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电致动介电弹性体驱动器输出性能模拟分析及应用研究

赖欣  
【摘要】:介电弹性体作为电活性聚合物的一种,在一定条件下,能够将电能转化为机械能,因其突出的性能优势(电致应变大,能量转换率高,能量密度高,质量轻等),使其成为了制作柔性驱动器最有潜力的电活性聚合物,但是介电弹性体驱动器的应用尚存在许多亟待解决的问题,如介电弹性体材料高介电常数与机电稳定性的矛盾、介电弹性体的粘弹性带来的驱动器的控制难度以及需要高压驱动、介电弹性体电致动驱动器的制作以及可靠性差等,这些问题使得介电弹性体驱动器的发展和应用受到了极大的限制,研究和解决这些问题,具有十分重要的意义。基于上述问题,本文的主要研究内容包括:(1)从研究介电弹性体的电致动机理出发,分析了介电弹性体驱动器驱动性能的具体影响因素,得出了大变形条件下介电弹性体介电常数的确定方法和考虑驱动器卷绕薄膜厚度必要性的结论,该方法和结论能够有效地提高介电弹性体驱动器理论模型的精度。(2)使用前述得出的方法和结论,对圆柱形介电弹性体驱动器的超弹性和粘弹性进行了建模,使用MATLAB对模型进行了求解,得到了驱动器输入电压,输出位移/输出力的关系,分析了粘弹性对驱动器输出位移/输出力的影响,当考虑介电弹性体的粘弹性时,由于黏性流动的影响,计算出的理论输出位移将大于不考虑材料粘弹性时的理论计算值。(3)对圆柱形介电弹性体驱动器进行了制作和实验研究,通过实验测量对比分析了驱动器理论计算输出与实际测量值的误差,结果表明理论模型在低电压下理论计算值更接近实际测量值,误差更小。同时对驱动器驱动控制的有效区间进行了理论预算和验证性实验。(4)基于2个圆柱形介电弹性体驱动器,设计了一台地面移动小车,该小车能够实现直线以及转向运动,其中直线运动的实现依赖于小车的单向轮结构设计;小车的转向运动依赖于小车前轮的四杆转向机构设计。同时对小车的运动轨迹进行了规划,分析确定了完成该运动轨迹各圆柱形介电弹性体驱动器所需的控制方法。


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