介电高弹聚合物力电耦合调控与软体机器人研究

发布时间：2020-05-15 19:17

【摘要】：传统概念的机器人通常由电机、铰链、齿轮等硬质构件组成,动力足、精度高,但也难以避免笨重、大噪声、低安全系数、低能量效率等缺点。以自然界中软体生物为仿生原型,软体机器人的躯体由能够产生大变形的弹性材料构成,可以实现连续变形。与传统概念的硬质机器人相比,软体机器人可以根据复杂环境中的任务需求容易改变自身的构型和尺寸,环境适应性和安全性更高,但同时也存在动力不足,稳定性差,建模和控制困难等难题。介电高弹聚合物作为一种典型的智能材料,具有高能量密度、大形变、快响应的优势,在软体机器人、服务型机器人、柔性传感、航空航天等领域有着很好的应用前景。本学位论文重点研究介电高弹聚合物的力电耦合行为调控及其在高性能软体机器人领域的应用,主要内容包括:(1)基于介电高弹聚合物的力电耦合本构关系,研究了充电速率对介电高弹聚合物力电耦合行为的调控,通过实验手段研究了不同充电电流加载条件下薄膜的定速率拉伸特性;进一步从平行板电容器及介电高弹聚合物理论出发阐述了该问题的物理机制,建立了无量纲化的力电模型,并对其物理过程进行数值模拟。当薄膜驱动器所需的充电电流超过外电路所能提供的充电电流时,薄膜两端的电压下降,力-位移曲线上升;在无量纲化模型中,最大充电电流越小,或初始加载电压越高,薄膜驱动器越早出现限电流现象,该研究为进一步通过充电速率控制薄膜力电失稳和电击穿等打下良好基础。(2)提出一种介电高弹聚合物驱动结构的制备方法,开发出一款高性能仿生软体机器鱼,并对其进行数值模拟和实验研究;该软体机器鱼以蝠鲼为仿生原型,实现了 13.5 cm/s(1.5倍身长每秒,BL/s,下同)的带缆游动速度和6.4cm/s(0.69 BL/s)的自主游动速度;此外,该软体机器鱼具有很好的环境适应性,能够在0～73.4℃的水温中游动,并有很高的透明性及隐身性;基于电驱动软体机器鱼的制备方法,开发出一款仿生水母机器人,并实现了自主游动。(3)提出了一种耐高静水压力软体机器人的设计制作方法,通过将能够产生大变形的弹性材料和器件无缝、无空腔融合,以及压力补偿的方式,实现软体机器人对极端静水压力的自适应性;进一步实现了软体机器鱼在110 MPa极端静水压条件下的连续稳定游动。(4)研究了电驱动软体水下机器人的平衡控制问题,通过闭环PID控制,实现了一种介电高弹聚合物薄膜充气结构在水下的浮力调节和深度控制;通过将该薄膜充气结构与分布式驱动模块相结合,实现了电驱动软体水下机器人的姿态控制。以上研究结果表明:(a)基于介电高弹聚合物的力电耦合本构关系,可以发展基于充电速率的力电耦合调控方法;(b)介电高弹聚合物大电致变形、快响应速度、高能量密度的优势使其在高性能软体机器人领域有着广阔的应用前景,将液态胶体在电驱动人工肌肉上浇筑成型实现粘合,可以发展一系列电驱动软体机器人的制备方法;(c)通过弹性材料的压力自适应和压力补偿机制,可以实现软体机器人在极端静水压条件下的应用;(d)可以通过闭环PID控制实现介电高弹聚合物驱动结构的运动平衡及姿态控制;相关的研究方法可进一步推广至其他智能材料和结构的研究与应用中。
【图文】：

形状记忆合金机器人｜９１，Ｇｏｒｇｅ．Ｍ．邋Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ研究组（哈佛大学）研发的一系列逡逑气动软体机器人｜４」Ｍ３１，日本早稻田大学研发的自震荡响应凝胶仿生尺蠖【１４１和浙逡逑江大学软体机器人省重点实验室研发的电驱动软体机器鱼ｍ等。图１－１所示为几逡逑种典型的软体机器人，按照其仿生推进方式，可将现有的软体机器人分为：（ａ）逡逑摆尾式［５，１５＿１７ｊ、喷射式和扑翼式软体水中机器人＾２７】，（ｂ）弯曲式和蠕动逡逑式爬行软体机器人＾８、９，，１〃８－３５】，（ｃ）柔性抓手［｜２，？３９］邋（ｄ）跳跃式软体机器人等逡逑几大类⑴、１３】。逡逑Ｉ逡逑

逦①逦（ｇ）；逡逑图１－１几种典型的仿生软体机器人（ａ）摆尾式软体机器鱼ｌ５ｌ；邋（ｂ）软体仿生水母１｜８１；逡逑（ｃ）扑翼式软体机器鱼ｍ；邋（ｄ）蠕动式爬行机器人［６］；邋（ｅ）弯曲式爬行机器人（ｆ）软体逡逑抓手（ｇ）跳跃式软体机器人［１３１逡逑１．１．２智能软材料逡逑不同于传统的硬质机器人，软体机器人的驱动和传感等功能通常是通过智能逡逑软材料实现。对于软材料科学，化学、力学以及生物等各个领域的科研工作者展逡逑开了大量的研究工作。１９９１年，“软物质之父”法国物理学家Ｐ．ＧｄｅＧｅｎｎｅｓ在诺逡逑贝尔物理学奖颁奖典礼上，用“小激励大响应’’的描述解释了软材料的特殊物理行逡逑为，并在《软材料与硬科学》一书中进一步阐述，推动了软材料新学科的发展。逡逑软材料实际上是凝聚态物理的分支学科，其范畴可以包含液体、橡胶、凝胶、泡逡逑洙、液晶弹性体以及生物材料，是处于固体和理想流体之间的复杂体系。软材料逡逑广泛存在于自然界并大量应用于人类社会的生产生活中
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;TB381

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