[发明专利]一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器及其组件

说明书

本发明公开了一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器及其组件。并联柔性驱动器包括并列式分布的且呈膜状的多片驱动单元。多片驱动单元的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，使得所述并联柔性驱动器整体呈扇形。每个驱动单元包括采用基于电压作用下能够产生弯曲变形的电活性聚合物制成的至少一片驱动件。属于同一个驱动单元中的驱动件从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度相同，并在平行于相应驱动单元的膜平面方向上平行平铺。属于不同驱动单元中的驱动件从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度不相同。本发明能够极大促进电活性聚合物材料在仿生机器人领域的推广和使用。

技术领域

本发明属于机械仿生学领域中的一种并联柔性驱动器，特别涉及一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器及其组件。

背景技术

仿生机器人在海洋资源探索、环境监测、生物观测、考古打捞、灾难搜救和军事搜索侦察等领域具有广泛的应用价值和前景，目前成为科学研究和技术发展研究热点之一。随着仿生学、智能材料与结构和控制等学科的发展，采用新型仿生材料和仿生驱动方式逐步成为仿生机器人的主要发展趋势。因此，新型智能材料越来越多地用于仿生机器人的开发，主要包括形状记忆合金(SMA)、压电陶瓷(PZT)、超磁致伸缩薄膜(GMF)和电活性聚合物材料等。与其它智能材料的伸缩变形相比，电活性聚合物材料在电压作用下产生弯曲变形，与生物的运动形式，例如鱼尾的摆动，鱼鳍、鸟类和昆虫等的扇动，爬行动物足部的弯曲运动等，十分相似，因此在仿生驱动中具有更大优势。

电活性聚合物材料通常由电极-离子聚合物-电极构成三明治复合结构，在外界1-5V电压作用下，离子交换膜中的离子和水会发生迁移现象，使得电极两侧附近含水量不一致，从而导致电活性聚合物材料可以产生厘米级弯曲大变形。它主要包含两大类型：一类材料中使用离子交换膜为芯层离子聚合物，含有一定水分，能够直接工作于水环境或者潮湿空气环境，例如离子聚合物-金属复合材料；另一类材料中离子聚合物含有一定的离子液体，可以工作在空气环境，例如巴克凝胶驱动材料(BGA)、碳驱动材料、导电聚合物驱动材料(CPA)、导电互穿插聚合物网络驱动材料(Conducting Interpenetrated PolymerNetwork)等。

目前，影响电活性聚合物材料作为仿生驱动器使用的瓶颈问题是单片电活性聚合物材料驱动力太小。已有研究提出通过多片电活性聚合物材料并联驱动来提高驱动力，主要包括两类：一类并联结构只能叠加驱动材料单元在某一方向上的变形，产生整体直线驱动的效果，不能直接用于前述仿生驱动；另一类并联结构在材料面内并行分布多片材料，单位面积的驱动力仍然不能得到提升。因此，推动电活性聚合物材料在仿生驱动器领域的应用，关键在于提升电活性聚合物驱动器的整体驱动性能。

发明内容

为了解决单片电活性聚合物材料作为驱动器驱动力小，而现有并联结构不能有效提升驱动器的弯曲驱动性能——弯矩的技术问题，本发明提出一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器及其组件，其能大幅提升驱动器的弯矩。

本发明的解决方案是：一种基于电活性聚合物的并联柔性驱动器，包括并列式分布的且呈膜状的多片驱动单元；多片驱动单元的一端汇聚到一点形成汇聚端，另一端放射状并列散开形成并列式散开端，使得所述并联柔性驱动器整体呈扇形；每个驱动单元包括采用基于电压作用下能够产生弯曲变形的电活性聚合物制成的至少一片驱动件；属于同一个驱动单元中的驱动件从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度相同，并在平行于相应驱动单元的膜平面方向上平行平铺；属于不同驱动单元中的驱动件从汇聚端到散开端长度相同，且初始弯曲程度不相同。

作为上述方案的进一步改进，所述电活性聚合物为离子聚合物-金属复合材料、巴克凝胶驱动材料、碳驱动材料、导电聚合物驱动材料、导电互穿插聚合物网络驱动材料中的至少一种电活性聚合物。

作为上述方案的进一步改进，驱动件的初始弯曲程度由通过给平直无变形的驱动件施加不同幅度电压产生的不同程度的弯曲变形决定。