IPMC多单元致动器的性能优化和控制研究

摘要

IPMC（IonicPolymer Metal Composite）作为一种离子型电致动聚合物（EAP）智能材料，具有驱动电压小、应变大、质量轻、柔韧性好和功耗低等优点，因此，在仿生制造等领域，凸显其重要的应用价值。当前，有关于IPMC作为驱动器方面的研究，主要集中于将单片IPMC直接作为驱动部件，这种方式表现出其输出力小、运动形式单一等缺陷，在一定程度上限制其在工程实践中的发展。针对上述问题，本文提出了一种新型的IPMC多单元致动器结构，对其控制系统进行了研制，并将其应用在仿生鱼尾中。
　　首先，分析了IPMC的制备原理及工艺流程，从三个方面优化并改进其工艺流程。通过改变其浸泡在银氨溶液的温度，从而缩短了制备工艺周期；对实验药品进行定量分析，规范实验药品用量，降低了成本；优化了电极层制备工艺，增强了电极的导电性能，从而改善了IPMC致动性能。
　　其次，在IPMC工艺流程改进的基础上，优化并研究了IPMC多单元致动器。通过实验分析，确定了单片IPMC最佳输出性能的尺寸结构；采用单片对称布置的方式，构造了IPMC单元结构，并对其电极块内层尺寸进行优化；对串、并联两种形式的IPMC多单元致动器结构的进行了性能测试与分析，确定了IPMC多单元致动器的组合形式；最后，测试不同电信号下IPMC多单元致动器的驱动性能。
　　然后，研制了IPMC多单元致动器的控制系统，其主要模块包括信号发生模块、数模转换模块、电源模块和按键模块等。通过控制系统中硬件和软件的协调配合，能够输出﹣5~﹢5V范围内交流电信号，其频率范围可在0.1～5Hz间调节，并通过对波形代码的编程，能够实现方波和正弦波信号的输出，满足了IPMC多单元致动器的驱动要求。
　　最后，研究并制造了以IPMC多单元致动器为动力的仿生鱼尾样机。基于对生物鱼尾的运动特性分析，设计了仿生鱼尾结构模型，建立了仿生鱼尾的运动模型；采用3D打印加工制造了仿生鱼尾部件，装配了仿生鱼尾样机，实验研究了其性能输出规律。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 IPMC国内外研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

第2章 IPMC的制备及其工艺优化

2.1 IPMC制备原理

2.2 IPMC制备所需原料及仪器设备

2.3 IPMC制备工艺

2.4 IPMC制备工艺优化及改进

2.5 本章小结

第3章 IPMC多单元致动器性能优化及测试

3.1 单片IPMC结构优化

3.2 IPMC单元结构分析

3.3 IPMC多单元驱动性能分析

3.4 IPMC多单元致动器的性能测试

3.5 本章小结

第4章 IPMC多单元致动器控制系统的研制

4.1 IPMC多单元致动器的控制器总体方案

4.2 IPMC多单元致动器控制器的硬件模块

4.3 IPMC多单元致动器控制器软件的设计

4.4 控制器的测试

4.5 本章小结

第5章 仿生鱼尾的研制与实验研究

5.1 鱼类游动机理分析

5.2 仿生鱼尾结构设计与运动模型的构建

5.3 仿生鱼尾样机的制造及测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果

致谢