圆柱形介电型EAP驱动器的研究与应用

论文摘要

随着机器人工作环境的多样化以及执行任务的复杂化,对驱动器提出更高的要求,研究满足要求的驱动器非常重要。介电型EAP是一种性能优良的新型驱动材料,圆柱形介电型EAP驱动器具有结构紧凑、伸长应变大、输出力大等优点,非常类似于动物的肌肉束,因此在仿生机器人、康复训练设备等方面具有非常广泛的应用前景。对介电型EAP变形原理及驱动器工作原理进行分析,以VHB4910为驱动材料,通过对驱动器结构的设计、驱动器工作过程的分析,实现了一种圆柱形结构的介电型EAP驱动器。通过对驱动器影响因素的分析,设计了对比试验,得到了驱动器的输出位移与伸长应变。对驱动器进行有限元仿真,仿真结果与试验结果较吻合,并分析了存在偏差的原因。在此基础上,对介电型EAP采用不等轴双向预拉伸,通过试验对驱动器进行性能提高,驱动器输出位移为11.0 mm,伸长应变为33.8%,且推程和回程的最大输出力分别为2.29 N、2.77 N。对圆柱形驱动器的性能进行试验验证。设计并制作了一个手指机构,具有两个指节,能够转动68°并能提起一定质量的重物;模仿人体手腕关节,设计并制作了一个二维转动主动关节,利用四个圆柱形驱动器进行驱动,关节能够在两个方向输出±14°~±14.5°倾角。本文对圆柱形介电型EAP驱动器的研究可以为该类驱动器将来的设计、分析与应用提供参考与指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 介电型EAP 驱动器研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 圆柱形介电型EAP 驱动器设计与制作
• 2.1 引言
• 2.2 介电型EAP 变形原理
• 2.3 圆柱形驱动器设计
• 2.3.1 圆柱形驱动器结构设计
• 2.3.2 圆柱形驱动器工作过程
• 2.4 圆柱形驱动器制作
• 2.5 本章小结
• 第三章 圆柱形驱动器试验、分析与性能提高
• 3.1 引言
• 3.2 圆柱形驱动器试验
• 3.2.1 驱动器试验参数选取
• 3.2.2 驱动器输出位移与伸长应变测试
• 3.3 圆柱形驱动器有限元仿真分析
• 3.3.1 有限元法介绍
• 3.3.2 驱动器仿真分析过程
• 3.3.2.1 驱动器几何模型建立
• 3.3.2.2 介电型EAP 材料模型
• 3.3.2.3 单元网格划分
• 3.3.2.4 仿真分析过程
• 3.3.3 仿真结果与试验结果对比分析
• 3.4 圆柱形驱动器性能提高
• 3.5 圆柱形驱动器输出力测试
• 3.6 圆柱形驱动器失效形式总结
• 3.6.1 击穿失效
• 3.6.2 起皱失效
• 3.7 本章小结
• 第四章 手指机构
• 4.1 引言
• 4.2 手指机构设计与分析
• 4.2.1 曲柄连杆机构应用到手指机构
• 4.2.2 手指机构结构设计
• 4.2.3 手指机构分析
• 4.3 手指机构制作与性能测试
• 4.3.1 手指机构的制作
• 4.3.2 手指机构输出转角测试
• 4.3.3 手指机构提起重物试验
• 4.4 本章小结
• 第五章 二维转动主动关节
• 5.1 引言
• 5.2 主动关节设计与制作
• 5.2.1 主动关节设计
• 5.2.2 主动关节制作
• 5.2.3 关节驱动器设计与制作
• 5.2.3.1 关节驱动器参数选取
• 5.2.3.2 关节驱动器制作
• 5.2.4 主动关节装配
• 5.3 主动关节试验与性能测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文