[發明專利]一種介電彈性體驅動的剛性折紙式靈巧手指節的驅動模型

有效

• 申請號: 202110565311.2
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113199485B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 張庭;李陽;寧傳新;馮凱祥;鞏振華;唐慶康
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 蘇張林

1.一種介電彈性體驅動的剛性折紙式靈巧手指節的驅動模型，其特征在于，建立過程包括以下步驟：

步驟1：基于梁彎曲理論建立彎曲型介電彈性體驅動器的彎曲曲率與輸入場強的關系式，包括：步驟1.1：彎曲型介電彈性體驅動器包括多層兩面覆蓋柔性電極的介電彈性體薄膜和至少一層基底，在兩端的柔性電極通入電壓時驅動器向基底方向彎曲；忽略電極的厚度，將沿驅動器厚度的方向定義為Y建立坐標系，Y＝0處為介電彈性體薄膜與基底的交界處；步驟1.2：計算彎曲型介電彈性體驅動器彎曲時驅動器在截面高度y上的應變ε(y)，計算公式為：-t_s≤y≤h_n；其中ε₀′是驅動器在截面高度y＝0上的應變，ρ是驅動器彎曲的曲率半徑，κ是彎曲曲率，t_s為基底的厚度；h_n＝nt_p為n層介電彈性體的高度，t_p為一層介電彈性體t_p的厚度；步驟1.3：計算基底彎曲時在截面高度y上的應變ε_s和正應力σ_s，計算公式為：ε_s＝ε′₀+yκ，σ_s＝Y_s(ε₀′+yκ)，-t_s≤y≤0；其中Y_s是基底的彈性模量；步驟1.4：計算介電彈性體彎曲時在截面高度y上的正應力σ_p，計算公式為：σ_p＝Y_p(ε₀′+yκ-M_pE²)，0≤y≤h_n；其中Y_p是介電彈性體的彈性模量，是介電彈性體的電致伸縮系數，μ為介電彈性體的泊松比，ε₀為真空介電常數，ε_r為介電彈性體的相對介電常數；步驟1.5：當沒有施加外力或外力矩在驅動器上時，合力與合力矩均為零；合力合力矩結合公式σ_s＝Y_s(ε₀′+yκ)，-t_s≤y≤0和σ_p＝Y_p(ε₀′+yκ-M_pE²)，0≤y≤h_n，計算得到彎曲型介電彈性體驅動器的彎曲曲率κ與輸入場強E間的關系式：其中n為介電彈性體薄膜的層數，V為輸入電壓；

步驟2：根據屈曲桿的彈性線方程建立彎曲型介電彈性體驅動器的驅動力與輸入場強的關系式，包括：步驟2.1：將彎曲型介電彈性體驅動器看作大柔度桿，在驅動器端部沿平面長度方向施加壓力，當壓力大于歐拉臨界載荷時，驅動器端部會沿厚度方向產生端部轉角α，大撓度其中L為驅動器的長度，K(p)為第一類完全橢圓積分，步驟2.2：驅動器通入電壓時，由于電場作用，驅動器端部沿厚度方向產生端部轉角γ，大位移δ_y，將施加壓力產生的大撓度y_α和施加電場產生的位移δ_y等效，由和推導得到α和E關系；步驟2.3：由屈曲桿的彈性線方程得到其中，b是驅動器的寬度，結合h＝t_s+nt_p得到其中h是驅動器的總高度，YI為驅動器的抗彎剛度；由和結合和推導得到F和E的關系式；

步驟3：設計基于介電彈性體驅動和剛性折紙的靈巧手指節；

步驟4：根據彎曲型介電彈性體驅動器的彎曲曲率與輸入場強的關系式、彎曲型介電彈性體驅動器的驅動力與輸入場強的關系式建立靈巧手指節的位置、驅動力和場強之間的驅動模型，包括：將X、Y軸設置在所述靈巧手指節的下板平面上，Z軸垂直設置于所述靈巧手指節的下板平面建立坐標系；所述靈巧手指節的結構上下對稱，通入電壓時靈巧手指節的壓縮位移X為彎曲型介電彈性體驅動器壓縮位移的兩倍，計算公式為：κ是彎曲曲率，L為驅動器的長度；根據結合推導得到靈巧手指節的壓縮位移X與輸入場強E關系式；將變形后的彎曲型介電彈性體驅動器在XY平面上的投影長度記為x，在Z軸上的投影長度記為y，x和y的計算公式為當所述介電彈性體驅動機構包括六個彎曲型介電彈性體驅動器、所述靈巧手指節的上板下和所述下板上分別均勻設有三個所述彎曲型介電彈性體驅動器時，將下板上的三個彎曲型介電彈性體驅動器的端部中點分別設置為A、B、C，A、B、C的坐標分別為其中a為所述靈巧手指節的上板、下板的邊長，三個彎曲型介電彈性體驅動器的x和y分別為x₁、x₂、x₃和y₁、y₂、y₃；根據A、B、C的坐標位置得到向量和根據向量和得到平面ABC的法向量為(A₁，A₂，A₃)＝(a₂b₃-a₃b₂，a₃b₁-a₁b₃，a₁b₂-a₂b₁)；根據ABC的法向量計算得到靈巧手指節的彎曲角度結合(A₁，A₂，A₃)＝(a₂b₃-a₃b₂，a₃b₁-a₁b₃，a₁b₂-a₂b₁)和推導得出靈巧手指節的彎曲角度θ與輸入場強E的關系式；靈巧手指節的驅動力與彎曲型介電彈性體驅動器的數量有關，驅動器的驅動力當靈巧手指節中具有m個上下對稱的彎曲型介電彈性體驅動器時，靈巧手指節的驅動力由公式和結合和推導得出靈巧手指節的驅動力P與輸入場強E的關系式。