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深圳先进院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

2019-12-17

日前,中国科学院深圳先进技能研讨院医疗机器人与微创手术器械研讨中心快乐副研讨员团队研制出新式磁斥力非触摸式谐振耦合耦合双锥体介电弹性体驱动器,该软体驱动器选用新式电-磁-力耦合机制,具有双自由度、紧凑仿生拮抗组织、高功率密度与高机电功率等特色,并运用驱动器本身弹性、柔性耦合等特色完成共振驱动,处理了软体驱动器在高阻尼负载条件下功率输出大幅削减的要害问题。相关研讨成果相继在线发表于威望期刊Applied Physics Letters、Advanced Materials Technologies 和Physical Review Applied 。团队中曹崇景博士为系列论文榜首作者,快乐副研讨员为通讯作者。

软体机器人因其优胜的结构与环境顺应性在近10年来成为世界研讨热门。软体机器人由软资料构成,可以经过本身形变自适应非结构化的不知道环境,已在医疗、侦查、救灾等许多范畴展现出宽广的运用远景。气动型软体机器人是开展较为老练且运用面较为广泛的一类软体机器人。可是由于缺少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一般需求经过软管衔接较大的外部气压操控体系进行操控,约束了其在许多范畴的运用远景,如长途特种机器人。因而气动型软体机器人的动力源问题一向困扰着研讨人员。

由于嵌入式刚性驱动气泵将使软体机器人丢失必定和婉性,所以软体气泵需由软体驱动器构成,而且需具有可扩展性好、能适用于不同标准的软体机器人的结构特色。在功能上,需具有流速快、输出气压大等特色。介电弹性体驱动器是一种新式的软体驱动器,其可扩展性好,输出功能好且安稳易于操控。DEA由一片介电薄膜与两边柔性电极构成,如图1.所示。当对两边柔性电极施加必定电势差时,发生的Maxwell应力揉捏薄膜,使薄膜厚度减小的一起平面内面积增大)。此软体驱动原理使介电弹性体既能作为关闭泵腔体的薄膜,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。可是,这种规划也带来了新的问题,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下降了泵的流速、气压与能量转化功率等要害输出功能。这种影响在高频驱动下尤为明显,也使得运用薄膜弹性完成高频共振、进步输出功能这一共振机制无法完成。  

图1. 介电弹性体驱动器组成和驱动方法。 

为处理此难题,快乐副研讨员初次提出双锥形DEA的电-磁-力柔性耦合机理,由曹崇景博士研制出新式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经过磁斥力柔性耦合而成。与刚性耦合的双锥形DEA比较,柔性耦合能为体系添加一个额定自由度,使两片DEA可以独立驱动又经过磁斥力耦合。可最大程度下降载荷的阻尼效果对柔性驱动器的影响:即便其间一片DEA遭到载荷的阻尼效果无法在固有频率共振以进步输出功能,可是由于第二片DEA不直接与载荷触摸,所以不受阻尼效果仍然可以共振再经过柔性耦合对榜首片DEA做功。运用此中心优势,研制了可用于软体机器人的柔性驱动气泵诞生。MCDEA气泵运用共振原理,极大地进步了泵输出功能与功率。经过丈量,榜首代小型气泵可以发生1L/min的流速与42.5 mBar的输出气压,均为在平等功率与试验条件下的最优。 

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。驱动器作业机理。 

图3.首款运用介电弹性器共振机制驱动的柔性气泵,被选为2019年8月的AMT期刊主封面。 

为了对MCDEA气泵做结构优化,并验证柔性耦合气泵的输出功能为现如今软体流体泵的最优以及提醒更多运用远景,团队进行动力学模型剖析,理论与试验成果到达95%以上的精确度。如图4所示。该研讨将杂乱的非线性MCDEA体系简化为三绷簧与两质量的经典动力学模型,并运用Gent模型描绘介电弹性体的超弹性力,以及Kelvin-Voigt模型描绘薄膜与柔性电极的粘弹性力。在此理论模型的辅导下,一些新的现象将有望进行新的探究与运用:经过调整鼓励电压信号操控两片DEA的输出相位差,由此开发出新式经过操控相位差的高频振荡操控战略;经过操控鼓励信号的频率差发生可控和声共振,可用于杂乱体系的减震以及声学运用中。该电-磁-力耦合技能将在未来运用在介入和天然腔道手术机器人中并起到颠覆性效果。 

图4. MCDEA的非线性动力学模型与新式高频振荡操控战略 

该研讨作业得到深圳先进院微创中心王磊研讨员的辅导,以及布里斯托大学Tom Hill博士、Andrew Conn博士、西安交通大学机械学院李博副教授的协助,并得到国天然要点、国天然基金与深圳市介入治疗一体化要害技能与工程试验室等项目赞助。 

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