm，阴极平面电极板的厚度小于等于500μm。

具体的，阴极电极板为采用阵列式排布的平面电极。

进一步的，排布的形状为方形、矩形、圆形或六边形。

具体的，阳极网孔电极板的网孔目数为50～200目。

本发明的另一个技术方案是，一种基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、将pvc颗粒与塑化剂己二酸二丁酯混合制成混合物，然后向混合物中添加有机溶剂进行稀释，配置成聚合物溶液；

s2、利用步骤s1配置的聚合物溶液，使用3d打印技术或者浇铸技术制作pvcgel薄膜；

s3、制作阳极网孔电极和阴极平面电极电极；

s4、使用3d打印技术、机加工、浇铸方式制备阳极网孔电极板和阴极平面电极；

s5、将步骤s2制作的pvcgel薄膜和步骤s3制作的阳极网孔电极板、阴极平面电极板叠加制成基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构。

具体的，步骤s1中，pvc颗粒和塑化剂己二酸二丁酯的质量比为1：(2～8)，pvc颗粒的聚合度为1000～4000。

进一步的，有机溶剂为四氢呋喃，混合物与四氢呋喃的质量比为2：(3～7)。

具体的，步骤s3中，利用激光切割，冲压方式将pvc凝胶导线和/或镀银纱线制成阳极网孔电极和阴极平面电极，pvc凝胶导线和/或镀银纱线掺杂有炭黑、碳纳米管、石墨烯或银纳米颗粒/线；或者利用3d打印、浇筑方式将铜或铝制成阳极网孔电极和阴极平面电极。

本发明的另一个技术方案是，一种基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构在物理触觉反馈中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于聚氯乙烯凝胶的触觉反馈结构，pvcgel薄膜置于上层电极板和下层电极板之间，施加直流电压后，pvcgel薄膜发生蠕动变形，在不同频率下使整个结构发生激振，利用pvcgel的变形原理，结构简单，易于制作。

进一步的，将上下层电极板尽可能设置的比较薄，可以使整个结构的厚度比较小。

进一步的，阵列式排布可以通过控制连接线路控制不同的单元变形，从而可以设计成多单元组合的触觉反馈结构。

进一步的，阵列排布为方形、矩形、圆形或六边形，能够根据要显示的不同图案显示不同的组合形状。

本发明还公开一种基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构的制作方法，通过对不同比例的pvc溶液的配置，可以得到不同柔软度的pvcgel薄膜，满足不同的使用要求。

进一步的，pvc凝胶叠层结构输出力大，输出位移明显，响应频率快。

综上所述，本发明操作简单、pvcgel在电压下响应快，变形明显，可以输出触觉反馈。

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pvcgel在电场变形的变形示意图；

图2为本发明触觉反馈结构示意图；

图3为本发明触觉反馈结构单元安装示意图。

其中，1.阳极网孔电极板；2.pvcgel薄膜；3.阴极平面电极板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、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，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。

pvcgel是基于一种电刺激响应的一种聚合物，能够在电场作用下发生左右偏转或者上下运动的变形。设计一种激振结构，制作触觉反馈器，使其能够输出物理触觉。

请参阅图2和图3，本发明提供了一种基于聚氯乙烯凝胶的触觉反馈结构，根据pvcgel的电致变形原理，由阳极网孔电极板1、pvcgel薄膜2和阴极平面电极板3叠加组成，pvcgel薄膜2设置在阳极网孔电极板1和阴极平面电极板3之间，通过施加直流电压后pvcgel薄膜2会向阳极电极板1的网孔中发生蠕动变形，从而产生输出位移。

阳极电极板1上带有细密网孔，网孔目数为50～200目，阴极电极板3为采用阵列式排布的平面电极，排布形状包括方形、矩形、圆形和六边形。

阳极网孔电极板1的厚度小于等于500μm，pvc薄膜2的厚度小于等于400μm，阴极平面电极板3的厚度小于等于500μm。

请参阅图1，当施加直流电压后，pvc凝胶会向阳极发生蠕动变形，从而使其在厚度方向发生变形。

一种基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、以质量比1：(2～8)的比例将pvc颗粒与塑化剂己二酸二丁酯混合制成混合物，pvc颗粒的聚合度为1000～4000；然后向混合物中添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物与四氢呋喃的质量比为2：(3～7)，配置成聚合物溶液用于制作pvcgel薄膜2；

s2、使用3d打印技术或者浇铸技术制作pvcgel薄膜2；

s3、阳极网孔电极1和阴极平面电极电极3采用刚性金属，如铜、铝等利用激光切割，冲压等方式制作，或者采用导电聚合物如炭黑、碳纳米管、石墨烯、银纳米颗粒/线等掺杂的pvc凝胶导线和/或镀银纱线利用3d打印、浇筑等方式制作而成。

s4、使用3d打印技术、机加工、浇铸方式制备阳极网孔电极板1和阴极平面电极3；

s5、将步骤s2获得的pvcgel薄膜2和步骤s3获得的阳极网孔电极板1、阴极平面电极板3叠加制成基于pvc凝胶驱动的触觉反馈结构。

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。

实施例1

制作pvcgel薄膜2使用的pvc溶液，使用3d打印技术制作pvcgel薄膜2；采用机加工方式制作阳极网孔电极板1；采用机加工方式制作阴极平面电极，电极材料使用铝或铜。

使用聚合度在1000的pvc颗粒，与塑化剂己二酸二丁酯(dba)以质量比1：2的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为2：3，配置成聚合物溶液用于制作pvcgel薄膜2；

然后将阳极电极1，pvc薄膜2，阴极电极3通过叠层在一起，得到一个触觉反馈单元，将这样的单元再通过堆叠得到一个触觉反馈结构。

实施例2

制作pvcgel薄膜2使用的pvc溶液，使用浇铸技术制作pvcgel薄膜2；采用浇铸方式制作阳极网孔电极板1；采用浇铸方式制作阴极平面电极。电极材料使用炭黑或碳纳米管掺杂的pvc凝胶导线。

使用聚合度2500的pvc颗粒，与塑化剂己二酸二丁酯(dba)以质量比1：5的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为2：5，配置成聚合物溶液用于制作pvcgel薄膜2；

然后将阳极电极1，pvc薄膜2，阴极电极3通过叠层在一起，得到一个触觉反馈单元，将这样的单元再通过堆叠得到一个触觉反馈结构。

实施例3

制作pvcgel薄膜2使用的pvc溶液，使用3d打印技术制作pvcgel薄膜2；采用浇铸方式制作阳极网孔电极板1；采用浇铸方式制作阴极平面电极。电极材料使用石墨烯或银纳米颗粒/线掺杂的镀银纱线。

使用聚合度3000的pvc颗粒，与塑化剂己二酸二丁酯(dba)以质量比1：7的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为2：6，配置成聚合物溶液用于制作pvcgel薄膜2；

然后将阳极电极1，pvc薄膜2，阴极电极3通过叠层在一起，得到一个触觉反馈单元，将这样的单元再通过堆叠得到一个触觉反馈结构。

实施例4

制作pvcgel薄膜2使用的pvc溶液，使用浇铸技术制作pvcgel薄膜2；采用机加工方式制作阳极网孔电极板1；采用机加工方式制作阴极平面电极。电极材料使用石墨烯或银纳米颗粒/线掺杂的pvc凝胶导线。

使用聚合度4000的pvc颗粒，与塑化剂己二酸二丁酯(dba)以质量比1：8的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为2：7，配置成聚合物溶液用于制作pvcgel薄膜2；

然后将阳极电极1，pvc薄膜2，阴极电极3通过叠层在一起，得到一个触觉反馈单元，将这样的单元再通过堆叠得到一个触觉反馈结构。

综上所述，以上实施例采用不同聚合度的pvc凝胶制作触觉反馈结构，可以得到不同柔软度，不同输出力和位移的结构，满足不同的使用要求。

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。