基于电活性聚合物薄膜柔性器件的触觉传感特性

针对电活性聚合物(EAP)薄膜制造柔性智能器件的发展要求,分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理,采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极,然后构建了柔性传感器件。实验研究了EAP柔性器件的手指关节弯曲姿态及脚踏运动触觉的传感特性。扫描电子显微(SEM)形貌观察表明:碳纳米管薄膜呈网状结构且质地致密均匀。基于EAP柔性器件的手指弯曲姿态实验结果表明:在手指弯曲度为15~90°时,输出电压峰值为1.2~3.7V,展示了输出电压峰值与手指弯曲度之间的高线性度,线性相关系数为0.9951。此外,采用EAP薄膜器件对踏步触觉进行了实验测试,其输出电压峰值在1V左右,而且具有响应快、可重复性好等优势。本文的研究为电活性聚合物薄膜型电子皮肤及触觉传感器的发展提供了理论基础和实验依据。     

介电型电活性聚合物圆柱驱动器特性

介电型电活性聚合物(Electroactive polymer, EAP)驱动器的动、静态特性是其合理使用及优化设计的重要依据。构建圆柱形驱动器几何模型描述其几何变形,结合EAP膜机电耦合方程推导驱动器轴向线性运动的动力学方程。驱动器的电压-位移数值计算结果显示内外层EAP膜柔性电极涂覆方式会影响驱动器位移。基于驱动器的电压位移关系,对其主要失效形式进行讨论。将基于neo-Hookean弹簧的1个时间常数黏弹性模型修正为具有2个时间常数的模型,并将2种模型运用于阶跃和周期电压激励下的驱动器动态响应研究。理论计算与试验结果的对比分析表明,2个时间常数的黏弹性模型对驱动器的动态位移描述更为准确。在周期激励电压下,提高频率会显著减小驱动器位移幅值,驱动器的“激励死区”会减小其振动中心偏移及振动幅度。     

基于有限元法的桥式柔顺机构动态性能分析

为了精确描述桥式柔顺机构的动态性能,采用有限元方法建立其动力学模型,并基于该模型分析其动态性能。采用欧拉-伯努利梁模拟柔性铰链和杆件的力学行为,采用最小势能原理得到桥式机构的刚度矩阵,采用拉格郎日方程建立机构的质量矩阵和动力学方程。基于桥式机构的有限元模型,分别进行铰链尺寸参数对固有频率的灵敏度分析、动刚度和动应力分析。分析结果表明:增大铰链厚度与长度之比可提高机构的响应快速性;在机构工作运动方向有较大的振动,而且在接近于固有频率处发生较大的超调;靠近驱动端的铰链所受的动应力较大,容易疲劳破坏。     

有机电致发光薄膜器件的研究

有机电致发光薄膜具有制备方便,驱动电压低,发光亮度高,可以与聚合物基底匹配等优点,成为目前世界显示技术的一大研究热点。论述了有机发光薄膜器件的结构、工作机理及其薄膜电致,光致发光的特性,论述了薄膜发光器件的电学特性与光学特性及其器件在脉冲电压波形驱动下的电光特性,提出了应用于显示技术的有机电致发光薄膜器件的电学于光学特性的优化方法。     

空间微振动模拟器柔性铰链设计

设计基于万向柔性铰链的Stewart平台作空间微振动模拟器,模拟空间振动辅助空间光学遥感器的隔振研究。Stewart平台要有效模拟空间微振动,铰链特性设计最为关键,要求其轴向刚度足够大而旋转刚度足够小。将万向柔性铰链建立杆件模型,由材料力学知识推导铰链各向刚度公式,利用Patran/Nastran建立有限元模型进行仿真验证,分析了结构参数对各向刚度的影响。根据性能指标和材料强度参数确定了柔性铰链最佳结构参数。另外,通过有限元软件对铰链进行强度校核。结果表明,设计的万向柔性铰链满足要求,总结出的铰链刚度特性规律对设计有一定指导意义。     

空间柔性结构振动控制用压电主动构件模型与实验研究

利用压电陶瓷的逆压电效应，研制了一种空间柔性结构振动主动控制用的新型压电智能主动构件，该构件具有重量轻、输出位移大、驱动电压低、稳定性高等优点。分析了压电主动构件建模方法中存在的问题，提出了一种修正的机电耦舍导纳模型，通过数值仿真验证了该模型的正确性。结合所研制的主动构件，对主动构件的动静态特性进行了实验研究与分析，揭示了压电主动构件用于空间柔性结构振动主动控制的优良性能。     

Ansys在PZT压电薄膜微传感器压电分析中的应用

研究的PZT压电薄膜微传感器采用的弹性敏感元件为微悬臂梁结构,在压电原理和材料力学理论的基础上,采用简化的等效微器件结构建立了数学分析模型,将有限元方法发展应用于压电材料的结构分析中,并运用有限元软件Ansys7.0对PZT压电薄膜微悬臂梁结构的传感性能和线性度进行了模拟,同时分析了微悬臂梁结构的几何参数对输出电压的影响,这些分析结果和解析预测是一致的。     

基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验

软体机器人运动时具有高柔性,执行任务时又能展示出强刚度,在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势,提出实时变刚度的软体驱动器,研究其变刚度机理和动态建模方法。首先,提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型;其次,利用赫兹接触模型,建立机器人运动数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理;再次,利用有限元对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响,并进行了优化;最后,制作了变刚度软体机械臂样机,验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。     

基于解析弹性基础的重载轮胎动力学建模与分析

以重载大扁平比轮胎为研究对象,基于弹性基础的柔性胎体模型为基础,分别从大扁平比胎侧曲梁的刚度建模、基于解析弹性基础的轮胎动力学建模两方面开展研究。建立考虑预紧力弦效应和结构弯曲效应的大扁平比胎侧曲梁解析刚度模型,并研究胎侧曲梁非均匀截面特性和几何、结构参数对解析刚度的影响规律。结果表明：（1）重载轮胎在0～180 Hz范围以结构周向弯曲振动为主,与基于弹性基础的柔性梁模型一致;（2）大扁平比胎侧曲梁的解析刚度与胎侧的几何、结构和充气压力参数直接相关;（3）轮胎充气压力影响柔性胎体梁的轴向预紧力和胎侧的弦刚度,进而影响轮胎弯曲振动特性。     

主动构件等效机电耦合动力学模型及其特性研究

介绍了一种采用压电元件作为致动器和传感器的集成式智能主动构件。提出了一种将复合静态刚度和无网格相结合的方法,基于力学等效思想,利用虚功原理和Galerkin方法建立了主动构件的等效机电耦合动力学模型,并对该模型进行了数值仿真,验证了该模型的正确性;另外,对该构件的致动特性和传感特性进行了仿真分析与实验研究,结果表明：该压电智能主动构件具有输出位移大、驱动电压低、稳定性高以及传感特性良好等优点,适用于空间大型柔性结构的振动主动控制。