[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

本發明公開了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，建立過程包括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，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，設計基于介電彈性體驅動和剛性折紙的靈巧手指節；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。本發明建立基于介電彈性體驅動和剛性折紙的靈巧手指節的位置、驅動力和場強之間的驅動模型，可以用于計算靈巧手指節的驅動力和實現靈巧手指節在負載或未負載時精確的位置控制，保證靈巧手指節的運動精度。

技術領域

本發明涉及軟體機器人驅動技術領域，具體涉及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。

背景技術

近年來，軟體機器人得到了極大發展，這種機器人模仿自然界中的軟體動物，一般由具有大應變特征的柔性材料制成，理論上具有無限多的自由度并且還具有大變形和連續變形的能力。介電彈性體是目前軟體機器人的柔性驅動常用材料，這是一種在外加電場作用下會發生面積擴張、厚度減小變形的電活性材料，近年來逐漸成為柔體機械和軟物質科學領域備受關注的研究對象，在軟體機器人中具有廣闊的應用前景。此外，利用活性材料來實現結構的自彎曲和自折疊一直是科學工作者的興趣所在，這種方法的靈感來自折紙工程，使用活性材料進行自折疊的優點之一是能夠跨尺度應用這種機制，從大規模場景(如可展開的空間結構、汽車的安全氣囊、光伏電池、可折疊的飛機機翼和庇護所)到中等規模場景(如外科手術工具和生物醫學中應用的支架)，最后到較小的規模場景(如機器人，微機械系統和DNA方法)，都可以靈活應用。

彎曲型介電彈性體驅動器包括驅動層和基底，驅動層由多層兩面覆蓋柔性電極的介電彈性體組成，基底一般為剛度比介電彈性體大的柔性材料，通過電刺激驅動層帶動基底實現復雜的運動。由于驅動材料固有的非線性和大變形特征，驅動器的位置和驅動力難以實現精確控制，彎曲型介電彈性體驅動器的設計和控制過程中缺少精確的位置和驅動力模型，限制了其實際應用。

目前，針對介電彈性體的粘彈性動力學模型，有基于區間法的粘彈性介電彈性體不確定性準靜態和非線性動力學分析方法(詳見專利“CN111967121A，一種基于區間法的粘彈性介電彈性體不確定性準靜態和非線性動力學分析方法”)，這種方法考慮到材料參數、外部載荷以及電壓的不確定性，通過引入區間攝動法和一階泰勒展開方法，對具有區間不確定參數的介電彈性體進行了蠕變分析、松弛分析和動力學響應分析；但是該方法針對于平面型介電彈性體驅動器建立，不適用于彎曲型介電彈性體驅動器。也有在考慮廣泛的設計參數(如厚度、彈性模量、層數、電場大小等)的基礎上建立的彎曲型驅動器的分析模型(詳見論文“[1]Ahmed S,Ounaies Z,Arrojado E.Electric field-induced bending andfolding of polymer sheets[J].Sensors and Actuators A Physical,2017,260:68-80.”)，通過建立一組電場誘導的曲率、尖端位移和阻塞力的無量綱方程來指導驅動器的實驗設計和制作；但是該分析模型主要使用鐵電聚合物(P(VDF–TrFE–CTFE))制作驅動器，與彎曲型介電彈性體驅動器不同，多層結構中增加了粘貼劑層，并且考慮的阻塞力(F_b)為驅動器尖端處垂直平面方向的力，并非驅動器長度方向上的驅動力，也就無法建立驅動器長度方向的驅動力模型。

發明內容

為此，本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術中的不足，提出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，可以用于計算靈巧手指節的驅動力和實現靈巧手指節在負載或未負載時精確的位置控制，保證靈巧手指節的運動精度。

為了解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是：

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，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；