基于EAP致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)控制建模的基礎(chǔ)研究.pdf

1、電活性聚合物(EAP)因其具有質(zhì)量輕、無(wú)噪音、變形量大、響應(yīng)迅速、質(zhì)(能)量密度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),成為了現(xiàn)今機(jī)器人、玩具、醫(yī)學(xué)機(jī)械等領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)器制造的熱點(diǎn)材料。介電彈性體(DE)材料是電子型電活性聚合物的一種,也是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的EAP材料。DE材料的致動(dòng)原理是電極兩端的電壓誘導(dǎo)了一個(gè)靜電壓力作用于DE材料,使其在厚度方向上發(fā)生收縮,而與厚度方向垂直的平面產(chǎn)生擴(kuò)展延伸。雖然DE材料的致動(dòng)原理非常簡(jiǎn)單,但由已知的電刺激引發(fā)

2、的機(jī)械響應(yīng)的預(yù)測(cè)并不簡(jiǎn)單。
　　本文主要以DE致動(dòng)器的致動(dòng)單元——DE材料為研究對(duì)象,對(duì)該材料的非線性特性進(jìn)行了建模和模擬仿真研究。具體的研究工作內(nèi)容如下:
　　(1)介紹了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)和不足;介紹了電活性聚合物的研究背景和意義;綜述了EAP驅(qū)動(dòng)器在應(yīng)用和建模這兩方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　(2)簡(jiǎn)單介紹了DE材料的基本致動(dòng)原理;分析了DE材料作為一種聚合物所具有的力學(xué)特性,介紹了最簡(jiǎn)單的兩基本粘彈性模型和幾種常

3、見(jiàn)的超彈性模型的應(yīng)變能函數(shù),并研究了DE材料在單軸預(yù)拉伸和等軸預(yù)拉伸配置下,基于這幾種應(yīng)變能函數(shù)的力學(xué)特性;分析了預(yù)應(yīng)變對(duì)DE材料的力學(xué)特性的影響。
　　(3)分別就DE材料發(fā)生小變形和大變形兩種情況,從DE材料的非線性、不可壓縮性、粘彈性和超彈性等力學(xué)特性出發(fā),在發(fā)生小變形時(shí),采用了五參數(shù)的Voigt-Kelvin粘彈性模型對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行了描述;在發(fā)生大變形時(shí),根據(jù)超彈性材料的超彈性理論,采用了三種最常見(jiàn)的應(yīng)變能函數(shù)(Yeoh

4、形式、Mooney-Rivlin形式和Ogden形式)對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行了描述,并都建立了相應(yīng)的力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合了DE材料的電學(xué)模型,最終建立了DE致動(dòng)器在發(fā)生小變形和大變形兩種情況下的動(dòng)態(tài)機(jī)電耦合模型。
　　(4)基于Rahimullah Sarban等人做的實(shí)驗(yàn)和Michael Wissler等人做的單軸拉伸試驗(yàn),利用MATLAB2009b的最小二乘法曲線擬合函數(shù)lsqcurvefit函數(shù),擬合了已建的機(jī)電耦合模型,得