电致动介电弹性体圆柱驱动器制备方法的研究
作为21世纪最具影响力的新材料——介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE)以高能量密度、质量轻、生物兼容性好、变形速度快等优势推动了软体机器人的快速发展，创新性地实现了机械能与电能的可逆转换。目前，许多科研工作者通过结构设计、力学仿真、材料开发等方面制作了多种形式的驱动器，在航空航天、工业生产、医疗等方面展现出了巨大的发展前景。 本课题选用VHB4910薄膜作为介电弹性体材料，基于介电弹性体的工作原理，设计了一种圆柱驱动器，在理论分析、结构设计、加工制作和具体应用等方面进行了阐述与分析，主要内容如下: (1)以VHB4910薄膜为介电弹性体材料，采用超弹性模型——Yeoh模型和Ogden模型，分别对圆柱驱动器的电致变形过程构建数学理论模型，分析了预拉伸率、加载电压等因素对驱动器的驱动性能(轴向应力、电致变形能力)的影响。圆柱驱动器的轴向应力随着加载电压与预拉伸率的增大而增大，而电致变形随着加载电压和预拉伸率的增大呈现出先增大再减小的趋势。因此，为了保证驱动器的安全可靠运行，同时驱动器也要有高效率的驱动性能，加载电压与预拉伸率要控制在一个合理的范围。对于VHB4910而言，最佳的等双轴预拉伸率在3左右。 (2)为了探讨圆柱驱动器的安全可靠的工作空间，本文从热力学理论Helmholtz自由能函数出发，以Ogden模型为基础，对驱动器工作过程中的四种失效模式——机电失稳、电击穿、张力失稳、极限拉伸断裂，进行数值分析求解，得到了驱动器的有效工作空间，为驱动器的设计提供了理论依据。当预拉伸倍率较小时，驱动器主要失效形式为张力消失(S1=0);当预拉伸倍率较大时，失效形式为材料被击穿。 (3)根据圆柱驱动器的工作原理和前续的理论基础，对驱动器进行了结构设计，并搭建了测试平台，对圆柱驱动器进行了输出力、输出位移、疲劳寿命的性能测试。本文设计的圆柱驱动器在加载电压4.2kV时，伸长应变可以达到15.2％，最大输出推程力为2.76N，最大输出回程力为3.07N，临界击穿电压为4.5kV，并且驱动器随着加载电压循环次数的增加，其驱动性能呈现衰减的趋势。根据所设计的圆柱驱动器，设计了一种三爪抓取机构，对其自由度、转角、输出力等方面进行了力学分析和结构设计，并采用3D打印设备完成了抓取机构的各零部件的制作，组装完成了抓取机构并完成了抓取性能测试。 (4)对圆柱驱动器工作过程中的漏电现象建立了等效电路模型，对模型中的参数提出了测量方法，并采用实验测定的方法对漏电电流进行测量，发现在加载电压较低时，漏电现象并不明显，当增大加载电压时，漏电现象比较明显。
软体机器人;介电弹性体;圆柱驱动器;电致变形;三爪抓取机构
北京化工大学
硕士
机械工程
吴大鸣;骆林智
2021
中文
TP242
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）