最小能量型介電柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)、建模及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、人類一直夢想能夠制造出類似生物的柔性機(jī)器人，仿生柔性機(jī)器人的關(guān)鍵部件是像生物肌肉一樣具有大功率密度、高轉(zhuǎn)換效率的柔性驅(qū)動(dòng)元件，因此近年來柔性驅(qū)動(dòng)器成為國際上一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域。介電彈性體因其能實(shí)現(xiàn)超過200％的應(yīng)變，3J/g的高能量密度及60-90%的能量轉(zhuǎn)換效率而被認(rèn)為是特性最接近人工肌肉的材料。在介電彈性體制作的眾多驅(qū)動(dòng)器種類中，介電彈性體最小能量型結(jié)構(gòu)(DEMES, Dielectric Elastomer Minimum Ene

2、rgy Structures)利用柔性框架和介電彈性體薄膜在最小自由能狀態(tài)下的結(jié)合使柔性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)成為可能，因此在柔性驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但 DEMES柔性關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)理論研究尚在發(fā)展完善之中，因此本文聚焦在DEMES柔性關(guān)節(jié)，研究其變形原理和靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)問題，以期為 DEMES柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。
　　在DEMES柔性關(guān)節(jié)的變形原理及靜力學(xué)方面，分析了介電彈性體薄膜的變形過程及曲面形貌，關(guān)鍵尺寸參數(shù) b值對

3、結(jié)構(gòu)電致應(yīng)變特性的影響；給出了關(guān)節(jié)的輸出力矩、固有頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、剛度計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并提出DEMES柔性關(guān)節(jié)新方案，大幅提高了關(guān)節(jié)的輸出力矩。
　　介電彈性體變形后形貌復(fù)雜，因此難以建立真實(shí)力學(xué)模型。本文在動(dòng)力學(xué)方面基于等效剛度的思想，通過系數(shù)標(biāo)定的方法建立了DEMES柔性關(guān)節(jié)的等效動(dòng)力學(xué)模型，列出了關(guān)節(jié)在通電和斷電狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)方程；通過最小二乘法對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并利用Matlab分別解算出通電和斷