锥型介电弹性体驱动器的性能研究

介电弹性体驱动器在机器人系统、医疗机械系统以及智能驱动系统方面已经显示出广泛的应用潜能,具有结构简单、质量轻、能量密度大、效率高、变形大的优点.采用3M VHB4910介电弹性体设计并制作了锥型介电弹性体驱动器,并进行了锥型驱动器的驱动实验.测得锥型驱动器在一个通断电过程中的力一位移曲线,并计算得到驱动器的差力为1.65 N.实验结果表明锥型驱动器在通电后可以较大的线性位移,面积变化率为15.49%,断电后又能较快地恢复初始位置.同时对驱动器在一个工作周期中的做功进行分析,指出锥型驱动器可以通过多层薄膜的叠加来提高输出功.     

基于介电弹性体的旋转步进柔性驱动器

为了适应未来小型自动化机器的驱动需求,设计并实现了一种基于单层介电弹性体薄膜的旋转步进柔性驱动器。相对于传统双轴拉伸装置,自制的八爪拉伸装置使介电弹性体薄膜的预拉伸更均匀。测试了不同预拉伸量下介电弹性体驱动器的最大形变量,确定了制作驱动单元所需的介电弹性体薄膜最佳的预拉伸量。最终通过合理的设计将棘轮机构和驱动单元相结合实现了旋转步进柔性驱动。由于介电弹性体驱动器存在迟滞现象,导致驱动器的步进频率会随着负载质量的增大而减小。通过调节驱动信号的频率,可以改变驱动器的负载能力及步进频率。试验结果表明,当驱动电压为4.53 kV,空载时驱动器步进频率最高可达2.3 Hz;负载时,最大负载为263 g,即峰值扭矩为13.15 mN·m,此时步进频率降至0.22 Hz。     

球壳形介电弹性体驱动器电致应变特性分析

介电弹性体是电场型电活性聚合物的一种,能够在外加电场的作用下,通过材料内部结构的改变发生伸缩、弯曲、束紧或膨胀等变形,人为控制电压的大小,精确控制变形.基于Neo-Hookean应变能模型,采用ABAQUS有限元软件,开展了材质为丙烯酸聚合物的球壳形介电弹性体驱动器在机电载荷作用下的力学性能有限元模拟,分别分析了无机械预拉伸和有机械预拉伸条件下电致应变特性,进行了球壳形介电弹性体驱动器机电耦合特性的有限元仿真分析,为球壳状介电弹性体驱动器的力电特性、变形失效、稳定性的进一步研究提供了一定的理论依据.     

基于刚度矩阵法的V型电热微驱动器模型与性能分析

采用单元刚度矩阵法推导并建立V型电热微驱动器的静态力学模型,获得电热微驱动器的输出位移随温度载荷与外力载荷变化的关系表达式。根据此模型,电热微驱动器的输出位移随着温度载荷、梁的长度、宽度的增大均呈现单调上升趋势,而随着负载力的增大单调减小;输出位移随着V型梁的倾斜角的增大先是增大随后减小,并且当倾斜角较大时,微驱动器本身的刚度较大,但输出位移较小;最后采用有限元仿真验证了此模型的有效性,并提出在一定温度载荷与外力载荷作用下V型电热微驱动器预期输出最大位移的优化设计方案。     

导电聚合物驱动器电化学机械特性的研究

采用自行搭建的导电聚合物驱动器弯曲特性测试实验系统,研究其电化学机械特性。对不同长度的驱动器施加0~1V低电压,测量其顶端弯曲变形量;通过分析驱动器弯曲位移与电压的关系及位移与频率的关系,建立电机械转换模型。实验测试结果表明,电压与驱动器顶端力成线性关系;当电压为0.8V、采样周期为0.02s时,随着频率的增大,驱动器的弯曲位移逐渐减小。最后通过不同尺寸驱动器举起重物,验证了驱动器宽度越大,顶端弯曲力越大;驱动器长度越长,顶端弯曲力越小。     

圆形压电振膜静态位移模型及参数优化分析

结合薄膜变形原理和压电本构方程,在电压激励条件下,对弹性压电薄膜驱动器进行受力分析,建立压电驱动器横向位移计算模型。在文献提供的几何参数和材料物理参数的基础上,对比理论,文献试验以及模拟仿真的结果,偏差不超过10%,验证理论模型可行。并通过试验测试,进一步分析模型计算结果的准确性,结果表明理论计算与试验数据最大误差在7%以内。基于建立的数学模型,分析不同电压、不同半径比以及不同压电厚度和弹性膜厚度对圆形压电驱动器横向位移的影响。结果表明:圆形压电驱动器中心的横向位移随电压线性变化;在压电驱动器厚度和材料物理参数一定时,压电层与弹性层半径比为0.75时,压电驱动器中心横向位移最大;当电压、材料物理参数以及压电驱动器半径比固定的条件下,分析压电厚度和弹性膜厚度对圆形压电驱动器横向位移影响机理,在压电驱动器总厚度一定条件下,得到最优的压电厚度占总厚度的比值。通过分析不同几何参数对压电驱动器横向位移的影响,指导和优化压电驱动器的结构设计。     

导电聚合物驱动器力学模型建立的研究

针对自制的三层弯曲型聚吡咯导电聚合物驱动器搭建的实验系统,依据等效悬臂梁理论建立驱动器的力学模型。测量驱动器施加低电压(0~1 V)时的基体弯曲变形量,通过研究驱动器的弯曲位移与电压、力与电压的关系,建立了电压与均布载荷的函数关系式。实验结果表明,电压与垂直方向位移成线性关系,当电压为0.7 V时位移可达到17 mm,并且得到电压与应变的比例因子近似为α=0.013。最后计算驱动器各等分点的理论偏转位移与测量值的偏差,得出最大偏差很小,验证了模型的有效性。     

介电型EAP线性和弯曲驱动器研究

基于介电型EAP(dielectric electroactive polymer,电活性聚合物)较好的综合性能,研究了卷绕式线性和弯曲驱动器。分析了线性驱动器的结构,进行了单(两)自由度弯曲驱动器的电极形式设计,构建了双轴拉伸机构和卷绕平台用于驱动器制作。试验表明:线性和弯曲驱动器能产生线性伸长和单(两)自由度连续弯曲,其中线性伸长率超过30%,弯曲角度可达90°(32°),并测试了驱动器的输出力。卷绕式驱动器结构紧凑,运动范围大,能产生类似于生物体的柔性运动,在仿生空中或地面机器人等领域具有广泛应用前景。     

形状记忆合金线性驱动器的设计及位移特性分析

为克服传统带有偏置装置形状记忆合金驱动器结构复杂、响应速度慢的缺点,利用形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)的单程形状记忆效应,设计并制造一种不带偏置装置且可实现双程运动的线性驱动器,该驱动器由两根形状记忆合金丝、滑轮、部件、导轨、支座及固定螺钉组成。接着基于Brinson一维本构方程及转换方程,推导出两根SMA丝在不同条件下的应变表达式;提出将马氏体相变应力看作体力,分析温度变化与驱动器位移的关系及外载荷变化对驱动器最大位移的影响。对计算结果进行试验验证,结果表明,所设计驱动器可实现往复双程运动;随着SMA丝温度的升高所获得的位移呈非线性增大,当温度超过奥氏体转变结束温度Af,位移达到最大,而初始化过程获得的最大位移为正常运动的一半;增大载荷,驱动器的最大位移逐渐减小,当载荷达到51.0 N时,驱动器停止运动,即位移减小为零。     

介电型电活性聚合物圆柱驱动器特性

介电型电活性聚合物(Electroactive polymer, EAP)驱动器的动、静态特性是其合理使用及优化设计的重要依据。构建圆柱形驱动器几何模型描述其几何变形,结合EAP膜机电耦合方程推导驱动器轴向线性运动的动力学方程。驱动器的电压-位移数值计算结果显示内外层EAP膜柔性电极涂覆方式会影响驱动器位移。基于驱动器的电压位移关系,对其主要失效形式进行讨论。将基于neo-Hookean弹簧的1个时间常数黏弹性模型修正为具有2个时间常数的模型,并将2种模型运用于阶跃和周期电压激励下的驱动器动态响应研究。理论计算与试验结果的对比分析表明,2个时间常数的黏弹性模型对驱动器的动态位移描述更为准确。在周期激励电压下,提高频率会显著减小驱动器位移幅值,驱动器的“激励死区”会减小其振动中心偏移及振动幅度。     

基于电流控制的压电陶瓷驱动电源及其试验研究

压电陶瓷致动器在电场驱动下会产生迟滞和蠕变现象,降低了定位精度。根据压电陶瓷致动器的位移与电荷量之间具有线性关系,研制了基于电流控制的压电陶瓷驱动电源。通过控制压电陶瓷的充电电流来控制其运动速度,从而控制其位移量。设计特殊电路和有针对性的控制算法,实现对压电陶瓷的快速驱动与高精度定位的结合。试验结果表明,利用该电源可实现对压电陶瓷的线性驱动和快速精密定位。     

一种压电执行器部件预紧力测试方法研究

压电执行器部件是新一代高压共轨压电喷油器中的关键部件,其封装时需要施加一定的预紧力.本文提出了一种压电执行器部件预紧力的测试方法,设计了相应的测试装置,并制定了试验流程.通过样品压电执行器部件预紧力的试验验证,表明该测试方法可以准确测量压电执行器部件预紧力大小.     

Performance Investigation of Cone Dielectric Elastomer Actuator Using Taguchi Method

Dielectric elastomer actuator (DEA) show promise for mechatronic applications due to the advantages of dielectric elastomer, such as lightweight, flexible, low cost, high strain, etc, and many configurations of DEAs have been demonstrated. As a kind of linear actuator, cone DEAs are studied in some laboratory prototypes due to easy manufacturing, however, their performance have not been exploited fully. Based on the working principle of DEA, a four-bar linkage mechanism is designed to provide negative stiffness preload, which can increase displacement output of actuator (outer diameter 100 mm) to 17 mm. Three cone actuating units are assembled in parallel to enhance the maximum force output to 5.07 N. Loading experiments of actuator in forward and backward strokes are performed, the experimental results show that backward stroke has stronger actuating capability than forward stroke, accordingly application of actuator is recommended. Four factors rather than applied voltage, i.e., number of actuating units, pre-stretch ratio, inner diameter, and outer diameter, are determined as influencing factors for Taguchi method. Then the performance objectives of actuator, i.e., displacement output, maximum force output, and maximum work in backward stroke, are investigated based on L9(34) Taguchi orthogonal design. The mean signal-to-noise (S/N) ratio based on the larger-the-better criterion is calculated according to the acquired displacement and force output. Analytical results show that outer diameter has the most significant influence on displacement output, and maximum force out and work output are influenced most by number of actuating units. Inner diameter also has an important effect on the performance objectives of actuator, while pre-stretch ratio has the least influence. The proposed performance investigation is helpful for the design and application of cone actuator in mechatronic system.     

电场活化聚合物（DE）平面弯曲致动器设计

电场活化聚合物在电场力作用下会产生大幅度的形变,可用做微型致动器的理想材料。文章探索电场活化聚合物（DE）平面弯曲致动器的设计方法,为将来更为复杂致动器的设计和应用提供理论依据;阐述了电场活化聚合物卷筒型平面弯曲致动器的工作原理,建立了力学模型,设计了致动器的结构几何参数,推导了圆柱螺旋弹簧横向弯曲刚度及其挠度、转角的计算公式。数值模拟结果表明所设计的平面弯曲致动器可以实现预期的平面弯曲运动,从而验证了这种设计方法的正确性。     

Dynamic modelling of a flexure-based mechanism for ultra-precision grinding operation

This paper presents the dynamic modelling and performance evaluation methodologies of a flexure-base mechanism for ultra-precision grinding operation. The mechanical design of the mechanism is briefly described. A piezoelectric actuator is utilized to drive the moving platform. A flexure-based structure is utilized to guide the moving platform and to provide preload for the piezoelectric actuator. By simplifying the Hertzian contact as a linear spring and damping component, a bilinear dynamic model is developed to investigate the dynamic characteristics of the flexure-based mechanism. Based on the established model, the separation phenomenon between the moving platform and the piezoelectric actuator is analyzed. The influences of the control voltage and the preload stiffness on the maximum overshoot are extensively investigated. The slope and cycloidal command signals are utilized to reduce and/or avoid the overshoot of such flexure-based mechanism for rapid positioning. The effects of the rising time of the command signals on the maximum overshoot and the settling time are also explored. Experiments are performed to verify the established dynamic model and the performance of the developed flexure-based mechanism.     

Sliding mode control of the inchworm displacement with hysteresis compensation

This paper proposes a new modeling scheme to describe the hysteresis and the preload characteristics of piezoelectric stack actuators in the inchworm. From the analysis of piezoelectric stack actuator behavior, the hysteresis can be described by the functions of a maximum input voltage and the preload. The dynamic characteristics are also identified by the frequency domain modeling technique based on the experimental data. The hysteresis is compensated by the inverse hysteresis model for precise control of inchworm displacement. Since the dynamic stiffness of an inchworm is generally low compared to its driving condition, the mechanical vibration may degrade accuracy of the inchworm. Therefore, the SMC (Sliding Mode Control) and the Kalman filter are developed for the motion control of the inchworm. The feasibility of the proposed modeling scheme and the control algorithm is tested and verified experimentally.     

压电驱动微位移工作台动态特性分析

压电驱动微位移工作台的动态特性分析对其设计及实际应用都有很大的指导作用.本文在线性化的前提下,通过对这种微位移工作台各个组成部分的相应简化,分析了在频响低于共振频率时微位移工作台的动态特性,得出了其传递函数.另外,本文还对影响工作台设计的两个重要边界条件-初始预紧力和工作台所能达到的最大频响进行了比较详细的推导,给出了其所应满足的量化指标.     

磁致变刚度原理的气动软体致动器设计与试验

软体机器人友好的人机交互特性使其在柔性抓取、生物医疗等领域有着广泛的应用前景。针对软体机器人“柔有余而刚不足”的缺陷，提出了一种具有快速、可逆变刚度能力的磁气混合驱动软体致动器。基于磁流变效应，设计了以磁流变弹性体材料作为基体的单自由度纤维增强型磁气混合软体致动器，并给出了软体致动器的浇注制造工艺。构建了磁-力耦合模型，分析磁流变弹性体中的刚度影响关系。基于自主开发的刚度测试平台，试验结果表明：设计开发的软体致动器可以在气压和磁场作用下实现可变刚度混合驱动，通过增加磁场强度可以明显提升软体致动器的刚度，最高可提高约40%。软体致动器末端位置控制实验结果表明：通过磁场激励作用，可将软体致动器携带负载的位姿保持能力提高1.4倍，具有动载荷下的位置保持驱动能力，调节响应时间小于1.5 s。     

介电弹性体摆动驱动器的分析与实现

根据介电弹性体摆动驱动器的工作原理,设计了摆动驱动器.通过对比试验得到性能较佳的摆动驱动器,该摆动驱动器的研究可为仿生机器人的驱动实现提供一种可能的解决方案.     

超磁致伸缩电—机转换器位移感知模型及滞环分析

超磁致伸缩电—机转换器响应快、可靠性高,但动态驱动时,因受磁滞、涡流等因素影响,输出位移的滞环较大。需要以准确的数学模型为基础,通过控制算法来补偿滞环,或通过优化其结构参数来降低滞环。通过实时测量超磁致伸缩棒上所绕线圈两端的感应电压和推导此感应电压与超磁致伸缩电—机转换器输出位移的关系,建立实时反映超磁致伸缩棒磁化状态的超磁致伸缩电—机转换器动态位移感知模型,并进一步推导出了超磁致伸缩电—机转换器输出位移的滞环与其结构参数的关系。通过与试验结果对比,当驱动频率小于300 Hz时,由所建模型计算出的位移峰—峰值的相对误差小于5.8%;通过仿真研究超磁致伸缩电—机转换器结构参数对输出位移滞环的影响,得出增加预压弹簧的刚度,可以降低动态驱动时的滞环。