一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构

1.本发明涉及智能材料技术领域，具体为一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构。


背景技术：

2.在太空探测、未来战场支援、军事伪装等领域，通常需要多稳态机构，并且要求机构结构简单、质量轻，以适应复杂多变的环境，降低能源的使用。现有的三稳态机构多是用电机驱动，虽然结构可靠，重复性好，但其结构复杂，质量重，制造成本大，并且不能在三种稳态中两两转变，传统的电活性材料只能产生平面变形，其大变形的特点被局限，并且由于其强非线性，得不到一个精确的位移输出。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，包括转角执行器、边界控制器和菱形驱动器，边界执行器包括连接框架、柔性梁和导向块，连接框架包括呈十字设置的横向框架和竖向框架，导向块通过柔性梁悬挂于横向框架上；菱形驱动器包括粘接的堆栈式介电弹性体薄膜、第一菱形架和第二菱形架，堆栈式介电弹性体薄膜设置于第一菱形架和第二菱形架之间；第一菱形架的上端与竖向框架连接，下端与导向块连接；第二菱形架的下端与竖向框架连接，上端与导向块连接；转角执行器包括半包围框架结构和纯剪切式介电弹性体薄膜，转角执行器通过纯剪切式介电弹性体薄膜与导向块连接；
6.未通电时，当转角执行器处于展平状态时，纯剪切式介电弹性体薄膜处于原长状态，柔性梁处于向上弯曲的状态；使用时，调控在堆栈式介电弹性体薄膜上施加的电压来调控纯剪切式介电弹性体薄膜的非相继三稳态。
7.优选的，第一菱形架包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一上端固定块和第一下端固定块，第一上端固定块与竖向框架固定连接，第一下端固定块与导向块连接，第一连杆的一端与第一上端固定块活动连接，另一端与第四连杆活动连接；第二连杆的一端与第一上端固定块活动连接，另一端与第三连杆活动连接；第三连杆的另一端与第四连杆的另一端均与第一下端固定块活动连接。
8.优选的，第一连杆与第一上端固定块之间设有第一弹性件，第二连杆与第一上端固定块之间设有第二弹性件；第一连杆和第四连杆之间设置有第三弹性件；第二连杆和第三连杆之间设置有第四弹性件。
9.优选的，第二菱形架包括第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第二上端固定块和第二下端固定块，第二上端固定块与导向块固定连接，第五连杆的一端与第二上端固定块活动连接，另一端与第八连杆活动连接；第六连杆的一端与第二上端固定块活动连接，
另一端与第七连杆活动连接；第二下端固定块与竖直框架连接，第八连杆的另一端和第七连杆的另一端均与第二下端固定块活动连接。
10.优选的，第五连杆与第二上端固定块之间、第六连杆与第二上端固定块之间、第七连杆与第二下端固定块之间、第八连杆与第二下端固定块之间、第五连杆与第八连杆之间、第六连杆与第七连杆之间均设置有弹性件。
11.优选的，堆栈式介电弹性体薄膜包括呈三明治结构的、叠加的多层介电弹性体和电极。
12.优选的，介电弹性体通过流延制膜层层叠加或者利用成品膜层层粘接。
13.优选的，初始状态，即第一个稳态：柔性梁向上弯曲，纯剪切式介电弹性体薄膜处于原长状态，半包围框架结构保持展平状态；
14.第二个稳态：当给上端固定在连接框架上的菱形驱动器上的堆栈式介电弹性体薄膜通电时，堆栈式介电弹性体薄膜扩张，带动第一菱形架和第二菱形架变形架(第一菱形架处于展开状态，第二菱形架处于收缩状态)，使得导向块向下运动，当柔性梁超过临界点时会向下弯曲，导向块会保持在低位，此时转角执行器中的纯剪切式介电弹性体薄膜处于拉伸状态，产生拉伸应力使得半包围框架结构弯曲；
15.第三个稳态：给转角执行器中的纯剪切式介电弹性体薄膜施加脉冲电压，半包围框架结构由于惯性会越过中间位置，在堆栈式介电弹性体薄膜的拉力下，向另一个方向弯曲。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.本发明一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构通过设置介电弹性体薄膜结构的驱动元，不需要电机作为驱动力。将介电弹性体材料的平面变形转变为机构的弯曲变形，通过调整纯剪切式介电弹性体薄膜上的电压，实现不同转角的稳态控制，使得转角在电压驱动下实现结构在三个状态之间进行切换。同时具有结构简单、质量轻、成本低的优点。
附图说明
18.图1为本发明一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构的示意图；
19.图2是本发明转角执行器的结构示意图；
20.图3是本发明边界控制器的结构示意图；
21.图4是菱形驱动器变形示意图。
22.图中，1、半包围框架结构；2、纯剪切式介电弹性体薄膜；3、连接框架；31、横向框架；32、竖向框架；4、柔性梁；5、导向块；6、堆栈式介电弹性体薄膜；7、第一菱形架；71、第一连杆；72、第二连杆；73、第三连杆；74、第四连杆；81、第五连杆；82、第六连杆；83、第七连杆；84、第八连杆；9、第一弹性件；10、第二弹性件；11、第三弹性件；12、第一上端固定块；13、第四弹性件；14、第一下端固定块；15、第二上端固定块；16、第二下端固定块。
具体实施方式
23.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
24.本发明公开了一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，参照图1、2，包括转角执行器、边界控制器和菱形驱动器，边界执行器包括连接框架3、柔性梁4和导向块5，连接框架3包括呈十字设置的横向框架31和竖向框架32，导向块5通过柔性梁4悬挂于横向框架31上。
25.转角执行器包括半包围框架结构1和纯剪切式介电弹性体薄膜2，转角执行器通过纯剪切式介电弹性体薄膜2与导向块5连接。本实施例中，导向块5的末端呈t型，t型台处涂抹有硅橡胶粘结剂，用于粘贴纯剪切式介电弹性体薄膜2。
26.参照图1、3，堆栈式介电弹性体薄膜6包括呈三明治结构的、叠加的多层介电弹性体和电极，即堆栈式介电弹性体膜通过多层介电弹性体叠加形成，一层介电弹性体薄膜一层电极，形成三明治结构。介电弹性体通过流延制膜层层叠加或者利用成品膜层层粘接。
27.菱形驱动器包括粘接的堆栈式介电弹性体薄膜6、第一菱形架7和第二菱形架，堆栈式介电弹性体薄膜6设置于两个第一菱形架7和两个第二菱形架之间；第一菱形架7的上端与竖向框架32连接，下端与导向块5连接；第二菱形架的下端与竖向框架32连接，上端与导向块5连接。
28.参照图4，第一菱形架7包括第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、第四连杆74、第一上端固定块12和第一下端固定块14，第一上端固定块12与竖向框架32固定连接，第一下端固定块14与导向块5连接，第一连杆71的一端与第一上端固定块12活动连接，另一端与第四连杆74活动连接；第二连杆72的一端与第一上端固定块12活动连接，另一端与第三连杆73活动连接；第三连杆73的另一端与第四连杆74的另一端均与第一下端固定块14活动连接。
29.第一连杆71与第一上端固定块12之间设有第一弹性件9，第二连杆72与第一上端固定块12之间设有第二弹性件10，第一连杆71和第四连杆74之间设置有第三弹性件11；第二连杆72和第三连杆73之间设置有第四弹性件13。
30.第二菱形架包括第五连杆81、第六连杆82、第七连杆83、第八连杆84、第二上端固定块15和第二下端固定块16，第二上端固定块15与导向块5固定连接，第五连杆81的一端与第二上端固定块15活动连接，另一端与第八连杆84活动连接；第六连杆82的一端与第二上端固定块15活动连接，另一端与第七连杆83活动连接；第二下端固定块16与竖向框架32连接，第八连杆84的另一端和第七连杆83的另一端均与第二下端固定块活动连接。
31.第五连杆81与第二上端固定块15之间、第六连杆82与第二上端固定块15之间、第七连杆83与第二下端固定块16之间、第八连杆84与第二下端固定块16之间、第五连杆81与第八连杆84之间、第六连杆82与第七连杆83之间均设置有弹性件，以实现第二菱形架的展开和收缩。
32.未通电时，当转角执行器处于展平状态时，纯剪切式介电弹性体薄膜2处于原长状态，柔性梁4处于向上弯曲的状态；使用时，调控在堆栈式介电弹性体薄膜6上施加的电压来调控纯剪切式介电弹性体薄膜2的非相继三稳态。
33.参照图1，初始状态，即第一个稳态：柔性梁4向上弯曲，纯剪切式介电弹性体薄膜2处于原长状态，半包围框架结构1保持展平状态。
34.第二个稳态：当给上端固定在连接框架3上的菱形驱动器上的堆栈式介电弹性体薄膜6通电时，堆栈式介电弹性体薄膜6扩张，带动第一菱形架7和第二菱形架变形(第一菱
形架7处于展开状态，第二菱形架处于收缩状态)，使得导向块5向下运动，当柔性梁4超过临界点时会向下弯曲，导向块5会保持在低位，此时转角执行器中的纯剪切式介电弹性体薄膜2处于拉伸状态，产生拉伸应力使得半包围框架结构1弯曲。
35.第三个稳态：给转角执行器中的纯剪切式介电弹性体薄膜2施加脉冲电压，半包围框架结构1由于惯性会越过中间位置，在堆栈式介电弹性体薄膜6的拉力下，向另一个方向弯曲。
36.当给下部固定在连接框架3上的菱形驱动器中堆栈式介电弹性体薄膜6通电时，堆栈式介电弹性体薄膜6带动第一菱形架7和第二菱形架变形，(第一菱形架处于收缩状态，第二菱形架处于展开状态)，使得导向块5向上运动，当柔性梁4超过临界点时会向上弯曲，导向块5会保持在高位，此时转角执行器中的纯剪切式介电弹性体薄膜2处于原长状态，无应力，半包围框架结构1处于中间位置，回到第一稳态。
37.以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，包括转角执行器、边界控制器和菱形驱动器，边界控制器包括连接框架(3)、柔性梁(4)和导向块(5)，连接框架(3)包括呈十字设置的横向框架(31)和竖向框架(32)，导向块(5)通过柔性梁(4)悬挂于横向框架(31)上；菱形驱动器包括粘接的堆栈式介电弹性体薄膜(6)、第一菱形架(7)和第二菱形架，堆栈式介电弹性体薄膜(6)设置于第一菱形架(7)和第二菱形架之间；第一菱形架(7)的上端与竖向框架(32)连接，下端与导向块(5)连接；第二菱形架的下端与竖向框架(32)连接，上端与导向块(5)连接；转角执行器包括半包围框架结构(1)和纯剪切式介电弹性体薄膜(2)，转角执行器通过纯剪切式介电弹性体薄膜(2)与导向块(5)连接；未通电时，当转角执行器处于展平状态时，纯剪切式介电弹性体薄膜(2)处于原长状态，柔性梁(4)处于向上弯曲的状态；使用时，调控在堆栈式介电弹性体薄膜(6)上施加的电压来调控纯剪切式介电弹性体薄膜(2)的非相继三稳态。2.根据权利要求1所述的电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，第一菱形架(7)包括第一连杆(71)、第二连杆(72)、第三连杆(73)、第四连杆(74)、第一上端固定块(12)和第一下端固定块(14)，第一上端固定块(12)与竖向框架(32)固定连接，第一下端固定块(14)与导向块(5)连接，第一连杆(71)的一端与第一上端固定块(12)活动连接，另一端与第四连杆(74)活动连接；第二连杆(72)的一端与第一上端固定块(12)活动连接，另一端与第三连杆(73)活动连接；第三连杆(73)的另一端与第四连杆(74)的另一端均与第一下端固定块(14)活动连接。3.根据权利要求2所述的电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，第一连杆(71)与第一上端固定块(12)之间设有第一弹性件(9)，第二连杆(72)与第一上端固定块(12)之间设有第二弹性件(10)；第一连杆(71)和第四连杆(74)之间设置有第三弹性件(11)；第二连杆(72)和第三连杆(73)之间设置有第四弹性件(13)。4.根据权利要求1所述的电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，第二菱形架包括第五连杆(81)、第六连杆(82)、第七连杆(83)、第八连杆(84)、第二上端固定块(15)和第二下端固定块(16)，第二上端固定块(15)与导向块(5)固定连接，第五连杆(81)的一端与第二上端固定块(15)活动连接，另一端与第八连杆(84)活动连接；第六连杆(82)的一端与第二上端固定块(15)活动连接，另一端与第七连杆(83)活动连接；第二下端固定块与竖向框架(32)连接，第八连杆(84)的另一端和第七连杆(83)的另一端均与第二下端固定块(16)活动连接。5.根据权利要求4所述的电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，第五连杆(81)与第二上端固定块(15)之间、第六连杆(82)与第二上端固定块(15)之间、第七连杆(83)与第二下端固定块(16)之间、第八连杆(84)与第二下端固定块(16)之间、第五连杆(81)与第八连杆(84)之间、第六连杆(82)与第七连杆(83)之间均设置有弹性件。6.根据权利要求1所述的电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，堆栈式介电弹性体薄膜(6)包括呈三明治结构、叠加的多层介电弹性体和电极。7.根据权利要求6所述的电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，介电弹性体通过流延制膜层层叠加或者利用成品膜层层粘接。8.根据权利要求1所述的电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，其特征在于，初始状态，即第一个稳态：柔性梁(4)向上弯曲，纯剪切式介电弹性体薄膜(2)处于原长状态，
半包围框架结构(1)保持展平状态；第二个稳态：当给上端固定在连接框架(3)上的菱形驱动器上的堆栈式介电弹性体薄膜(6)通电时，堆栈式介电弹性体薄膜(6)扩张，带动第一菱形架(7)和第二菱形架变形架(第一菱形架(7)处于展开状态，第二菱形架处于收缩状态)，使得导向块(5)向下运动，当柔性梁(4)超过临界点时会向下弯曲，导向块(5)会保持在低位，此时转角执行器中的纯剪切式介电弹性体薄膜(2)处于拉伸状态，产生拉伸应力使得半包围框架结构(1)弯曲；第三个稳态：给转角执行器中的纯剪切式介电弹性体薄膜(2)施加脉冲电压，半包围框架结构(1)由于惯性会越过中间位置，在堆栈式介电弹性体薄膜(6)的拉力下，向另一个方向弯曲。

技术总结
本发明涉及智能材料技术领域，尤其涉及一种电活性材料驱动的非相继三状态式摇摆机构，包括转角执行器、边界控制器和菱形驱动器，边界执行器包括连接框架、柔性梁和导向块，连接框架包括呈十字设置的横向框架和竖向框架，导向块通过柔性梁悬挂于横向框架上；转角执行器包括半包围框架结构和纯剪切式介电弹性体薄膜，转角执行器通过纯剪切式介电弹性体薄膜与导向块连接。本发明将介电弹性体材料的平面变形转变为机构的弯曲变形，通过调整纯剪切式介电弹性体薄膜上的电压，实现不同转角的稳态控制，使得机构在电压驱动下实现在三个状态之间进行切换。进行切换。进行切换。


技术研发人员：李博 姜磊 马付雷 郑腾飞 陈贵敏
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/9