基于EAP致动器的动态控制建模的基础研究

摘要

电活性聚合物(EAP)因其具有质量轻、无噪音、变形量大、响应迅速、质(能)量密度高、环境适应性强、价格便宜等优点,成为了现今机器人、玩具、医学机械等领域的驱动器制造的热点材料。介电弹性体(DE)材料是电子型电活性聚合物的一种,也是现今应用最广泛的EAP材料。DE材料的致动原理是电极两端的电压诱导了一个静电压力作用于DE材料,使其在厚度方向上发生收缩,而与厚度方向垂直的平面产生扩展延伸。虽然DE材料的致动原理非常简单,但由已知的电刺激引发的机械响应的预测并不简单。
　　本文主要以DE致动器的致动单元——DE材料为研究对象,对该材料的非线性特性进行了建模和模拟仿真研究。具体的研究工作内容如下:
　　(1)介绍了传统驱动方式的缺点和不足;介绍了电活性聚合物的研究背景和意义;综述了EAP驱动器在应用和建模这两方面的国内外研究现状。
　　(2)简单介绍了DE材料的基本致动原理;分析了DE材料作为一种聚合物所具有的力学特性,介绍了最简单的两基本粘弹性模型和几种常见的超弹性模型的应变能函数,并研究了DE材料在单轴预拉伸和等轴预拉伸配置下,基于这几种应变能函数的力学特性;分析了预应变对DE材料的力学特性的影响。
　　(3)分别就DE材料发生小变形和大变形两种情况,从DE材料的非线性、不可压缩性、粘弹性和超弹性等力学特性出发,在发生小变形时,采用了五参数的Voigt-Kelvin粘弹性模型对其力学特性进行了描述;在发生大变形时,根据超弹性材料的超弹性理论,采用了三种最常见的应变能函数(Yeoh形式、Mooney-Rivlin形式和Ogden形式)对其力学特性进行了描述,并都建立了相应的力学模型。在此基础上,结合了DE材料的电学模型,最终建立了DE致动器在发生小变形和大变形两种情况下的动态机电耦合模型。
　　(4)基于Rahimullah Sarban等人做的实验和Michael Wissler等人做的单轴拉伸试验,利用MATLAB2009b的最小二乘法曲线拟合函数lsqcurvefit函数,拟合了已建的机电耦合模型,得到了未知的模型参数值,并给出了直观的拟合曲线图;分析了实验中的一些实验装置对实验数据的影响;最后给出了DE致动器对已知的电压刺激的响应。
　　(5)分别对DE致动器发生小变形和大变形时的机电耦合模型在MATLAB里进行了模拟和仿真。仿真结果显示,模型的模拟预测值与DE致动器在实验中测得的数据结果非常相似。主要针对DE致动器的输入电压和输出应变之间的关系进行了仿真,为以后DE致动器的设计提供参考,同时也便于DE致动器的控制研究。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 EAP驱动器的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本章小结

2 DE材料的基本力学特性研究

2.1 DE材料的基本致动原理

2.2 DE材料的力学特性

2.3预应变（预拉伸）对DE材料的力学响应的影响

2.4本章小结

3 DE致动器的动态机电耦合模型

3.1 DE材料的力学模型

3.2 DE材料的电学模型

3.3 DE材料的动态机电耦合模型

4 机电耦合模型的参数辨识

4.1 实验数据来源

4.2 参数辨识

4.3 DE致动器对已知的电刺激的响应

4.4 本章小结

5 模型仿真

5.1 参数??、??、C对电学模型的影响

5.2 小变形时DE致动器的机电响应仿真

5.3 大变形时DE致动器的机电响应仿真

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录