IPMC人工肌肉機(jī)電性能建模及其在作動(dòng)器上的應(yīng)用.pdf

1、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物(簡(jiǎn)稱(chēng)IPMC)是一種新型智能材料，屬于電活性聚合物(EAP)范疇，在電壓激勵(lì)下可以產(chǎn)生大變形。它具有驅(qū)動(dòng)電壓低、變形大、無(wú)噪音、推重比大和柔順等特點(diǎn)，非常適用于微機(jī)械、微電子以及微控制系統(tǒng)；目前，已經(jīng)成為世界微小型驅(qū)動(dòng)器和傳感器的研究熱點(diǎn)之一。同時(shí)，為達(dá)到增大傳遞效率，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，減小結(jié)構(gòu)尺寸以及提高系統(tǒng)可靠性的目的，其研究目標(biāo)也向小型化、精細(xì)化、靈巧化、柔順化、知性化等方面發(fā)展。
　　 雖然IPMC具有

2、以上優(yōu)點(diǎn)，但是其電響應(yīng)性能不穩(wěn)定，材料的電激勵(lì)機(jī)理不完善，導(dǎo)致其應(yīng)用還主要停留在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段。為提高IPMC薄膜電響應(yīng)性能，本文圍繞其電響應(yīng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，內(nèi)容涵蓋材料的制備、改性、建模、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。本文的主要研究工作如下：
　　 (1)制備了Pt電極型IPMC薄膜；測(cè)量了其水溶脹特性、電致變形特性、力學(xué)輸出特性。同時(shí)，改造后的網(wǎng)格Pt電極型IPMC薄膜在5min內(nèi)(傳統(tǒng)IPMC薄膜工作30s內(nèi)會(huì)發(fā)生回彈)沒(méi)有發(fā)生回彈現(xiàn)

3、象，提高了IPMC材料的電響應(yīng)的穩(wěn)定性。
　　 (2)發(fā)現(xiàn)了Pt電極型IPMC薄膜具有根部彎曲的非線(xiàn)性大變形現(xiàn)象。其自由段即使在無(wú)電壓激勵(lì)的情況下，根部在電激勵(lì)下的變形就可以導(dǎo)致其末端大變形。本文著重研究了此類(lèi)IPMC的電激勵(lì)模型，分析了其內(nèi)部物理變化規(guī)律；基于Nemat-Nasser的耦合分析并利用能量守恒定律，推導(dǎo)出集電學(xué)、化學(xué)、力學(xué)和流體的四場(chǎng)耦合IPMC電響應(yīng)模型，仿真精度提高到13％(傳統(tǒng)Nemat-Nasser模型對(duì)

4、本文中IPMC計(jì)算誤差為72％)。
　　 (3)針對(duì)三種IPMC薄膜進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)性能仿真計(jì)算，模擬出材料根部和自由段內(nèi)含水量、內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變、楊氏模量等關(guān)鍵性能參數(shù)的變化規(guī)律以及其隨激勵(lì)時(shí)間的非線(xiàn)性變化規(guī)律；求解出IPMC薄膜末端位移響應(yīng)與其關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系；最終仿真出IPMC薄膜末端變形隨時(shí)間變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，驗(yàn)證了含根部彎曲非線(xiàn)性變形仿真模型的合理性、可靠性和有效性。
　　 (4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了I

5、PMC電響應(yīng)性能(變形、應(yīng)力和應(yīng)變)在啟動(dòng)時(shí)的三種非線(xiàn)性現(xiàn)象，對(duì)其分別進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)顯示：在啟動(dòng)階段中，上述三個(gè)性能參數(shù)與激勵(lì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)都近似為指數(shù)遞增模式，而穩(wěn)態(tài)階段應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)匀粸橹笖?shù)遞增模式，但變形卻可以近似為線(xiàn)性遞增關(guān)系。通過(guò)設(shè)計(jì)了薄膜電激勵(lì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因來(lái)源于材料自身的充電效應(yīng)。
　　 (5)開(kāi)發(fā)了三款簡(jiǎn)易的IPMC手爪，它們具有耗能小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔順、安靜、體積小、推重比大等特