彎曲形圓柱介電驅(qū)動單元研究及應(yīng)用

霍怡潔，趙 娟，劉松年

(青島理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，青島 266520)

0 引 言

介電彈性體(以下簡稱DE)作為一種功能性的軟材料，能夠?qū)崿F(xiàn)電能和機械能的轉(zhuǎn)換，屬于電活性聚合物(EAP)的一種，由于其響應(yīng)快速、變形大、質(zhì)輕價廉等優(yōu)質(zhì)特點[1]，DE成為近年來驅(qū)動器制造的熱門材料。相較于傳統(tǒng)硬材料制造的驅(qū)動器不可避免的缺點，DE制成的柔性驅(qū)動器簡單微型、質(zhì)輕價廉、高效智能，具有明顯的優(yōu)勢，可以被制成菱形[2]、三角形、圓柱形以及各種復(fù)合結(jié)構(gòu)[3]，在復(fù)雜或狹小空間監(jiān)測、微型智能傳感器、仿生機器人[4]等方面都有著極其廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景[5]。其中圓柱形驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單，可輸出較大的力和位移，成為近年來的研究熱點之一[6]。

針對目前圓柱驅(qū)動單元的研究現(xiàn)狀，對圓柱驅(qū)動單元進行結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗分析，從而制造了彎曲形驅(qū)動單元并進行實驗分析及驗證。主要創(chuàng)新點主要包括：(1) 采用實驗法分析了圓柱驅(qū)動單元各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響；(2) 通過改變電極涂覆的形狀實現(xiàn)圓柱驅(qū)動單元的彎曲運動；(3) 基于實驗數(shù)據(jù)對彎曲形圓柱驅(qū)動單元進行應(yīng)用。

1 圓柱DE驅(qū)動單元的工作原理

1.1 DE薄膜的電致形變原理及影響因素

DE薄膜上下分別涂覆一層柔性電極[7]，接入電壓時，上下電極形成電場，分子偶極距取向運動，根據(jù)電場方向重新排列，正負(fù)電荷在DE薄膜上下表面發(fā)生電極積聚，相互吸引并形成麥克斯韋應(yīng)力[8](也稱靜電應(yīng)力)，DE薄膜厚度方向縮小，由于高彈材料的體積不可壓縮性，DE薄膜平面方向發(fā)生擴張變形，由此實現(xiàn)了電能和機械能的轉(zhuǎn)換[9]，以用作驅(qū)動器，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動器工作原理圖

本文采用的介電彈性體材料是3M公司生產(chǎn)的聚丙烯酸橡膠VHB4905，單就材料來說，該薄膜電致形變最大的影響因素就是薄膜的預(yù)拉伸倍率[10]，預(yù)拉伸可以提高薄膜驅(qū)動的效率，提高擊穿場強以及抑制機電失穩(wěn)[11]。為了對不同拉伸比以及不同拉伸模式下的VHB4905薄膜力電性能進行實驗，搭建了雙軸拉伸設(shè)備以及薄膜電致變形面積檢測實驗臺[12]。

對薄膜預(yù)拉伸的電致形變面積變化實驗結(jié)果如圖2所示,從圖2中可以看出，等雙軸預(yù)拉伸模式下，隨著拉伸倍數(shù)λ的增加，產(chǎn)生相同電致變形面積所需要的電壓先下降，在λ= 3，4時電壓較小并趨于穩(wěn)定，當(dāng)λ=5時電壓隨后增大。在制作圓柱形驅(qū)動器時，由于存在各種結(jié)構(gòu)和外界因素影響，我們選取λ=3～4的預(yù)拉伸倍率對驅(qū)動器進行實驗。

圖2 等雙軸電致變形三維關(guān)系

1.2 圓柱驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)

圓柱形驅(qū)動單元主要由預(yù)壓縮的彈簧、卷繞軸和預(yù)拉伸的VHB4905薄膜組成，驅(qū)動單元整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動單元的中心是一根卷繞軸，在軸向方向有導(dǎo)向作用，軸的上下兩端是兩個限位螺母，用于調(diào)整并固定整個驅(qū)動單元的長度。為了避免薄膜在卷繞過程中接觸到彈簧而導(dǎo)致薄膜起皺引起失效，在卷繞軸靠近端部位置增加兩個直徑大于彈簧的端蓋導(dǎo)套來避免薄膜與彈簧的接觸，同時由于彈簧的長細(xì)比遠(yuǎn)超過了穩(wěn)定性數(shù)值，該導(dǎo)套還能夠增強彈簧的穩(wěn)定性，避免端面受力而發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[13]。預(yù)拉伸的VHB4905薄膜兩面涂覆碳膏柔性電極卷繞在端蓋上，并引出導(dǎo)線，接入電壓時在靜電應(yīng)力的作用下驅(qū)動單元軸向伸長。

圖3 圓柱形驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 圓柱驅(qū)動單元的軸向驅(qū)動工作原理

如圖4所示，驅(qū)動單元圓周的薄膜均涂覆有柔性電極。所受到的力包括壓縮彈簧的回復(fù)力,預(yù)拉伸VHB4905薄膜的預(yù)拉伸回復(fù)彈力和接入電壓時DE薄膜產(chǎn)生的靜電壓力，以及自身重力(由于驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)和材料本身質(zhì)量很小，在此忽略不計)。圖4中U=0時，有壓縮彈簧的回復(fù)力和薄膜預(yù)拉伸產(chǎn)生的回復(fù)力，達(dá)到一個平衡狀態(tài)。當(dāng)接入電壓U>0時，薄膜上下表面電荷聚集，產(chǎn)生靜電應(yīng)力，厚度方向縮小，驅(qū)動器軸向方向伸長，拉動整個驅(qū)動單元發(fā)生軸向伸長變形。

圖4 U=0,U>0時直線形驅(qū)動單元示意圖

2 圓柱形驅(qū)動單元制作及實驗分析

2.1 圓柱驅(qū)動單元的制作

圓柱形驅(qū)動單元屬于卷繞形驅(qū)動器的一種，其結(jié)構(gòu)比較簡單，制作流程如圖5所示。

(a) 薄膜預(yù)拉伸

(b) 涂覆第一張薄膜

(c) 涂覆第二張薄膜，引出導(dǎo)線

(d) 薄膜卷繞

薄膜預(yù)拉伸：圖5(a)采用等雙軸預(yù)拉伸，裁好合適的尺寸，根據(jù)所需拉伸倍數(shù)計算出拉伸距離，夾持拉伸后用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)輔助框架與薄膜貼合并進行裁剪。

電極涂覆：采用人工涂覆，根據(jù)圓柱端蓋導(dǎo)套的周長計算所需卷繞圈數(shù)以及電極涂覆長度，使用離型紙裁剪合適的輪廓進行輔助，保證涂抹均勻。如圖5(b)所示，將導(dǎo)線放置到薄膜電極引出部位。然后制取第二張薄膜，與第一張薄膜相同，并將兩張薄膜進行黏合，輕輕擠壓出氣泡，進行上下兩面電極涂覆并放置導(dǎo)線，如圖4(c)所示。

薄膜卷繞：將彈簧、端蓋和中軸進行裝配，使用螺母保持彈簧一定量的預(yù)壓縮，以保持薄膜預(yù)拉伸力的平衡，裝配完畢之后，將卷軸放置在卷繞框架中央，待端蓋與薄膜貼合之后，逐漸剪開邊緣進行卷繞。卷繞完成后將熱縮套管加到兩邊端蓋位置，防止薄膜回縮，裁剪多余薄膜，旋出螺母，然后將中軸旋出，制作完成，最終實物圖如圖5(d)所示。

2.2 圓柱形驅(qū)動單元的實驗分析

搭建實驗臺檢測圓柱形驅(qū)動單元的軸向位移，篩選出圓柱形驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，從而應(yīng)用到彎曲形驅(qū)動器中。本次實驗主要針對彈簧壓縮量、彈簧剛度、有效長度、DE薄膜的卷繞圈數(shù)和預(yù)拉伸率進行實驗。

首先對薄膜的卷繞圈數(shù)進行測試，選用拉伸率λ=3下不同的卷繞圈數(shù)進行對照實驗，初始彈簧參數(shù)如表1所示，直線形驅(qū)動單元參數(shù)具體如表2所示，其中有效長度指的是薄膜的實際工作長度。

表1 壓縮彈簧參數(shù)

表2 卷繞圈數(shù)對驅(qū)動單元的影響

從表2的實驗結(jié)果可以看出，盡管卷繞初始長度相同，卷繞完成后驅(qū)動單元還是會有一定程度的回彈，也就是發(fā)生二次拉伸，導(dǎo)致薄膜穩(wěn)定性下降，更容易發(fā)生電擊穿失效現(xiàn)象。隨著卷繞圈數(shù)逐漸增加，彈簧的回彈程度逐漸下降，當(dāng)卷繞圈數(shù)增加到8圈時，驅(qū)動單元回彈現(xiàn)象基本消失，卷繞完成長度與初始有效長度相差不多；從驅(qū)動單元位移量來看，卷繞圈數(shù)的增加對于薄膜位移量提升不是很大，但是卷繞層數(shù)過多時會導(dǎo)致薄膜層與層之間壓力大而使薄膜與彈簧黏合，容易發(fā)生電擊穿失效，也容易使四周受力不均，致使驅(qū)動單元發(fā)生彎曲。為了得到較好的數(shù)據(jù)結(jié)果，之后的實驗驅(qū)動單元的卷繞圈數(shù)均采用8圈進行。

彈簧剛度是表征彈簧性能的主要參數(shù)之一[14]，選取相同的彈簧材料，通過改變簧絲線徑來改變彈簧剛度，彈簧外徑以及長度同0.6 mm線徑彈簧參數(shù)一致，對比了0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm三種不同規(guī)格線徑的彈簧制成的驅(qū)動器性能，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 彈簧剛度對驅(qū)動單元的影響

從表3的實驗結(jié)果可以看出，增大彈簧剛度，不能提升驅(qū)動單元的性能。壓縮量相同的情況下，彈簧剛度的增加，導(dǎo)致彈簧力大于薄膜提供的預(yù)拉伸應(yīng)力，卷繞后驅(qū)動單元的長度變化很大，薄膜在原來基礎(chǔ)上進一步拉伸，位移量減小，軸向伸長率減小，擊穿電壓略有下降，因此應(yīng)盡量選擇較小的彈簧剛度。

壓縮彈簧可以使驅(qū)動單元保持預(yù)拉伸，彈簧壓縮量在驅(qū)動單元的制作過程中也是一個不容忽視的重要因素，彈簧壓縮量存在最大值，其最大壓縮量為75%，過大的壓縮量會導(dǎo)致彈簧存在扭曲現(xiàn)象，不利于薄膜的卷繞，以30 mm的壓縮量為基準(zhǔn)，選取了20 mm、40 mm的壓縮量進行實驗比較，數(shù)據(jù)如表4所示。

當(dāng)彈簧壓縮量越大時，產(chǎn)生的彈簧應(yīng)力越大。從表4中可以看出，當(dāng)彈簧壓縮40 mm時，彈簧應(yīng)力大于薄膜預(yù)拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致驅(qū)動器發(fā)生伸長現(xiàn)象，伸長幅度為3 mm；當(dāng)彈簧壓縮20 mm時，薄膜預(yù)拉伸應(yīng)力大于彈簧應(yīng)力，導(dǎo)致驅(qū)動單元出現(xiàn)一定程度的彎曲現(xiàn)象；對比彈簧壓縮30 mm的驅(qū)動器，薄膜和彈簧應(yīng)力基本保持在平衡狀態(tài)。從位移量來看，相較于30 mm壓縮量的彈簧制成的驅(qū)動器，壓縮量太小薄膜的位移有限；20 mm壓縮量的驅(qū)動單元在3.2 kV驅(qū)動電壓下只有5.3%的伸長率；壓縮40 mm時驅(qū)動單元的變形為12.4%，相對于30 mm壓縮量略有下降，同時驅(qū)動單元存在變形極限，變形極限等于彈簧的壓縮量，當(dāng)彈簧回復(fù)到原長時，繼續(xù)加載電壓驅(qū)動單元不會繼續(xù)伸長，薄膜會在電場作用下發(fā)生擊穿。

表4 彈簧壓縮量對驅(qū)動單元的影響

改變彈簧初始有效長度后測試數(shù)據(jù)如表5所示，彈簧長度改變之后驅(qū)動單元的有效區(qū)域變長。從表5可以看出，增加彈簧長度，驅(qū)動單元的位移量有明顯提升，但是對應(yīng)的軸向伸長率卻略有下降，30 mm和40 mm壓縮量下，驅(qū)動單元的伸長率相差很小，增大壓縮量，擊穿電壓下降，同之前趨勢一致。

表5 彈簧初始有效長度對驅(qū)動單元的影響

綜合擊穿電壓數(shù)據(jù)，最終選擇長度100 mm，壓縮量30 mm的參數(shù)作為最優(yōu)彈簧參數(shù)。選取λ=3，3.5，4的預(yù)拉伸率進行測試，測試結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，預(yù)拉伸率對驅(qū)動單元的影響趨勢同薄膜以及驅(qū)動器的理論基本一致，預(yù)拉伸率增大，擊穿電壓略有下降，擊穿電壓在3 kV左右。在λ=4時，驅(qū)動單元的位移量和軸向伸長率最大，最大位移量為8.4 mm，伸長率為14.48%，將此參數(shù)作為后續(xù)彎曲形驅(qū)動器制作的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

表6 預(yù)拉伸率驅(qū)動單元的影響

3 彎曲形圓柱驅(qū)動單元的原理及應(yīng)用

3.1 彎曲形圓柱驅(qū)動單元的原理及制作

彎曲形圓柱驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)與直線形相同，區(qū)別在于電極的涂覆。直線形驅(qū)動器由于圓周薄膜上均勻涂覆了碳膏電極，加載電壓時，整個圓周將軸向均勻伸長。而彎曲形驅(qū)動器，涂覆電極時每間隔半個圓周涂抹半個圓周，如圖6所示，左側(cè)薄膜涂抹電極而右側(cè)無電極，得到的圓柱形驅(qū)動器僅有一側(cè)有電極，在加載電壓時，有電極的一側(cè)由于薄膜的靜電應(yīng)力發(fā)生形變，但右側(cè)薄膜未涂覆柔性電極，不受靜電力，即保持原來的形態(tài)，彈簧受左側(cè)薄膜的載荷向未涂覆柔性電極的一側(cè)彎曲。

圖6 彎曲形圓柱驅(qū)動單元示意圖

彎曲形圓柱驅(qū)動單元的制作方法如圖7所示，步驟與直線形驅(qū)動大致相同，區(qū)別僅在于電極的涂覆形狀。圖7中，柔性電極涂覆的每個小矩形長為驅(qū)動單元的長度，寬為驅(qū)動單元端蓋周長的1/2(即圓柱驅(qū)動單元的半個圓周)，以保證接入電壓時，只有一側(cè)產(chǎn)生靜電力。

圖7 彎曲形圓柱形驅(qū)動單元電極涂覆

3.2 彎曲形圓柱驅(qū)動單元彎曲角度實驗分析

利用彎曲傳感器連接Arduino模擬引腳進行角度測試，選取同表6一致的參數(shù)進行實驗。驅(qū)動單元的彎曲角度測試變化如圖8所示。

圖8 彎曲形驅(qū)動單元電壓和彎曲角度關(guān)系曲線

從圖8中可以看到，拉伸比λ=4時，驅(qū)動單元的變形能力最好，擊穿電壓隨著拉伸倍數(shù)的增加略有下降，擊穿電壓最小值在3 kV左右。根據(jù)前述理論分析和直線形的實驗結(jié)果，驅(qū)動單元的安全工作電壓在3 kV以內(nèi)，整體趨勢同前述理論模型趨于一致。三種不同拉伸比下的彎曲形驅(qū)動單元在電壓加載下的變形角度對比圖如圖9所示。

(a) λ=3，U=3.6 kV，θ=23°

(b) λ=3.5，U=3.4 kV，θ=39°

(c) λ=4，U=3 kV，θ=43°

從圖9中可以直觀地看到，三種不同驅(qū)動單元的變形情況，在施加電壓3 kV下，預(yù)拉伸比λ=4的驅(qū)動單元可以產(chǎn)生43°的變形，λ=3.5的變形能力稍弱，最大可以產(chǎn)生39°的彎曲。

綜合理論分析和實驗結(jié)果，4倍預(yù)拉伸下的驅(qū)動單元，在較小的驅(qū)動電壓下可以得到較優(yōu)的變形能力，使用該參數(shù)下的驅(qū)動單元進行抓手的制作并進行測試。

3.3 基于彎曲形圓柱驅(qū)動結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

機械抓手作為機器人的執(zhí)行部件，在工業(yè)生產(chǎn)以及各方面都有著廣泛的應(yīng)用，其中仿生類人抓手一直是人們探究的熱點[15]?；谇笆鲵?qū)動單元的研究，對彎曲形驅(qū)動單元進行組裝，制作成三爪抓手，并對其抓取性能進行測試。抓取機構(gòu)主要由三部分組成，分別是驅(qū)動單元、驅(qū)動單元固定裝置以及吊桿，組裝完成如圖10所示。通過抓取質(zhì)量對三爪抓手性能進行表征，從圖10中可以看出，在施加電壓3 kV后，三爪抓手可以實現(xiàn)物體的抓取，初始物體重6.87 g，通過添加螺母來測試抓手的抓取質(zhì)量，抓手最多能夠承受10個螺母，總質(zhì)量在14 g左右。

圖10 抓取機構(gòu)

4 結(jié) 語

針對目前圓柱介電驅(qū)動單元存在的驅(qū)動力不足、驅(qū)動效率低、驅(qū)動電壓高等問題，設(shè)計制作了圓柱驅(qū)動結(jié)構(gòu)，并進行實驗分析，對驅(qū)動單元的驅(qū)動力和驅(qū)動電壓進行優(yōu)化，并對彎曲形圓柱驅(qū)動單元加以應(yīng)用。具體得到了以下研究結(jié)論。

1) 基于介電彈性材料的工作原理設(shè)計制造了圓柱驅(qū)動單元，采用四周均勻涂覆電極的方法實現(xiàn)圓柱驅(qū)動單元的直線運動。

2) 采用實驗法探究了該結(jié)構(gòu)下壓縮彈簧的剛度、壓縮量、長度，DE薄膜的卷繞圈數(shù)以及預(yù)拉伸倍率對圓柱驅(qū)動單元驅(qū)動性能的影響。結(jié)果表明，選用線徑0.6 mm，長度100 mm，壓縮量30 mm的彈簧，DE薄膜卷繞圈數(shù)為8圈，拉伸倍率為4時，在3 kV電壓加載下，驅(qū)動單元的位移量和軸向伸長率最大，最大位移量為8.4 mm，伸長率為14.48%。

3) 基于該圓柱驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變電極涂覆方式，采用電極不對稱涂覆的方法制作了彎曲形圓柱驅(qū)動單元，實現(xiàn)驅(qū)動單元的彎曲運動。

4) 采用實驗法，根據(jù)彎曲傳感器表征彎曲形圓柱驅(qū)動的變形量，結(jié)果表明，拉伸倍率為4時，在3 kV電壓加載下，彎曲形圓柱驅(qū)動單元的彎曲角度有最大，可以產(chǎn)生 43°的變形。

5) 選取性能優(yōu)化的彎曲形圓柱驅(qū)動單元制作了三爪機械抓手，實現(xiàn)了抓取運動，抓取質(zhì)量最大為 14 g，為圓柱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用提供指導(dǎo)。