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介电型电活性聚合物圆柱形驱动器的驱动效率

光学精密工程 2016年第8期24卷 1980-1990页

作者：罗华安王化明朱银龙左方睿汪洋南京信息职业技术学院机电学院江苏南京210023 南京航空航天大学机电学院江苏南京210016 南京林业大学机械电子工程学院江苏南京210037

研究了介电型电活性聚合物(DEAP)驱动器的机电能量转换机理、能量损耗和驱动效率。建立了驱动器机电能量转换模型,并通过试验测算了驱动器等效电路的模型参数,分析了电极材料等因素对DEAP相对介电常数的影响。深入研究了驱动器漏电流损... 详细信息

研究了介电型电活性聚合物(DEAP)驱动器的机电能量转换机理、能量损耗和驱动效率。建立了驱动器机电能量转换模型,并通过试验测算了驱动器等效电路的模型参数,分析了电极材料等因素对DEAP相对介电常数的影响。深入研究了驱动器漏电流损耗,试验验证了漏电流对驱动器性能的影响。最后,设计了驱动器驱动试验台,完成了不同行程的准静态驱动试验,数值计算了驱动器的驱动效率。结果表明:由于等效电路电容未参与能量转换,驱动器机电转换效率分别为17.6%和25.6%。低电压、小行程驱动时,试验误差与理论分析误差不超过15%;而高电压、大行程驱动时,DEAP膜的漏电流等非线性因素使其驱动效率变化明显。该结果可为DEAP圆柱形驱动器的优化设计及合理使用提供指导。

关键词：介电型电活性聚合物圆柱形驱动器机电能量转换驱动效率漏电流

介电弹性体圆柱形驱动器机电耦合致动过程分析

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南京航空航天大学学报 2012年第6期44卷 869-875页

作者：罗华安王化明游有鹏南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室南京210016 南京信息职业技术学院机电学院南京210046

驱动器薄膜施加高压直流电后产生的轴向力差能使圆柱形驱动器伸长。为研究介电弹性体圆柱形驱动器的动态反应,本文对其机电耦合致动原理及过程进行了分析。圆柱形驱动器的机电耦合致动过程类似于蠕变过程,提出一种广义Voigt线性粘弹性... 详细信息

驱动器薄膜施加高压直流电后产生的轴向力差能使圆柱形驱动器伸长。为研究介电弹性体圆柱形驱动器的动态反应,本文对其机电耦合致动原理及过程进行了分析。圆柱形驱动器的机电耦合致动过程类似于蠕变过程,提出一种广义Voigt线性粘弹性模型来对其进行描述,并对计算结果与试验之间产生误差的主要原因进行分析。根据驱动器机电耦合致动过程中驱动器的准静态位移的非线性及轴向应力的变化对原模型进行改进。试验表明,在驱动器工作电压范围内,改进的广义Voigt模型能较好地描述驱动器机电耦合致动过程,此模型可用于介电弹性体圆柱形驱动器的性能预测和优化。

关键词：介电弹性体圆柱形驱动器机电耦合致动过程 Voigt模型

超弹性介电型EAP圆柱形驱动器变激励电压下动态响应分析

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振动与冲击 2015年第19期34卷 218-223页

作者：朱银龙王化明罗华安周宏平南京林业大学机械电子工程学院南京210037 南京航空航天大学机电学院南京210016 南京信息职业技术学院机电学院南京210023

超弹性电活性聚合物(electroactive polymer,EAP)圆柱形驱动器的动态特性是进行合理设计、使用及优化驱动器的重要依据。结合介电型EAP机电耦合方程,构建了驱动器轴向线性运动的动力学方程。通过计算得到驱动器的电压-轴向位移曲线,研... 详细信息

超弹性电活性聚合物(electroactive polymer,EAP)圆柱形驱动器的动态特性是进行合理设计、使用及优化驱动器的重要依据。结合介电型EAP机电耦合方程,构建了驱动器轴向线性运动的动力学方程。通过计算得到驱动器的电压-轴向位移曲线,研究了驱动器在准静态点附近的稳定性。最后,分析了驱动器在施加阶跃和周期电压激励时的动态响应。结果表明,在有效工作范围内驱动器是稳定的,阶跃电压激励使驱动器在准静态点附近产生轴向振动,周期电压使驱动器产生包含自振的拟周期轴向振动。进一步分析表明,阶跃电压激励更易导致驱动器的电击穿失效。

关键词：超弹性介电型EAP 圆柱形驱动器动态响应

介电型电活性聚合物圆柱形驱动器结构参数分析

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农业机械学报 2016年第4期47卷 355-363页

作者：罗华安王化明朱银龙南京信息职业技术学院机电学院南京210023 南京航空航天大学机电学院南京210016 南京林业大学机械电子工程学院南京210037

介电型电活性聚合物圆柱形驱动器结构简单,能输出较大的位移和力,对其结构参数进行分析是优化设计及合理使用驱动器的基础。通过建立圆柱形驱动器的几何模型分析了驱动器轴向伸长及径厚比对各层膜厚度变化的影响;基于圆柱形驱动器失效... 详细信息

介电型电活性聚合物圆柱形驱动器结构简单,能输出较大的位移和力,对其结构参数进行分析是优化设计及合理使用驱动器的基础。通过建立圆柱形驱动器的几何模型分析了驱动器轴向伸长及径厚比对各层膜厚度变化的影响;基于圆柱形驱动器失效模式分析,揭示了结构参数(驱动器膜的预拉伸、卷绕层数、弹簧参数等)对驱动器输出性能的影响。结果表明,驱动器伸长时,小径厚比及较多驱动器膜卷绕层数会使各层膜厚度变化差异显著;基于圆柱形驱动器结构特点,驱动器膜的电击穿、弹簧驱动'失力'及其最大压缩极限变形等失效模式是影响其许用工作范围的主要因素;增加驱动器膜的预拉伸且使其周向延伸率略大于轴向,可获得较佳的综合输出性能;由于层间压力的影响,单独、过多地增加层数对输出性能的提高效果不明显;减小弹簧刚度与长度均能提高驱动器轴向伸长率,但其轴向输出位移量却产生不同变化,同时要注意避免驱动器计算力差超过弹簧预压缩力的情况。

关键词：介电型电活性聚合物圆柱形驱动器结构参数失效模式

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圆柱形介电型EAP驱动器的研究与应用

圆柱形介电型EAP驱动器的研究与应用

作者：吴孟南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着机器人工作环境的多样化以及执行任务的复杂化,对驱动器提出更高的要求,研究满足要求的驱动器非常重要。介电型EAP是一种性能优良的新型驱动材料,圆柱形介电型EAP驱动器具有结构紧凑、伸长应变大、输出力大等优点,非常类似于动物的... 详细信息

随着机器人工作环境的多样化以及执行任务的复杂化,对驱动器提出更高的要求,研究满足要求的驱动器非常重要。介电型EAP是一种性能优良的新型驱动材料,圆柱形介电型EAP驱动器具有结构紧凑、伸长应变大、输出力大等优点,非常类似于动物的肌肉束,因此在仿生机器人、康复训练设备等方面具有非常广泛的应用前景。对介电型EAP变形原理及驱动器工作原理进行分析,以VHB4910为驱动材料,通过对驱动器结构的设计、驱动器工作过程的分析,实现了一种圆柱形结构的介电型EAP驱动器。通过对驱动器影响因素的分析,设计了对比试验,得到了驱动器的输出位移与伸长应变。对驱动器进行有限元仿真,仿真结果与试验结果较吻合,并分析了存在偏差的原因。在此基础上,对介电型EAP采用不等轴双向预拉伸,通过试验对驱动器进行性能提高,驱动器输出位移为11.0 mm,伸长应变为33.8%,且推程和回程的最大输出力分别为2.29 N、2.77 N。对圆柱形驱动器的性能进行试验验证。设计并制作了一个手指机构,具有两个指节,能够转动68°并能提起一定质量的重物;模仿人体手腕关节,设计并制作了一个二维转动主动关节,利用四个圆柱形驱动器进行驱动,关节能够在两个方向输出±14°14.5°倾角。本文对圆柱形介电型EAP驱动器的研究可以为该类驱动器将来的设计、分析与应用提供参考与指导。

关键词：介电型EAP 圆柱形驱动器有限元伸长应变输出力关节

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介电型EAP驱动器的结构设计与应用研究

介电型EAP驱动器的结构设计与应用研究

作者：黄良东西安电子科技大学

学位级别：硕士

近些年来,软体机器人凭借其简单的结构、多自由度、低噪声、环境适应性强等优势在许多领域快速发展。伴随而来的是对机器人驱动器更高的要求,而传统的驱动器如减速电机等刚性机构已不能完全适应这些新的设计要求,因此寻找合适的驱动器... 详细信息

近些年来,软体机器人凭借其简单的结构、多自由度、低噪声、环境适应性强等优势在许多领域快速发展。伴随而来的是对机器人驱动器更高的要求,而传统的驱动器如减速电机等刚性机构已不能完全适应这些新的设计要求,因此寻找合适的驱动器成为了关键问题。介电弹性体材料（Dielectric Elastomer,简称DE）属于介电型电活性聚合物（Electro-active Polymer,简称EAP）的一种,作为一种新型的智能材料,由于其变形大、响应速度快、能量转换效率高等特点受到广泛的关注。DE材料制作而成的各种多自由度、柔韧性优越的驱动器,为软体机器人提供一种新的驱动方式。本文完成的工作主要有:（1）分析了介电型EAP圆柱形驱动器的工作原理,并且针对弹簧支撑的圆柱形驱动器在直线输出时的弯曲问题,设计了一种以柔顺导向机构为支撑的圆柱形驱动器。对其中的柔顺导向机构建立伪刚体模型,并进行了相关实验证明理论的可靠性。搭建了双轴拉伸实验平台,通过DE材料的拉伸实验拟合出关键材料参数,并且详细阐述了驱动器的制作流程。（2）根据拟合出的材料参数,利用Yeoh应变能密度函数模型描述DE材料的本构模型,为后续的工作提供理论支撑。通过分析介电型EAP圆柱形驱动器在加载电压下的受力与变形情况,推导了驱动器的数学模型,并利用MATLAB软件求解不同结构参数对驱动器输出的影响。根据驱动器理论模型,在相同的结构参数下对比弹簧支撑与柔顺导向机构支撑驱动器的输出能力。最后,搭建实验平台进行实验,证实了数学模型的准确性。（3）根据蠕虫的移动方式,设计了一种基于介电型EAP圆柱型驱动器的管道行进机器人。详细介绍了机器人在管道中的工作过程,并设计了机器人的导向机构。导向机构保证机器人单向移动,可以通过改变驱动器的加载电压而转换其工作状态,对其中的关键参数进行优化并计算出控制电压。制作机器人样机,并搭建管道实验平台,测试机器人在直线管道中的工作情况。

关键词：介电弹性体圆柱形驱动器柔顺机构建模分析管道行进机器人

基于介电弹性体驱动的假肢手腕的设计与运动控制

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基于介电弹性体驱动的假肢手腕的设计与运动控制

作者：王臻中南大学

学位级别：硕士

人体手腕是连接小臂和手掌的重要纽带,可以灵活的调整手掌相对于小臂的不同姿态。目前,大部分假肢手腕都是基于电机驱动的方式,通过连接杆等传动机构传递动力,假肢手腕的柔顺性相对较差,而且质量与尺寸偏大。本文采用新型的介电弹性体... 详细信息

人体手腕是连接小臂和手掌的重要纽带,可以灵活的调整手掌相对于小臂的不同姿态。目前,大部分假肢手腕都是基于电机驱动的方式,通过连接杆等传动机构传递动力,假肢手腕的柔顺性相对较差,而且质量与尺寸偏大。本文采用新型的介电弹性体驱动的方式驱动手腕运动,改善现有手腕研究中存在的问题。本文针对基于介电弹性体驱动的假肢手腕,从结构设计,运动学与动力学建模,运动控制等方面进行了系统的研究。首先,研究了人体手腕的生理结构与运动特性,提出了一种三自由度混联4LS+U型假肢手腕机构。其中并联机构采用两对EAP驱动器驱动;旋转机构采用小型电机驱动且与并联机构串联。通过运动学模拟分析了本假肢手腕的运动能力,借助有限元分析手段对结构承载能力进行了测试,并通过实验优化了圆柱形驱动器结构参数,获得了良好的驱动器特性。其次,采用改进DH法与矢量法分别建立了机构的笛卡尔空间与驱动空间的运动学模型,对手腕机构进行了位置,速度,加速度的解析,并通过运动学仿真验证了所建立的运动学模型的正确性,求解了手腕末端的工作空间。基于拉格朗日方程与速度雅可比矩阵和力雅可比矩阵的对偶关系建立了系统动力学模型,在驱动空间中引入了粘性摩擦。结合EAP驱动器的机电耦合模型,对系统动力学进行了仿真分析,得到了手腕转角与手腕输出转矩对电压U的稳态变化关系。然后,采用RBF神经网络终端滑模控制算法设计了假肢手腕机构的控制器。对滑模控制的滑模面,控制率,RBF神经网络的权值更新率与自适应补偿率进行了设计与研究,并且对所设计的手腕控制系统进行了稳定性与收敛性分析。研究了神经网络滑模控制器的OLS学习算法对扰动的逼近与补偿能力。通过仿真分析对学习算法中的重要参数进行了选择与优化。设计了两组控制器对照组,仿真对比三组控制器下的手腕轨迹跟踪性能。控制仿真结果表明:RBF终端滑模控制算法下轨迹跟踪精度更高,响应速度更快,稳态输出抖振更小,控制效果更为突出。最后,搭建了假肢手腕实验平台,对假肢手腕的运动能力进行了测试,研究了各个自由度方向上的极限转角;在空载与加负载状态,针对三组不同的通电方式对转角与输出堵力矩的动态与稳态特性进行了实验研究;结合RBF神经网络终端滑模控制算法研究了假肢手腕末端的轨迹跟踪性能,验证了所提控制方法的有效性与动力学模型的正确性。图111幅,表16个,参考文献84篇

关键词：假肢手腕运动学动力学滑模控制 RBF神经网络 EAP介电弹性体圆柱形驱动器

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介电弹性体柔性仿生机器鱼的设计

介电弹性体柔性仿生机器鱼的设计

作者：王勇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着智能材料的发展,其应用的领域更加广泛。介电型EAP材料作为电活性聚合物中的一种,在智能材料领域具有重要的研究价值。介电型EAP材料具有轻质化、零噪声、高能量密度比、变形大、反应响应迅速、环境适应好等优点,因而也被人... 详细信息

近年来,随着智能材料的发展,其应用的领域更加广泛。介电型EAP材料作为电活性聚合物中的一种,在智能材料领域具有重要的研究价值。介电型EAP材料具有轻质化、零噪声、高能量密度比、变形大、反应响应迅速、环境适应好等优点,因而也被人们称之为“人工肌肉”。在本论文中通过介电型EAP材料的变形原理,设计制作了介电型EAP圆柱形驱动器,利用其输出性能,设计了一种新型的柔性仿生机器鱼,从而更加适应复杂的水下环境。在介电型EAP材料和圆柱形驱动器的性能分析的基础上,对弹簧规格、介电型EAP膜拉伸比例、介电型EAP膜卷绕层数、柔性电极涂抹面积比例和弹簧预压缩率等影响因素进行了实验探究和分析总结,从而确定驱动器的制作参数,并且对驱动器的破坏方式进行了总结。对介电型EAP膜拉伸装置进行了设计和制作,使其更加方便、高效的使用。分析圆柱形驱动器在结构设计和制作过程中所存在的问题,并进行了完善和优化。同时结合实验所确定的制作参数,对介电型EAP圆柱形驱动器的制作过程做了详细说明,并进行实验测试。为了进一步分析介电型EAP圆柱形驱动器受力情况,通过对驱动器模型的简化进行了仿真分析,从而验证实验结果。设计了驱动单元的控制系统,对各个模块进行了详细的分析说明。同时在前面的基础上设计了一种新型柔性仿生机器鱼,并对其结构设计、制作过程做了详细说明。

关键词：介电型EAP 圆柱形驱动器输出性能影响因素柔性仿生机器鱼