一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置

摘要

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。

权利要求

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；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。

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

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。

3.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。

4.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。

5.如权利要求4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。

6.如权利要求1‑5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。

7.如权利要求6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。

8.如权利要求1‑5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。

说明书

一种基于4D打印技术的传感执行一体化装置

技术领域

[0001] 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

[0002] 微电机系统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，微电机系统向更小体积、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

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 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

[0015] 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；

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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。

[0019] 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

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] 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。

[0028] 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。

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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。

[0032] 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。

[0033] 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。

[0034] 以上未涉及之处，适用于现有技术。

[0035] 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。