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日本芝浦工业大学开发出仅1g左右轻量且无声驱动

2019-11-03 10:35

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10月21日消息,日前,中国科学院深圳先进技术研究院医疗机器人与微创手术器械研究中心副研究员高兴团队研发出新型磁斥力非接触式谐振耦合双锥体介电弹性体驱动器,该软体驱动器采用新型电-磁-力耦合机制,具有双自由度、紧凑仿生拮抗机构、高功率密度与高机电效率等特点,并利用驱动器自身弹性、柔性耦合等特点实现共振驱动,解决了软体驱动器在高阻尼负载条件下功率输出大幅减少的关键问题。相关研究成果相继在线发表于Applied Physics Letters、Advanced Materials Technologies 和Physical Review Applied。团队中曹崇景为系列论文第一作者,高兴为通讯作者。

软体机器人是一种新型柔软机器人,能够适应各种非结构化环境,与人类的交互也更安全。软体机器人本体利用柔软材料制作,一般认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料。区别于传统机器人电机驱动,软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料。

软体机器人因其优越的结构与环境顺应性在近10年来成为国际研究热点。软体机器人由软材料构成,能够通过自身形变自适应非结构化的未知环境,已在医疗、侦察、救灾等诸多领域展现出广阔的应用前景。气动型软体机器人是发展较为成熟且应用面较为广泛的一类软体机器人。然而由于缺乏可用于气动软体机器人的软体气泵,导致现如今的气动软体机器人通常需要通过软管连接较大的外部气压控制系统进行操控,限制了其在诸多领域的应用前景,如远程特种机器人。因此气动型软体机器人的动力源问题一直困扰着研究人员。

4166.com,一般有介电弹性体、离子聚合物金属复合材料、形状记忆合金、形状记忆聚合物等等。

由于嵌入式刚性驱动气泵将使软体机器人损失一定柔顺性,所以软体气泵需由软体驱动器构成,并且需具有可扩展性好、能适用于不同尺度的软体机器人的结构特点。在功能上,需具有流速快、输出气压大等特点。介电弹性体驱动器是一种新型的软体驱动器,其可扩展性好,输出性能好且稳定易于控制。DEA由一片介电薄膜与两侧柔性电极构成,如图1.所示。当对两侧柔性电极施加一定电势差时,产生的Maxwell应力挤压薄膜,使薄膜厚度减小的同时平面内面积增大)。此软体驱动原理使介电弹性体既能作为封闭泵腔体的薄膜,又能作为泵的动力源,完美地适用于薄膜型流体泵的驱动器。然而,这种设计也带来了新的问题,由于介电弹性体直接对压缩空气做功,压缩空气的阻尼效应大大降低了泵的流速、气压与能量转换效率等关键输出性能。这种影响在高频驱动下尤为显著,也使得利用薄膜弹性实现高频共振、提高输出性能这一共振机制无法实现。

从响应的物理量,软体机器人暂时分为如下几类:

图1. 介电弹性体驱动器组成和驱动方式

电场、压力、磁场、化学反应、光、温度。科学家依此设计了各种各样的软体机器人,大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物,如蚯蚓、章鱼、水母等。

为解决此难题,高兴首次提出双锥形DEA的电-磁-力柔性耦合机理,由曹崇景研发出新型磁斥力柔性耦合双锥体介电弹性体驱动器。如图2所示,MCDEA由两片平面圆形DEA通过磁斥力柔性耦合而成。与刚性耦合的双锥形DEA相比,柔性耦合能为系统增加一个额外自由度,使两片DEA能够独立驱动又通过磁斥力耦合。可最大程度降低载荷的阻尼作用对柔性驱动器的影响:即使其中一片DEA受到载荷的阻尼作用无法在固有频率共振以提高输出性能,但是因为第二片DEA不直接与载荷接触,所以不受阻尼作用依然能够共振再通过柔性耦合对第一片DEA做功。利用此核心优势,研发了可用于软体机器人的柔性驱动气泵诞生。MCDEA气泵利用共振原理,极大地提高了泵输出性能与效率。通过测量,第一代小型气泵能够产生的流速与42.5 mBar的输出气压,均为在同等功率与实验条件下的最优。

今天我要告诉你:

图2.磁斥力柔性耦合双锥体介电弹性体驱动器结构组成。驱动器实物图。驱动器工作机理。

日本芝浦工业大学开发出了,体重1g左右,轻量且无声驱动的伸缩性小型泵,期待软体机器人的进化。

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