一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构
阅读说明：本技术 一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构 (Parallel driving structure based on intelligent flexible bending deformation driving material ) 是由 朱子才 卞长生 陈花玲 白万发 于 2020-10-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构,包括基本并联单元,基本并联单元由多个亚单元平行排列组合而成,一个或多个基本并联单元沿长度,宽度和高度方向分布,采用叠加方式构成并联驱动结构。本发明采用并联驱动结构来组合智能柔性弯曲变形驱动材料,这样有效改善材料的传力状态,提升整体并联驱动结构的弯曲变形幅度和输出力,从而扩大其实际应用范围。(The invention discloses a parallel driving structure based on an intelligent flexible bending deformation driving material, which comprises basic parallel units, wherein the basic parallel units are formed by parallelly arranging and combining a plurality of subunits, one or more basic parallel units are distributed along the length direction, the width direction and the height direction, and a superposition mode is adopted to form the parallel driving structure. The invention adopts the parallel driving structure to combine the intelligent flexible bending deformation driving material, thus effectively improving the force transmission state of the material, and improving the bending deformation amplitude and the output force of the whole parallel driving structure, thereby expanding the actual application range of the material.)
技术领域
本发明属于柔性机械技术领域，具体涉及一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构。
背景技术
随着人们对生活质量和生产需求的提高，机械也逐步从传统以刚性结构为主向柔性结构逐步发展，目前已成为行业的研究和发展热点之一。随着智能材料与智能结构学科的发展，基于柔性智能材料驱动的柔性机械已经成为领域内的一大发展趋势。因此，柔性智能材料越来越多的用于柔性机械的各种结构之中。其主要包括：电致变形材料、形状记忆材料、光驱动材料、湿度驱动材料、磁致变形材料等等。其中，智能柔性弯曲变形驱动材料由于其特有的直接弯曲变形形式与一些生物的运动形式相似，可为各种柔性机械提供初始动力或变形形式，如折纸机构的弯折驱动、鱼尾鱼鳍的往复摆动、鸟类和昆虫的扑翅振动等。
智能柔性弯曲变形驱动材料通常是一种条状或薄片状柔性材料，其在不同的外部激励下会产生弯曲变形。例如：电活性聚合物在外加电压的作用下，材料的离子发生迁移导致材料产生较大的弯曲变形。而光驱动材料、湿度驱动材料和磁致弯曲材料等则在相应光强、湿度分布和磁场分布等条件作用下，材料内部相应产生变性、内应力变化或结构重构等作用，最终产生宏观的弯曲变形。
目前，单片智能柔性弯曲变形驱动材料的驱动力太小，这极大的限制了其在柔性机械领域直接作为驱动源的应用。现在主要有两类利用多片智能柔性弯曲变形驱动材料并联驱动的方式来提高驱动力：一类是直接用薄膜或胶水等隔膜材料直接连接多片智能柔性弯曲变形驱动材料进行叠层驱动，这种驱动方式无法消除每层材料之间的切向运动约束，因此整体驱动效率低下；另一类是通过结构设计或材料形状设计的方式叠加多片智能柔性弯曲变形驱动材料进行驱动，这种驱动方式大多未考虑不同驱动单元之间的变形协调关系导致并联效率不足，或占用较大空间，导致结构体积过大。因此，推动智能柔性弯曲变形驱动材料在柔性机械领域直接应用，关键在于高效的提升智能柔性弯曲变形驱动材料的整体驱动性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构，通过并联结构设计的方式，有效解决弯曲并联结构中的变形协调问题，消除驱动材料之间的切向变形约束，提高并联驱动结构的整体效率，从而大幅提高并联驱动结构的驱动力和变形幅度。
本发明采用以下技术方案：
一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构，包括基本并联单元，基本并联单元由多个亚单元平行排列组合而成，一个或多个基本并联单元沿长度，宽度和高度方向分布，采用叠加方式构成并联驱动结构。
具体的，亚单元包括第一亚单元、第二亚单元和第三亚单元，第三亚单元位于基本并联单元中间层，两端分别连接连接件，第一亚单元和第二亚单元设置在第三亚单元的上下两侧。
进一步的，第一亚单元和第二亚单元包括两个短弯曲变形驱动单元，两个短弯曲变形驱动单元之间设置有间隙，并通过传力连接件连接，第三亚单元包括一个长弯曲变形驱动单元。
更进一步的，长弯曲变形驱动单元和短弯曲变形驱动单元采用智能柔性弯曲变形驱动材料制成。
更进一步的，传力连接件为滑动副结构、滚动连接结构或能够消除切向力并传递法向力的运动约束结构。
更进一步的，滑动副结构与短弯曲变形驱动单元之间采用粘接、过盈配合或磁力连接方式连接。
进一步的，间隙的大小大于变形驱动单元的切向伸缩变形的大小。
进一步的，第一亚单元、第二亚单元和第三亚单元的长度相等。
进一步的，第一亚单元和第二亚单元的排列方式为顺序排列，对称排列或交替排列。
进一步的，连接件与第一亚单元、第二亚单元和第三亚单元之间采用粘接，过盈配合连接和磁力连接方式连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构，其考虑了柔性弯曲材料的变形协调问题，通过结构设计的方式，消除了并联结构中智能柔性弯曲变形驱动材料的切向约束，同时能够有效传递智能柔性弯曲变形驱动材料的输出力，这样可以有效提升智能柔性弯曲变形驱动材料在并联驱动结构中的效率。并且结构设计采用模块化构成方式，其可根据实际需求将各基本并联单元，亚单元灵活组合起来，增大整体结构的输出力或变形幅度，基本并联结构组成并联驱动结构的方式灵活。可应对不同应用场合，如大变形幅度，大输出力或同时需要大的变形幅度和输出力场合等。
进一步的，不同结构形式的亚单元传力位置不同，这样有利于均匀分布基本并联单元的内部受力，改善力的传递状况，连接件将亚单元连接在一起构成基本并联单元，同时可有效传递每个亚单元的弯曲变形和端部力。
进一步的，亚单元组成基本并联单元的方式灵活。可根据不同并联驱动结构的受力状态调整亚单元组成基本并联单元的方式，有利于改善力的传力状态，短弯曲变形驱动单元之间预留的弯曲变形伸缩空间可解决亚单元的变形协调问题，消除亚单元在弯曲时的伸缩变形约束。
进一步的，弯曲变形驱动单元采用智能柔性弯曲变形驱动材料制成，其为并联驱动结构的动力源。
进一步的，传力连接件可以消除相邻两层亚单元的切向约束，传递法向输出力，有利于基本并联单元效率的提高，从而提高整体并联结构的传力和变形效率。
进一步的，三种亚单元的长度相等，这样亚单元可以通过两端的连接件连接成为基本并联单元。
进一步的，第一亚单元和第二亚单元的排列方式为顺序排列，对称排列或交替排列，通过不同的排列组合方式可以均布各亚单元的传力位置，改善整体传力状态。
进一步的，连接件与三种亚单元之间采用粘接，过盈配合连接和磁力连接设置的目的或好处，这样通过可以有效将所有亚单元连接起来并传力其端部的变形和驱动力。
综上所述，本发明采用并联驱动结构来组合智能柔性弯曲变形驱动材料，这样有效改善材料的传力状态，提升整体并联驱动结构的弯曲变形幅度和输出力，从而扩大其实际应用范围。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构三维示意图；
图2为图1中基本并联单元的几种结构形式示意图，其中(a)为5层亚单元构成的一种形式，(b)为5层亚单元构成的另一种形式，(c)为7层亚单元构成的基本并联单元；
图3为图2中亚单元的3种不同结构形式示意图；
图4为图3中传力连接件的连接示意图，其中(a)为滑动副结构示意图，(b)为滚动运动副示意图；
图5为并联驱动结构与单层驱动结构的输出力对比的测试结果图。
其中：1.并联基本单元；2.第一亚单元；3.第二亚单元；4.第三亚单元；5.连接件；6.长弯曲变形驱动单元；7.短弯曲变形驱动单元；8.传力连接件。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构，适用于各种不同的弯曲变形式柔性智能材料，包括电致变形材料，如：离子聚合物-金属复合材料(IPMC)、巴克凝胶驱动材料(BGA)、离子聚合物-碳复合材料(IPCC)和碳驱动材料等，光驱动材料，湿度驱动材料，磁致变形材料等可产生弯曲变形的柔性智能材料。
采用新型并联结构的设计方式克服了柔性弯曲变形驱动材料的变形协调问题和材料之间的切向约束问题，提高了并联结构的驱动效率，增大了整体的弯曲变形能力和输出力；进一步推进了智能柔性弯曲变形驱动材料在柔性机械领域中的应用。
请参阅图1，本发明一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构，包括基本并联单元1，基本并联单元1由多个亚单元平行排列组合而成；基本并联单元1的两端分别设置有连接件5，一个或多个基本并联单元1沿长度，宽度和高度方向分布，采用叠加方式构成并联驱动结构，基本并联单元1在长度方向的叠加可增大并联驱动结构的弯曲变形幅度；基本并联单元1在厚度和宽度方向的叠加可增大并联驱动结构的输出力。
请参阅图2和图3，亚单元包括一个长弯曲变形驱动单元6或两个短弯曲变形驱动单元7以及传力连接件8，根据不同形式的并联驱动结构，有效增加智能柔性弯曲变形驱动材料的弯曲变形幅度和输出力。
请参阅图3，长弯曲变形驱动单元6贯通整个第三亚单元4，长弯曲变形驱动单元6为基本并联单元1的变形中性层；短弯曲变形驱动单元7小于第一亚单元2、第二亚单元3的长度；短弯曲变形驱动单元7在弯曲驱动过程中会产生伸缩变形，该变形容纳于短弯曲变形驱动单元7之间的缝隙之中。
请参阅图3，亚单元包括第一亚单元2、第二亚单元3和第三亚单元4，第三亚单元4位于基本并联单元1中间层，其不会产生伸缩变形，并连接两端的连接件5；第一亚单元2和第二亚单元3灵活排布于第三亚单元4的上下两侧，通过传力连接件8与相邻的其他亚单元连接起来。
第一亚单元2和第二亚单元3包括2个短弯曲变形驱动单元7以及传力连接件8，第三亚单元包括1个长弯曲变形驱动单元6，根据不同长度的弯曲变形驱动单元组合，形成不同的第一亚单元2、第二亚单元3和第三亚单元4形式，第一亚单元2、第二亚单元3和第三亚单元4的整体长度相等，具有相近的变形和输出力。
第一亚单元2和第二亚单元3的排列方式可以是顺序排列，也可以是对称排列，或者是交替排列等。由于亚单元的排列方式不同，基本并联单元1具有不同的结构形式。亚单元的不同排列组合，其主要目的是均匀分布所需要传递的变形和力，改善力的传递状况。
请参阅图4，传力连接件8是一种滑动副结构，与两个短弯曲变形驱动单元6采用固定方式连接，如粘接、过盈配合连接或磁力连接等方式；同时，传力连接件8通过滑动连接方式与相邻的亚单元连接起来，如间隙配合；能够消除相邻两层亚单元在弯曲变形时产生的切向约束，同时传递相邻两层亚单元在弯曲变形时的法向输出力；传力连接件8也可以是滚动连接结构，或其他消除切向力、传递法向力的运动约束结构。
长弯曲变形驱动单元6和短弯曲变形驱动单元7采用智能柔性弯曲变形驱动材料制成，包括电致变形材料，如：离子聚合物-金属复合材料(IPMC)、巴克凝胶驱动材料(BGA)、离子聚合物-碳复合材料(IPCC)和碳驱动材料等，光驱动材料，湿度驱动材料，磁致变形材料等可产生弯曲变形的柔性智能材料。
相邻第一亚单元2、第二亚单元3和第三亚单元4之间通过传力连接件8传递亚单元的弯曲变形和输出力，第一亚单元2和第二亚单元3中的短弯曲变形驱动单元7之间设计有间隙，间隙的大小大于变形驱动单元的切向伸缩变形的大小，用于解决弯曲变形协调问题。
2个短弯曲变形驱动单元6之间留有弯曲变形伸缩空间，可以容纳基本并联单元1弯曲时在第一亚单元2和第二亚单元3内产生的切向伸缩变形；伸缩空间的大小略大于切向伸缩变形的大小，具体可根据基本并联单元1的弯曲变形幅度以及第一亚单元2和第二亚单元3距离基本并联单元1中间层的距离来确定。
固定连接的方式可以是粘接，过盈配合连接和磁力连接等方式。这种固定连接方式可有效传递每个亚单元的弯曲变形和端部力。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，本实施例1为基本并联单元在长度，宽度和厚度三个方向进行叠加形成的基于智能柔性弯曲变形驱动材料整体结构，在长度方向叠加了2层基本并联单元，在宽度和厚度方向分别叠加了3层基本并联单元，其可使整体并联结构的弯曲变形幅度和输出力均得到增加。
请参阅图2，基本并联单元1由不同结构形式的亚单元灵活构成。图1中的基本并联单元可采用图2中的基本并联单元构成，也可以采用其他合理的基本并联单元结构构成。基本并联单元1两侧布置的连接件5通过粘接，过盈配合，磁力链接等方式与每一个亚单元结构直接相连形成固定连接，其在亚单元弯曲时可以传递亚单元的端部力。图2(a)采用顺序布置方式叠加了5层亚单元结构；图2(b)采用中心对称布置方式叠加了5层亚单元结构；图2(c)则采用顺序布置方式叠加了7层亚单元结构。
请参阅图3，基本并联单元采用了3种不同结构形式的亚单元构成。其中第一亚单元2和第二亚亚单元3均由两个短弯曲变形驱动单元7与两个传力连接件8构成，其区别在于第一亚单元2的传力连接件8位于亚单元的一侧，而第二亚单元3的传力连接件8位于亚单元的中间。第三亚单元4为一个长弯曲变形驱动单元6；考虑弯曲变形材料在并联驱动中的变形协调问题，对于2个弯曲变形驱动单元构成所的亚单元结构，它们之间设计了一个间距，可容纳基本并联单元1弯曲时在亚单元内产生的切向伸缩变形。
请参阅图4，亚单元中的传力连接件8通过粘接、过盈配合或磁力连接等方式与弯曲变形驱动单元的一端固定连接起来。同时，传力连接件通过图4(a)所示的空套滑动连接或图4(b)所示的滚动连接与另一亚单元连接起来。这种传力结构可以消除亚单元之间的切向约束，同时可以传递法向输出力。
实施例2
本实施例为单层驱动结构与并联驱动结构输出力对比测试。测试中，弯曲变形驱动材料统一采用宽厚为5mm*1mm的IPMC材料，驱动结构整体长度为60mm。其中，并联驱动结构为图2(a)所示的单个基本并联单元1构成。通过对整体结构施加相同电压，可得到图5所示输出力结果。
请参阅图5，单层驱动结构的输出力为24mN，同时并联驱动结构的输出力可达95mN，约为单层驱动结构输出力的4倍。测试表明并联驱动结构明显提高了驱动结构的输出力。其整体驱动效率约为80％，表明图4(a)所示空套连接结构有效提高了并联驱动结构的并联驱动效率。
综上所述，本发明一种基于智能柔性弯曲变形驱动材料的并联驱动结构，通过巧妙的结构设计将弯曲变形驱动材料并联起来，并解决了弯曲并联驱动结构中变形协调问题，有效提高了并联驱动结构的整体效率。同时可根据实际需求对并联驱动结构进行配置，从而增大整体并联驱动结构的输出力和变形幅度。增大了弯曲变形驱动材料的应用前景和范围。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。