[发明专利]石墨烯电极介电弹性体驱动器

说明书

技术领域

本发明属于机器人驱动器与工业自动化驱动器技术领域，更具体地说，涉及一种石墨烯电极介电弹性体驱动器。

背景技术

当前随着人类生产生活的不断发展，对于机器人技术的需求不断提升。在人类不宜涉足的极端和危险工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利。目前机器人常用的驱动形式包括：电动机驱动、气压驱动、液压驱动等。这些传统的驱动方式存在能量密度偏低的问题，存在体积偏大、质量偏大、输出力偏小、安全系数偏低、环境适应差、可靠性低、不够灵活等系列问题，很难达到生物的动态性能；另外传统的驱动方式一般以刚性结构为主，难以满足像生物的柔韧性要求，因此抗冲击较差、抗碰撞能力较差。当前，人们研制了气动人工肌肉驱动器，但存在体积偏大，并受限于复杂的辅助系统。人们也开发了形状记忆合金制作的人工肌肉驱动器，但存在变形不可预知，响应速度较慢等问题；还有电活性陶瓷制作的驱动器也存在应变率较小问题。然而介电弹性体驱动器作为一种人工肌肉驱动器具有许多优势，如：具有提供的场致应变较大，力重比较大，功率密度较大，能量转化效率高等优点，但介电弹性体驱动器发展中也还存系列需要解决的一些技术问题，如：如何进一步减小电极对介电弹性体驱动刚度的影响，如何能够进一步减小电极厚度，如何提高介电弹性体驱动器的弯曲变形性，如何增大电极导电率，如何进一步提高介电弹性体驱动器的整体性能等技术问题。

发明内容

本发明针对目前驱动器存在的系列问题，提供一种石墨烯电极介电弹性体驱动器，以达到优化提升驱动器的综合性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：石墨烯电极介电弹性体驱动器，包括介电弹性体、石墨烯电极，在所述介电弹性体两侧表面均分别有石墨烯电极形成三明治结构的石墨烯电极介电弹性体驱动器，所述石墨烯电极包括：石墨烯层、引出电极；所述石墨烯层为石墨烯薄膜、石墨烯涂层或石墨烯复合材料层；所述石墨烯电极介电弹性体驱动器为石墨烯电极单层介电弹性体驱动器、石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器、石墨烯电极管型介电弹性体驱动器或石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器；所述石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器为石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器或石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器。

所述石墨烯电极介电弹性体驱动器的介电弹性体位于两层石墨烯电极材料之间，当在两侧石墨烯电极上施加上电压时，两石墨烯电极之间产生的库伦力在介电弹性体厚度方向上产生挤压力使之压缩，在平面方向上则伸展，可以使介电弹性体在厚度和平面方向发生形变产生驱动作用；去掉电压时，介电弹性体恢复到原来的形状。通过利用不同方向的变形，分别得到厚度位移驱动器和平面位移驱动器。

上述方案中，所述的石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器，其特征在于，所述石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极矩形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；所述石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器由石墨烯电极圆形单层介电弹性体单元依次堆叠构成；因此，石墨烯电极单层介电弹性体单元堆叠越多则驱动力越大；石墨烯电极单层介电弹性体单元堆叠面积越大则驱动力越大；所述石墨烯电极矩形堆叠型介电弹性体驱动器和石墨烯电极圆形堆叠型介电弹性体驱动器的边缘均有小的绝缘框区，防止电极短路。所述的石墨烯电极堆叠型介电弹性体驱动器可以用很小体积产生很大的力和形变。

上述方案中，所述的石墨烯电极管型介电弹性体驱动器的特征在于：介电弹性体呈管筒形状，石墨烯电极处于管筒形状介电弹性体内侧与外侧并相连接；所述石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器的特征在于：介电弹性体两侧面均与石墨烯层相连接，在石墨烯层边缘有引出电极和绝缘层，并将弹簧两端预处理后进行卷膜，构成石墨烯电极卷型介电弹性体驱动器。

上述方案中，所述的介电弹性体(DE)所采用的材料为硅橡胶及复合材料、改性石墨烯介电弹性体、硅树脂、明胶、环状高分子、天然橡胶、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体、丁晴橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、高介电常数填料添加的复合介电弹性体或微纳米填料添加的复合介电弹性体。

本发明石墨烯电极介电弹性体驱动器可以广泛应用于：机器人、航空航天、机械手、人工关节、汽车、人工肌肉、飞艇尾舵调节、膜片泵、智能驱动、生物医疗等领域。

实施本发明的石墨烯电极介电弹性体驱动器具有以下有益效果：

(1)本发明采用了石墨烯电极构成的介电弹性体驱动器，其性能指标优于

其它类型电极的介电弹性体驱动器；采用的石墨烯电极厚度极薄，不影响

介电弹性体刚度，弯曲变形性能好，并具有电阻低、电导率高的性能，机