CN112886858A - 一种基于4d打印技术的传感执行一体化装置 - Google Patents
一种基于4d打印技术的传感执行一体化装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112886858A CN112886858A CN202110046125.8A CN202110046125A CN112886858A CN 112886858 A CN112886858 A CN 112886858A CN 202110046125 A CN202110046125 A CN 202110046125A CN 112886858 A CN112886858 A CN 112886858A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sensing
- piezoelectric element
- displacement
- printing technology
- device based
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 238000007639 printing Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 14
- 230000008447 perception Effects 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 229920000431 shape-memory polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 claims description 3
- 238000000016 photochemical curing Methods 0.000 claims description 3
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 3
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 3
- 229920002620 polyvinyl fluoride Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 229910001285 shape-memory alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
Abstract
本发明公开了一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置。装置包括智能感知伸缩构件、位移传导件、压电元件和电致驱动执行元件;压电元件和电致驱动执行元件通过导线构成闭合电回路;位移传导件的两端分别与智能感知伸缩构件和压电元件相连接,智能感知伸缩构件感知外界热、磁、电、光信号,且与位移传导件的连接的一端产生相对位移,位移传导件将智能感知伸缩构件产生的微小位移传导至压电元件,压电元件受到外力的作用产生正压电效应,闭合电回路中产生电流。本发明皆以压电元件的正压电效应实现非电量信号向电量信号的转化并最终驱动电致驱动执行元件,实现了对外界环境各类信号的传感执行一体化设计。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域,尤其涉及一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置。
背景技术
微电机***在智能机器人领域迅猛发展,一方面,各式各样的服役环境对智能机器人的要求进一步提高,微电机***向更小体积、更高集成化的趋势发展,传感器与执行器的集成一体化研究、制备面临挑战;另一方面,目前传统的基于压电效应的传感执行一体化装置受限于材料或制造技术的不完全发展,可感知的信号还大多局限于机械振动信号,能对温度、光强、磁激励等信号实现自感知的传感执行一体化装置仍亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术的上述不足,提出一种可实现对电、热、磁、光等各种信号的自感知的基于4D打印技术的传感执行一体化装置。
本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,装置包括智能感知伸缩构件、位移传导件、压电元件和电致驱动执行元件;所述压电元件和电致驱动执行元件通过导线构成闭合电回路;所述位移传导件的两端分别与所述智能感知伸缩构件和压电元件相连接,所述智能感知伸缩构件感知外界热、磁、电、光信号,且与所述位移传导件的连接的一端产生相对位移,所述位移传导件将所述智能感知伸缩构件产生的微小位移传导至所述压电元件,所述压电元件受到外力的作用产生正压电效应,所述闭合电回路中产生电流。
进一步的,所述智能感知伸缩构件由电致型SMP、热致型SMP、磁致型SMP、光致型SMP其中一种或多种材料经4D打印技术制备而成。
进一步的,所述4D打印技术为熔融沉积技术、立体光固化技术、直写成型技术和立体喷墨印刷技术中的一种。
进一步的,所述电致驱动执行元件由电致形状记忆聚合物或\和电致形状记忆合金4D打印制备而成。
进一步的,所述压电元件为高分子压电材料或陶瓷压电材料通过增材制造技术成型。
进一步的,所述高分子压电材料包括聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或改性聚氯乙烯;所述陶瓷压电材料包括钛铅酸或钛酸钡。
进一步的,所述位移传导件包括传导杆,所述传导杆的一端与所述智能感知伸缩构件连接固定,所述传导杆的另一端与所述压电元件连接固定。
进一步的,所述位移传导件还包括限位件,所述限位件套设在所述传导杆外,所述限位件固定设置在所述传导杆运动轨迹某一位置,限制所述传导杆沿预设运动轨迹移动。
进一步的,所述装置还包括电流表,所述电流表串联在所述压电元件和电致驱动执行元件通过导线构成的闭合电回路中。
本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,通过智能感知伸缩构件感知外界热、磁、电、光等信号,并将感知的信号转换为位移,并通过位移传导件将所述智能感知伸缩构件产生的微小位移传导至所述压电元件,所述压电元件受到外力的作用产生正压电效应,进一步使得电致驱动执行元件最终输出机电信号,机电信号输出的大小程度取决于智能感知伸缩构件所吸收外界驱动因子的强弱,本发明皆以压电元件的正压电效应实现非电量信号向电量信号的转化并最终驱动电致驱动执行元件,实现了对外界环境各类信号的传感执行一体化设计,应用在智能机器人上可以拓展了智能机器人对外界环境的自感知功能。
本发明的一种基于4D打印技术传感执行一体化装置实现了传感执行一体化装置的整体化成型,为其向更小体积、更高集成化方向的发展提供了全新的制造思路。
附图说明
图1为本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置初始状态的结构示意图;
图2为本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置感应信号后的状态示意图;
图3为本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置的智能感知伸缩构件的一种实施例的结构示意图;
图4为本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置的智能感知伸缩构件的另一种实施例的结构示意图。
1、智能感知伸缩构件;2、位移传导件;21、传导杆;22、限位件;3、压电元件;4、电致驱动执行元件;5、导线;6、电流表。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
如图1和2所示,本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,装置包括智能感知伸缩构件1、位移传导件2、压电元件3和电致驱动执行元件4;压电元件3和电致驱动执行元件4通过导线5构成闭合电回路;位移传导件2的两端分别与智能感知伸缩构件1和压电元件3相连接,智能感知伸缩构件1感知外界热、磁、电、光信号,且与位移传导件2的连接的一端产生相对位移,位移传导件2将智能感知伸缩构件1产生的微小位移传导至压电元件3,压电元件3受到外力的作用产生正压电效应,闭合电回路中产生电流。
本发明的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,通过智能感知伸缩构件1感知外界热、磁、电、光等信号,并将感知的信号转换为位移,并通过位移传导件2将所述智能感知伸缩构件1产生的微小位移传导至所述压电元件3,所述压电元件3受到外力的作用产生正压电效应,进一步使得电致驱动执行元件4最终输出机电信号,机电信号输出的大小程度取决于智能感知伸缩构件1所吸收外界驱动因子的强弱,本发明皆以压电元件3的正压电效应实现非电量信号向电量信号的转化并最终驱动电致驱动执行元件4,实现了对外界环境各类信号的传感执行一体化设计,应用在智能机器人上可以拓展了智能机器人对外界环境的自感知功能。
本发明的一种基于4D打印技术传感执行一体化装置实现了传感执行一体化装置的整体化成型,为其向更小体积、更高集成化方向的发展提供了全新的制造思路。
智能感知伸缩构件1的材质和制备方法均有多种,在这里不做限定,例如:智能感知伸缩构件1的材质可以为形状记忆高分子,根据驱动因子的不同,形状记忆高分子可分为电致型SMP、热致型SMP、磁致型SMP、光致型SMP等,所以,智能感知伸缩构件1可以由电致型SMP、热致型SMP、磁致型SMP、光致型SMP其中一种或多种材料经4D打印技术制备而成,这里可以根据实际的功能需求选择适合的材料。当材料为多种时,例如:包括电致型SMP、热致型SMP、和光致型SMP,智能感知伸缩构件1的结构可以如图3所示为同轴夹心,由外到内可以依次为电致型SMP、热致型SMP、和光致型SMP。当材料为一种,结构可以如图4所示,可以为片层状Z字形伸缩结构,层数可以有多层,可以根据实际情况设置,图4中N表示大于0的自然数。
进一步的,4D打印技术可以为熔融沉积技术、立体光固化技术、直写成型技术和立体喷墨印刷技术中的一种。
4D打印技术是增材制造成形智能材料的一种前沿技术,得益于其层层叠加成型的独特制造方式,相比于传统制造方法,其可成型任意具备复杂结构的零件,并在整体化成型传感执行一体化装置方面具有极大的优势。
电致驱动执行元件4的材质和制备方法均有多种,在这里不做限定,例如:电致驱动执行元件4可以由电致形状记忆聚合物或\和电致形状记忆合金4D打印制备而成。
压电元件3的材质和制备方法均有多种,在这里不做限定,例如:压电元件3可以为高分子压电材料或陶瓷压电材料通过增材制造技术成型。高分子压电材料可以包括聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或改性聚氯乙烯;陶瓷压电材料可以包括钛铅酸或钛酸钡。
位移传导件2的结构有多种,在这里不做限定,在本实施例中,位移传导件2可以包括传导杆21,传导杆21的一端与智能感知伸缩构件1连接固定,传导杆21的另一端与压电元件3连接固定。
为了保证传导杆21有效将智能感知伸缩构件1产生的位置传导至压电元件3上,位移传导件2还可以包括限位件22,限位件22套设在传导杆21外,限位件22固定设置在传导杆21运动轨迹某一位置,限制传导杆21沿预设运动轨迹移动,限位件22的结构有多种,在这里不做限定。
其中,位移传导件2可以由金属增材制造中的常规制造技术成型。
装置还包括可以电流表6,电流表6串联在压电元件3和电致驱动执行元件4通过导线5构成的闭合电回路中,电流表6示意、记录闭合电回路中的电流幅值。
一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置整体化成型的制备方法,可以如下:利用三维建模软件将所述传感执行一体化的集成装置数字化为3D模型,并进行切片处理输出为STL格式文件;在316L不锈钢基板上增材制造成型装置的各类固定构件,例如:智能感知伸缩构件1的左固定端、位移传导构件和导线5;根据尺寸配合关系,利用4D打印技术成型智能感知伸缩构件1与电致驱动执行元件4,成形过程中确保各部件的精确配合,直至最终成型。
以上未涉及之处,适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明,但是本领域的技术人员应该理解,以上示例仅是为了进行说明,而不是为了限制本发明的范围,本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解,凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:装置包括智能感知伸缩构件(1)、位移传导件(2)、压电元件(3)和电致驱动执行元件(4);所述压电元件(3)和电致驱动执行元件(4)通过导线(5)构成闭合电回路;所述位移传导件(2)的两端分别与所述智能感知伸缩构件(1)和压电元件(3)相连接,所述智能感知伸缩构件(1)感知外界热、磁、电、光信号,且与所述位移传导件(2)的连接的一端产生相对位移,所述位移传导件(2)将所述智能感知伸缩构件(1)产生的微小位移传导至所述压电元件(3),所述压电元件(3)受到外力的作用产生正压电效应,所述闭合电回路中产生电流。
2.如权利要求1所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述智能感知伸缩构件(1)由电致型SMP、热致型SMP、磁致型SMP、光致型SMP其中一种或多种材料经4D打印技术制备而成。
3.如权利要求2所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述4D打印技术为熔融沉积技术、立体光固化技术、直写成型技术和立体喷墨印刷技术中的一种。
4.如权利要求2所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述电致驱动执行元件(4)由电致形状记忆聚合物或\和电致形状记忆合金4D打印制备而成。
5.如权利要求1所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述压电元件(3)为高分子压电材料或陶瓷压电材料通过增材制造技术成型。
6.如权利要求5所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述高分子压电材料包括聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或改性聚氯乙烯;所述陶瓷压电材料包括钛铅酸或钛酸钡。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述位移传导件(2)包括传导杆(21),所述传导杆(21)的一端与所述智能感知伸缩构件(1)连接固定,所述传导杆(21)的另一端与所述压电元件(3)连接固定。
8.如权利要求7所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述位移传导件(2)还包括限位件(22),所述限位件(22)套设在所述传导杆(21)外,所述限位件(22)固定设置在所述传导杆(21)运动轨迹某一位置,限制所述传导杆(21)沿预设运动轨迹移动。
9.如权利要求1-6任一项所述的一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置,其特征在于:所述装置还包括电流表(6),所述电流表(6)串联在所述压电元件(3)和电致驱动执行元件(4)通过导线(5)构成的闭合电回路中。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110046125.8A CN112886858B (zh) | 2021-01-14 | 2021-01-14 | 一种基于4d打印技术的传感执行一体化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110046125.8A CN112886858B (zh) | 2021-01-14 | 2021-01-14 | 一种基于4d打印技术的传感执行一体化装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112886858A true CN112886858A (zh) | 2021-06-01 |
CN112886858B CN112886858B (zh) | 2022-02-11 |
Family
ID=76045951
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110046125.8A Active CN112886858B (zh) | 2021-01-14 | 2021-01-14 | 一种基于4d打印技术的传感执行一体化装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112886858B (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113909493A (zh) * | 2021-09-09 | 2022-01-11 | 中国地质大学(武汉) | 一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4d打印方法和应用 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20160049887A1 (en) * | 2014-08-13 | 2016-02-18 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric driving device and driving method thereof, robot and driving method thereof |
CN111490699A (zh) * | 2019-01-28 | 2020-08-04 | 精工爱普生株式会社 | 压电驱动装置、机器人及打印机的控制方法 |
-
2021
- 2021-01-14 CN CN202110046125.8A patent/CN112886858B/zh active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20160049887A1 (en) * | 2014-08-13 | 2016-02-18 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric driving device and driving method thereof, robot and driving method thereof |
CN111490699A (zh) * | 2019-01-28 | 2020-08-04 | 精工爱普生株式会社 | 压电驱动装置、机器人及打印机的控制方法 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113909493A (zh) * | 2021-09-09 | 2022-01-11 | 中国地质大学(武汉) | 一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4d打印方法和应用 |
CN113909493B (zh) * | 2021-09-09 | 2023-02-17 | 中国地质大学(武汉) | 一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4d打印方法和应用 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112886858B (zh) | 2022-02-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kim et al. | A turtle-like swimming robot using a smart soft composite (SSC) structure | |
Haque et al. | Self-powered triboelectric touch sensor made of 3D printed materials | |
Giurgiutiu et al. | Micromechatronics: Modeling, analysis, and design with MATLAB | |
JP6712996B2 (ja) | 3dメカトロニックオブジェクトの付加製造用の方法 | |
CN112886858B (zh) | 一种基于4d打印技术的传感执行一体化装置 | |
CN111409284B (zh) | 一种基于4d打印的柔性压电传感器及其制备方法 | |
US9242370B2 (en) | Miniature robot having multiple legs using piezo legs having two degrees of freedom | |
JP2013505537A (ja) | 多極電磁発電機を有するワイヤレススイッチ | |
Muralidharan et al. | Development of Subcarangiform Bionic Robotic Fish Propelled by Shape Memory Alloy Actuators. | |
MacCurdy et al. | Bitblox: Printable digital materials for electromechanical machines | |
CN103532425A (zh) | 一种磁场驱动的纳米摩擦发电机 | |
Matharu et al. | SoJel–A 3D printed jellyfish-like robot using soft materials for underwater applications | |
CN103698002A (zh) | 一种振动探测器和探测方法 | |
CN112217414A (zh) | 一种基于微流道的摩擦纳米发电机及发电方法 | |
CN203775075U (zh) | 微振动传感器 | |
Cai et al. | Analysis and design of a permanent magnet bi-stable electro-magnetic clutch unit for in-wheel electric vehicle drives | |
Robles-Cuenca et al. | Miniature Autonomous robot based on legged in-plane piezoelectric resonators with onboard power and control | |
Liao et al. | A tactile sensor translating texture and sliding motion information into electrical pulses | |
Chen et al. | Electromechanical actuators for haptic feedback with fingertip contact | |
Ma et al. | A review of robotic fish based on smart materials | |
TWI314385B (en) | Surface acoustic wave linear motor, surface acoustic wave linear motor package, and lens actuator adopting the surface acoustic wave linear motor package | |
TWI330774B (en) | Motion stage controlled by wire twisting | |
CN111122903A (zh) | 一种自供能的电磁运动感知传感器 | |
KR101210497B1 (ko) | 자기변형 현상을 이용한 초소형 이동체 | |
CN115571303A (zh) | 一种自发电自驱动仿生海星软体机器人及控制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |