弯曲型介电型电活性聚合物驱动器的建模研究

介电型电活性聚合物(DEAP)由于其大应变,高效率及高能量密度等优点,在仿生机器人领域具有广泛的应用前景。该文设计制作了一种可实现弯曲变形的DEAP驱动器,根据弹性大变形理论建立驱动器的机电耦合模型,通过微分方程组的迭代求解获得激励电压与输出角度、侧向输出力之间的关系。试验结果表明,在5kV电压下,该驱动器可产生最大75°的弯曲角度,最大侧向输出力达到0.7N。试验结果与理论结果较吻合,验证了驱动器设计与分析的有效性。以该驱动器为驱动单元,构建了一种仿生爬行机器人,初步试验表明了该类型驱动应用于仿生机器人的可行性,可为仿生机器人摆动驱动提供一种新的实现方法。     

介电型EAP线性和弯曲驱动器研究

基于介电型EAP(dielectric electroactive polymer,电活性聚合物)较好的综合性能,研究了卷绕式线性和弯曲驱动器。分析了线性驱动器的结构,进行了单(两)自由度弯曲驱动器的电极形式设计,构建了双轴拉伸机构和卷绕平台用于驱动器制作。试验表明:线性和弯曲驱动器能产生线性伸长和单(两)自由度连续弯曲,其中线性伸长率超过30%,弯曲角度可达90°(32°),并测试了驱动器的输出力。卷绕式驱动器结构紧凑,运动范围大,能产生类似于生物体的柔性运动,在仿生空中或地面机器人等领域具有广泛应用前景。     

介电型EAP卷绕式驱动器的实现与应用

基于介电型EAP(electroactive polymer,电活性聚合物)的优点,以VHB4910作为驱动材料,设计、实现了卷绕式二自由度驱动器,它可产生轴向伸缩和弯曲运动。对驱动器的性能进行测试,其最大轴向位移为6.78 mm,最大轴向推拉力分别为9.56 N、9.81 N;最大弯曲角度达87°,最大侧向力为1.04 N。在驱动器两端安装两对单向轮,实现了一个可爬行运动的机器人,该机器人可通过驱动器的伸缩和弯曲向前运动,其伸缩运动速度为1.55 mm/s,弯曲运动速度可达6.41 mm/s。试验证明介电型EAP可以用于实现微小型爬行机器人。     

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。