介电弹性体圆柱形驱动器静态特性分析

    引言

    介电弹性体材料具有大弹性、高变形率和高能量密度及重量轻的特点，介电弹性体驱动器在微型泵、机器人、触觉界面、扬声器、医学康复、传感器、能量收集等方面获得广泛关注［1 ～2］。相对于其他结构形式的介电弹性体驱动器( 如锥形、蝶形、菱形等) ，圆柱形驱动器结构简单、能输出较大的位移和力，具有很好的“人工肌肉”特性，在力反馈设备［3］、机器人手爪［4］、机器人驱动［5］等方面具有独特的优势。

    介电弹性体圆柱形驱动器也称卷绕驱动器( rolled actuator) ，由介电弹性体膜预拉伸后卷绕而成，内部由压缩弹簧支撑。目前，采用试验方法［3］研究驱动器的力位移特性需要对驱动器在各种工况条件下进行多种试验，尤其对粘弹性材料膜制作的驱动器，工作量很大，不具指导性; 采用理论方法对圆柱形驱动器进行受力分析，由于对驱动器按小变形工作范围进行线性化近似［5］，对多层卷绕圆柱形驱动器重点研究卷绕层数对驱动器性能的影响［6］，而忽略其他因素影响，在具体驱动器静态性能研究应用中均有一定的局限性。本文针对手指关节中使用的圆柱形驱动器，从几何变形入手，对介电弹性体圆柱形驱动器轴向力的主要影响因素进行分析比较，并结合实际进行验证。

    1 圆柱形驱动器结构及轴向力平衡

    圆柱形驱动器的膜材料采用美国 3M 公司的

1 mm厚 VHB4910 介电弹性体薄膜，其初始平面尺寸为 68 mm ×70 mm，将其拉伸至 340 mm ×245 mm( 拉伸率为 5 ×3. 5) ，然后在其双面对应区域涂覆柔性电极，涂覆面积为 165 mm × 28 mm。加装电极引出线，将上述两块同样涂覆电极的膜按涂覆区域对齐叠压后卷绕在预压缩的弹簧外圈。驱动器卷绕时进行裁剪，裁剪后的尺寸为 180 mm × 50 mm。裁剪后的薄膜在驱动器端盖上卷绕 4 圈( 由于是双层卷绕，实际卷绕层数为 8 层) ，最后用热缩套管将卷绕后的驱动器两端薄膜进行加热固定。两端的螺杆用来固定驱动器或与负载连接。圆柱形驱动器的结构如图 1 所示。驱动器芯部的弹簧用来提供预载荷，在径向还起到支撑薄膜的作用，弹簧参数见表 1。驱动器未施加电压激励时，弹簧力与介电弹性体的预拉伸力平衡。当在电极上施加高压直流电时，会产生轴向力差使驱动器轴向伸长。

    根据驱动器工作原理，驱动器的设计制作首先需要确定预载荷的大小。本文采用压缩弹簧产生预载荷，要求其压缩力与卷绕后的预拉伸介电弹性体薄膜的轴向拉力平衡。在计算弹簧的压缩量时，除了考虑介电弹性体薄膜的预拉伸力平衡外，还需考虑因介电弹性体膜的侧边回缩效应、膜的周向松弛现象及因卷绕引起膜层之间压力引起的轴向力变化。驱动器制作时主要在这 3 种影响因素作用下，轴向力达到初始平衡，形成驱动器初始长度。