一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器的制作方法

本发明属于软体机器人领域，涉及一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器。

背景技术：

软体机器人是当前一个方兴未艾的新领域，它聚焦于软机械的力学特性以及材料、结构、软件的集成技术。近年来已提出多种具有变形适应功能的软体机器人技术，也取得了一些成效，但是这些研究多关注于变形材料/结构的研发和变形过程的实现，而对于变形后的功能对接却鲜有研究。事实上机器人不仅需要变形，更需要保持该形状以完成其它机械操作，应该是一种具有刚柔特征的机器人。柔性使机器人具有适应性、敏感性和敏捷性，而刚性则确保其具备必要的力量以完成操作任务。

针对此，国内外学者已开发出一些变形-变刚度一体化驱动器，但采用的都是气动控制的模式。如美国麻省理工大学的shepherd等将ecoflex与pdms复合构建了两种不同结构的刚度可控的气动式驱动器；此外，他们还将多孔pdms与低熔点的合金泡沫复合，开发了具有形状记忆效应和自愈合功能的温/气双驱动变形-变刚度驱动器。香港大学的chen等人则在气动驱动器中设置填充颗粒的腔体，利用负压下的颗粒的阻塞效应实现了刚度的调节。这类气动驱动的变形-变刚度一体化驱动器均需要复杂的机械结构管道、阀门等以及庞大的气泵负载，大大限制了应用扩展。因此，亟需探索具有其它驱动方式的变形-变刚度一体化驱动器。众所周知，电是一个通用的物理量，传输速度快，不受环境限制，适用于所有的机电系统，采用电驱动变形和变刚度的技术无疑具有颠覆性、创新性和普适性。

介电弹性体是一种典型的电驱动型的变形材料。在介电弹性体表面覆盖有柔性电极，当在柔性电极上施加电压时，介电弹性体沿电压方向收缩，而在垂直于电压方向伸长。相比其他大变形材料，介电弹性体具有响应快、形变量大、密度低、柔性大、能量密度高、不受环境因素的影响等优点，因此广泛关注。

电流变材料是一类粘度或弹性模量可由电场实时、可逆、迅速调控的智能材料，具有电致变阻尼/变刚度的特性。电流变材料经历了从电流变液到电流变胶再到电流变弹性体的发展历程。电流变液通常由微米级或纳米级的介电颗粒分散于绝缘油中制备而成，而电流变弹性体是将可在电场作用下极化的固体粒子加入到弹性体内，然后固化形成的复合弹性体。固化过程中，受到电场作用的固体颗粒逐渐形成纤维状或柱状的有序结构。这种固化后的有序结构根植在基体中，使电流变弹性体的弹性模量、阻尼损耗因子等力学性能可通过电场实时、可逆、迅速控制。

综上，国内外学者开发了一系列具有大变形功能的驱动器，但如何维持变形后的形态以完成必要的机械操作是制约大变形驱动器推广的难点。采用电驱动的方式，将具有电致变形与电致变刚度功能的材料进行有机结合，构建电致变形-变刚度一体化驱动器是解决这一问题的途径之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器，以解决现有气动式变形-变刚度一体化驱动器结构复杂、响应慢、控制精度差等缺点。

为解决上述技术问题本发明的构思是：

一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器，包括电致变形层、电致变刚度层及柔性电极。电致变形层由介电弹性体构成，电致变刚度层由电流变材料构成。电致变形层、柔性电极及电致电刚度层构成层叠结构，当需要变形时，通过柔性电极对电致变形层施加电场；当需要维持形态或提供必要的刚度时，对电致变刚度层施加电压。最终实现可单向弯曲的电致变形和变刚度双功能。

本发明的技术方案：

一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器，包括电致变形层、电致变刚度层及柔性电极；所述的电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器自上而下由上层柔性电极1、电致变形层2、中层柔性电极3、电致变刚度层4和下层柔性电极5依次层叠粘接而成；

所述的上层柔性电极1、中层柔性电极3和下层柔性电极5采用的材质为涂覆碳膏、导电聚合物、导电水凝胶或导电银浆；

所述的电致变形层2采用的材质为介电弹性体；

所述的电致变刚度层4采用的材质为电流变液、电流变凝胶或电流变弹性体；所述的电流变液是纳米介电颗粒与绝缘油的混合物，二者的体积比为1:9～3:2；所述的电流变凝胶是纳米介电颗粒与水凝胶的混合物，二者的体积比为1:9～3:2；所述的电流变弹性体是纳米介电颗粒与橡胶的混合物，二者的体积比为1:9～1:1；

在上层柔性电极1和中层柔性电极3之间施加电场，电致变形层2在maxwell效应作用下发生变形；此时保持中层柔性电极3与下层柔性电极5之间电场为零，电致变刚度层4为较软的状态，且随电致变形层2协同变形；随后，在中层柔性电极3与下层柔性电极5之间施加电场，电致变刚度层4为较刚的状态，从而约束电致变形层2，使其保持变形后的状态稳定。

所述的电致变形层2材质为硅橡胶、聚氨酯、丙烯酸酯、氟硅橡胶或填充tio2纳米颗粒的硅橡胶。

本发明的有益效果：电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器通过电场调节实现变形及变刚度双功能，具有结构简单、调控精确、响应迅速、控制方便、受环境影响小的优势。

附图说明

图1为本发明电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器结构示意图。

图2为本发明电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器变形原理示意图。

图3为本发明电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器变刚度原理示意图。

图中：1上层柔性电极；2电致变形层；3中层柔性电极；4电致变刚度层；5下层柔性电极。

具体实施方式

本发明实施案例结合附图说明如下。

如图1所示，一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器，包括电致变形层、电致变刚度层及柔性电极；所述的电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器自上而下由上层柔性电极1、电致变形层2、中层柔性电极3、电致变刚度层4和下层柔性电极5依次层叠粘接而成；

所述的上层柔性电极1、中层柔性电极3和下层柔性电极5采用的材质为涂覆碳膏、导电聚合物、导电水凝胶或导电银浆；

所述的电致变形层2采用的材质为介电弹性体；

所述的电致变刚度层4采用的材质为电流变液、电流变凝胶或电流变弹性体；所述的电流变液是纳米介电颗粒与绝缘油的混合物，二者的体积比为1:9～3:2；所述的电流变凝胶是纳米介电颗粒与水凝胶的混合物，二者的体积比为1:9～3:2；所述的电流变弹性体是纳米介电颗粒与橡胶的混合物，二者的体积比为1:9～1:1。

如图2所示，一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器，其电致变形过程实施如下：在上层柔性电极1和中层柔性电极3之间施加电场，电致变形层2在maxwell效应作用下发生变形；此时保持中层柔性电极3与下层柔性电极5之间电场为零，电致变刚度层4为较软的状态，且随电致变形层2协同变形。

如图3所示，一种电控单向弯曲型变形-变刚度一体化驱动器，在变形后其电致变刚度过程实施如下：在中层柔性电极3与下层柔性电极5之间施加电场，电致变刚度层4为较刚的状态，从而约束电致变形层2，使其保持变形后的状态稳定。