[发明专利]一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手指节的驱动模型

权利要求书

1.一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手指节的驱动模型，其特征在于，建立过程包括以下步骤：

步骤1：基于梁弯曲理论建立弯曲型介电弹性体驱动器的弯曲曲率与输入场强的关系式，包括：步骤1.1：弯曲型介电弹性体驱动器包括多层两面覆盖柔性电极的介电弹性体薄膜和至少一层基底，在两端的柔性电极通入电压时驱动器向基底方向弯曲；忽略电极的厚度，将沿驱动器厚度的方向定义为Y建立坐标系，Y＝0处为介电弹性体薄膜与基底的交界处；步骤1.2：计算弯曲型介电弹性体驱动器弯曲时驱动器在截面高度y上的应变ε(y)，计算公式为：-t_s≤y≤h_n；其中ε₀′是驱动器在截面高度y＝0上的应变，ρ是驱动器弯曲的曲率半径，κ是弯曲曲率，t_s为基底的厚度；h_n＝nt_p为n层介电弹性体的高度，t_p为一层介电弹性体t_p的厚度；步骤1.3：计算基底弯曲时在截面高度y上的应变ε_s和正应力σ_s，计算公式为：ε_s＝ε′₀+yκ，σ_s＝Y_s(ε₀′+yκ)，-t_s≤y≤0；其中Y_s是基底的弹性模量；步骤1.4：计算介电弹性体弯曲时在截面高度y上的正应力σ_p，计算公式为：σ_p＝Y_p(ε₀′+yκ-M_pE²)，0≤y≤h_n；其中Y_p是介电弹性体的弹性模量，是介电弹性体的电致伸缩系数，μ为介电弹性体的泊松比，ε₀为真空介电常数，ε_r为介电弹性体的相对介电常数；步骤1.5：当没有施加外力或外力矩在驱动器上时，合力与合力矩均为零；合力合力矩结合公式σ_s＝Y_s(ε₀′+yκ)，-t_s≤y≤0和σ_p＝Y_p(ε₀′+yκ-M_pE²)，0≤y≤h_n，计算得到弯曲型介电弹性体驱动器的弯曲曲率κ与输入场强E间的关系式：其中n为介电弹性体薄膜的层数，V为输入电压；

步骤2：根据屈曲杆的弹性线方程建立弯曲型介电弹性体驱动器的驱动力与输入场强的关系式，包括：步骤2.1：将弯曲型介电弹性体驱动器看作大柔度杆，在驱动器端部沿平面长度方向施加压力，当压力大于欧拉临界载荷时，驱动器端部会沿厚度方向产生端部转角α，大挠度其中L为驱动器的长度，K(p)为第一类完全椭圆积分，步骤2.2：驱动器通入电压时，由于电场作用，驱动器端部沿厚度方向产生端部转角γ，大位移δ_y，将施加压力产生的大挠度y_α和施加电场产生的位移δ_y等效，由和推导得到α和E关系；步骤2.3：由屈曲杆的弹性线方程得到其中，b是驱动器的宽度，结合h＝t_s+nt_p得到其中h是驱动器的总高度，YI为驱动器的抗弯刚度；由和结合和推导得到F和E的关系式；

步骤3：设计基于介电弹性体驱动和刚性折纸的灵巧手指节；

步骤4：根据弯曲型介电弹性体驱动器的弯曲曲率与输入场强的关系式、弯曲型介电弹性体驱动器的驱动力与输入场强的关系式建立灵巧手指节的位置、驱动力和场强之间的驱动模型，包括：将X、Y轴设置在所述灵巧手指节的下板平面上，Z轴垂直设置于所述灵巧手指节的下板平面建立坐标系；所述灵巧手指节的结构上下对称，通入电压时灵巧手指节的压缩位移X为弯曲型介电弹性体驱动器压缩位移的两倍，计算公式为：κ是弯曲曲率，L为驱动器的长度；根据结合推导得到灵巧手指节的压缩位移X与输入场强E关系式；将变形后的弯曲型介电弹性体驱动器在XY平面上的投影长度记为x，在Z轴上的投影长度记为y，x和y的计算公式为当所述介电弹性体驱动机构包括六个弯曲型介电弹性体驱动器、所述灵巧手指节的上板下和所述下板上分别均匀设有三个所述弯曲型介电弹性体驱动器时，将下板上的三个弯曲型介电弹性体驱动器的端部中点分别设置为A、B、C，A、B、C的坐标分别为其中a为所述灵巧手指节的上板、下板的边长，三个弯曲型介电弹性体驱动器的x和y分别为x₁、x₂、x₃和y₁、y₂、y₃；根据A、B、C的坐标位置得到向量和根据向量和得到平面ABC的法向量为(A₁，A₂，A₃)＝(a₂b₃-a₃b₂，a₃b₁-a₁b₃，a₁b₂-a₂b₁)；根据ABC的法向量计算得到灵巧手指节的弯曲角度结合(A₁，A₂，A₃)＝(a₂b₃-a₃b₂，a₃b₁-a₁b₃，a₁b₂-a₂b₁)和推导得出灵巧手指节的弯曲角度θ与输入场强E的关系式；灵巧手指节的驱动力与弯曲型介电弹性体驱动器的数量有关，驱动器的驱动力当灵巧手指节中具有m个上下对称的弯曲型介电弹性体驱动器时，灵巧手指节的驱动力由公式和结合和推导得出灵巧手指节的驱动力P与输入场强E的关系式。