[发明专利]基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器

说明书

本发明提供了一种基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，包括最小能量结构的介电弹性体驱动器，磁流变弹性体薄膜以及柔性电极。所述磁流变弹性体薄膜，无外加磁场时，该膜刚度较小，一旦处于外部磁场作用下，刚度增大10倍以上，从而使得介电弹性体驱动器的刚度发生改变。所述介电弹性体驱动器为长条状多层最小能量结构，自上而下包括：亚克力框架、第一柔性电极层、电活性聚合物层、第二柔性电极层和磁流变弹性体薄膜。本发明结构简单，制作方便，重量轻，在磁场作用下能快速改变驱动器的刚度，从而具有很强的负载能力，可以用于工业机械手，卫星抓取或太空垃圾回收等领域。

技术领域

本发明涉及软体驱动技术领域，具体涉及一种新型的基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器。

背景技术

目前，机器人被广泛应用于社会生产的各个行业，主要代替人从事简单重复的任务，或在人难以到达的危险环境中工作。传统机器人基本采用硬材料制作，如钢铁和塑料等，并依靠电机、液压系统等提供动力，具有精度高、负载大、易于控制等优点，但是传统机器人固有的刚性使得该机器人只能在预定义好的环境中工作，难以适应非结构化环境。人类越来越需要一种机器人能够适应复杂的自然环境。纵观自然界，软体物质构成了生物体的主要结构，这些软体结构使得生物体具有适应非结构环境的能力，并且具有变形能力大、质量轻、能量密度大和能量效率高的特点，因而开发仿生软体机器人成为机器人的发展方向。

介电弹性体驱动器被称为人造肌肉，是一种理想的软体机器人驱动器。介电弹性体驱动器具有应变大(>100％)，高能量密度(>3.4MJ/m3)，响应速度快(百万分之一秒)，重量轻(密度接近水)、成本低、没有噪声，具有结构-驱动-传动一体化的特点。基于最小能量结构的介电弹性体驱动器具有制作简单，重量轻的特点，是一种常见的介电弹性体驱动器，但是由于其刚度十分小，难以承受大负载，限制了该驱动器的实际应用。

为解决这个问题，瑞士研究人员采用低熔点合金来实现变刚度，其做法为在介电弹性体驱动器上增加一层低熔点合金，低熔点合金在室温下为固态，稍微加热就会变成液体，通过控制温度实现对刚度的控制，其最大的缺点在于响应速度慢。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器。

根据本发明提供的一种基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器，为长条状多层最小能量结构，所述最小能量结构自上而下包括依次叠加的：亚克力框架、第一柔性电极层、电活性聚合物层、第二柔性电极层和磁流变弹性体薄膜；

所述磁流变弹性体薄膜包括磁流变弹性体；所述磁流变弹性体是将磁性颗粒散布于固态状或者凝胶状的基体中，固化后制备出的一种磁流变材料；在没有外加磁场作用时，磁流变弹性体的刚度较小；在外部磁场作用下，磁流变弹性体的刚度增大。

优选地，在外部磁场作用下，磁流变弹性体的刚度增大十倍以上。

优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的刚度在磁场作用下提升一个数量级以上。

优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的重量小于10克。

优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器的尺寸小于200mm*50mm*1mm。

优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器在电压作用下的弯曲角度大于120度。

优选地，所述基于磁流变弹性体的变刚度介电弹性体驱动器能够用于抓取超过自重十倍以上的物体。

优选地，所述磁流变弹性体薄膜在没有外加磁场作用时，其刚度比电活性聚合物层刚度低一个数量级以上，从而不影响驱动器的驱动性能；在磁场作用下，磁流变弹性体薄膜的刚度比电活性聚合物层刚度高一个数量级以上，从而具有足够的刚度用于支撑大负载。