应用人工肌肉IPMC材料的三指微型柔性手爪设计

摘要

为满足现代小型驱动器的微型化、智能化、多功能及高集成度等要求,利用一种智能材料即离子聚合物金属复合物(ionic polymer-metal composite,简称IPMC)研制了一款三指微型柔性手爪.运用ANSYS有限元分析软件,通过等效压电双晶片的机电耦合模型对IPMC驱动元件进行有限元位移仿真,得到其在3V电压下最大变形及相应的位移分布图.根据仿真结果,设计IPMC手爪的夹持机构,制备了体积不大于13.5 cm3 的IPMC微型手爪.试验测试结果表明,在3 V直流电驱动下,IPMC驱动薄膜(总长度为19 mm,自由端长度为14 mm)的末端最大变形为22 mm(负向位移与正向位移的总和),其最大变形速度约为4.44 mm/s,总重量为1.033g的手爪可以抓取1.973g的物体,其手爪的推重比约为2,而材料(IPMC的总重量为0.177g)的推重比甚至大于11.5.此IPMC柔性手爪的性能满足低耗能的设计要求,具有结构简单、柔顺、安静、体积小和推重比大等特点,在微小型驱动领域具有较好的应用前景.