基于EAP致動器的動態(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、價格便宜等優(yōu)點,成為了現(xiàn)今機器人、玩具、醫(yī)學(xué)機械等領(lǐng)域的驅(qū)動器制造的熱點材料。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材料的致動原理是電極兩端的電壓誘導(dǎo)了一個靜電壓力作用于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)生擴展延伸。雖然DE材料的致動原理非常簡單,但由已知的電刺激引發(fā)

2、的機械響應(yīng)的預(yù)測并不簡單。
　　本文主要以DE致動器的致動單元——DE材料為研究對象,對該材料的非線性特性進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)動方式的缺點和不足;介紹了電活性聚合物的研究背景和意義;綜述了EAP驅(qū)動器在應(yīng)用和建模這兩方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　(2)簡單介紹了DE材料的基本致動原理;分析了DE材料作為一種聚合物所具有的力學(xué)特性,介紹了最簡單的兩基本粘彈性模型和幾種常

3、見的超彈性模型的應(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,采用了五參數(shù)的Voigt-Kelvin粘彈性模型對其力學(xué)特性進行了描述;在發(fā)生大變形時,根據(jù)超彈性材料的超彈性理論,采用了三種最常見的應(yīng)變能函數(shù)(Yeoh

4、形式、Mooney-Rivlin形式和Ogden形式)對其力學(xué)特性進行了描述,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致動器在發(fā)生小變形和大變形兩種情況下的動態(tài)機電耦合模型。
　　(4)基于Rahimullah Sarban等人做的實驗和Michael Wissler等人做的單軸拉伸試驗,利用MATLAB2009b的最小二乘法曲線擬合函數(shù)lsqcurvefit函數(shù),擬合了已建的機電耦合模型,得