基于软驱动器的软体飞行器的研究

发布时间：2020-09-18 17:59

　　航空法规定直升机不能在一定的高度(0～～300米)范围内飞行,而地面上所发生的自然灾害,植被状况等信息需要方便快捷地从空中观测和拍摄,所以研究设计近地面可控飞行的设备成为了迫切需求,尤其是对自然灾害频发的区域,农场等地点。无线可控氦气球体系统,具有可携带重物多,续航能力强等特点,同时也是低成本、低噪音、快速、节能、安全和可靠的新型航空观测工具。尽管目前在软体驱动器机理及仿生应用的研究方面已经取得了阶段性进展,但对于软驱动飞行器的飞行机理认识尚不充分。因此,深入了解软驱动飞行器的合理结构及运动规律,开展软驱动器及飞行应用方面的理论、仿真计算及实验研究,对运动中的受力等关键问题进行分析,有助于加深对软飞行机器人飞行机理的认识,为将来软驱动飞行器的的研制提供参考。本文在软球体驱动器的基础上,研制了可实现上升下降、旋转、平移运动的飞行机器人,并建立了相关参数的计算模型。通过观察测量、实验、理论推导、仿真计算等研究了参数变化对机器人升力、阻力及运动轨迹等问题的影响。本文主要的研究内容及结论如下:(1)对于具有机电性能和承载能力的球体驱动器尺寸结构和体积变化规律研究。搭建了软球体驱动器信息采集实验平台,使用高速相机采集软DE球体变形信息,经软件分析及计算后获取了体积与压力等参数的关键数据。基于所设计的结构和得到的数据,建立了软驱动飞行机器人系统,推导了实时变化的预拉伸率、电压、压强、电荷及体积的计算公式。对于球体驱动器,根据弹性体材料的Helmholtz自由能可以计算出电压与DE膜预拉伸的关系,DE膜自由能的变化与电压、压力和惯性力所做的功有关;结合系统的Maxwell应力,得出关键参数之间的关系式模型。在电场力作用下,DE薄膜上存在着机电不稳定和电击穿现象,电击穿场强与材料的拉伸值密切有关,随着电压的增高,机电不稳定性产生,褶皱一般在球体密封口边缘形成,为条形状直到电击穿发生,出现该现象的结构预拉伸系数λpre范围为3～6,电压φ≥5.5 kV。(2)对于实验过程中DE膜表面存在的不稳定现象,比如loss of tension和电击穿的研究。电压所引起的软材料介电弹性体上的相变转换,可以用来模仿生物的附着功能和表面皮肤的纹理。圆形DE膜上涂有电极区域在电压作用下所呈现的平坦、褶皱或者膨胀凸起的状态,验证了理论关于相变转换与失效现象的预测。当介电弹性体膜受到径向力和逐渐递增的电压时,四种试验现象发生在介电失效之前:膜上涂电极区域的区域向无电极区域扩张,但是DE膜依然平坦;膜上仅仅产生膨胀凸起状态;膜上膨胀凸起部分与褶皱部分共存:涂有电极区域完全转换为褶皱状态。在第四种现象中,膜表面上的平坦区域和皱纹区域存在着两种不同类型的转换:①褶皱在平面膜上小区域形成,然后蔓延至整个涂电极区域,该过程是连续的相变转换;②随着电压的升高,皱纹和平坦区域相互转换直到电击穿发生,该过程是跳跃式的相变转换。研究发现预拉仲对介电弹性体的机电相变有着显著的影响。(3)可实现大变形的介电弹性体软球体驱动器的结构设计。当球壳在厚度方向受到电场作用时,DE球膜在径向方向扩张,在厚度方向变薄。在DE球体实验平台上,采用压力和位移传感器测量球体的变化。研究了软球壳的扩张幅度、频率等参数变化对升力、阻力及运动方向的影响。基于理论分析,设计了一些球体结构,内部充满氦气或者空气;实验主要结论包括：①在相同的压力下，DE氦气球的体积小于空气球体积;②用于实现控制的大变形对于·软驱动飞行器非常重要，具体方法可以增大初始体积、电极密度和预加载等以达到软驱动器大变形的目标;③体积值变化越大,可以控制的氦气球飞行高度越高,可控制的质量越多,基本呈非线性增长关系。通过对预拉伸球壳的动态行为的分析,得出DE膜较厚的球壳比薄球壳变形小。最后,大量的实验证明了 DE氦气球载物可控飞行的可行性。(4)基于软球体驱动器,研究软体机器人升力、阻力及功耗等问题。在理论研究方面,基于所设计的DE球体驱动器,建立了软体机器人的计算模型;通过对球膜的受力分析,计算得出了系统质量、速度、加速度等参数。利用Gent模型推导出了体积与压力关系方程,并结合理想气体状态方程,得出了临界击穿电压与预拉伸半径之间的关系;在仿真计算方面,研究了 DE球体内部乳胶破裂时,VHB球体的变化趋势,并对变化趋势及原因进行了分析;在计算结果与实验结果的比较方面,分析了直流电大小、交流电幅度、频率等参数对机器人运动方向的影响。理论推导、实验及计算结果均表明,乳胶球膜的击穿电压范围一般在1.5～5.5kV之间,大多集中在2.5kV左右,与膜的厚度有关。在内部乳胶球破裂瞬间,介电弹性膜球体产生相对较大的体积扩张,机器人系统产生上升的浮力和加速度,随后在空中会受到来自空气和风的阻力,以及不同高度的压强变化等因素的影响而停留在一定的高度浮动。(5)DE驱动飞行器的可控的上升、下降、旋转和平移飞行。考虑到实际的软驱动飞行机器人的结构尺寸对于运动的影响,建立了电压、预拉伸和体积计算模型。对机器人的运动轨迹进行了分析,实验结果验证了计算模型的准确性。对机器人在直流以及交流电压作用下的运动方向进行了分析,表明了转变设计结构,机器人能够实现无线控制条件下的转动和平移等运动。统计了飞行运动中体积所能达到的平均值及极限值等。通过计算飞行中球体的体积变化,得出飞行加速度。给DE驱动器连通大的无弹力腔体,使得DE驱动飞行机器人可控飞行,也可以搭载无线控制系统和载荷飞行;为了实现系统的控制策略,协调各个控制器,提出了将中心主控制器和软驱动控制器,尾翼等部分看成独立的智能体,确定了各部分之间的通信和协作机制;制定了信息交流格式,并对软件设计流程做了说明。另外,机器人可控的浮力随着飞行高度的增加而减小,随着温度的升高而降低,也会随着大气中湿度的增加而降低。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V27
【部分图文】：

达到４８８％［２９］，邋Ｋｅｐｌｉｎｇｅｒ等人证明了邋ＤＥ膜的带电区域的些高应变和其他性能指标包括能量密度和致动速度，使介域处在前沿。在一定条件下，ＤＥ材料的Ｍａｘｗｅｌｌ应力比的厚度下降，同时其表面出现复杂的褶皱现象，继而引起机电稳定性，比如ＶＨＢ邋４９１０或４９０５材料在高应变率、“硬化”，从而稳定性增加。逡逑置在某种结构配置中以模仿生物原理，比如眼球或手臂，术实验室人员发明的机器人掰手腕竞赛手臂，虽然设备不仿主动肌和对抗肌围绕着一个关节的排列方式，关节采用，也能够回到起点，符合竞赛的要求［３１］。逡逑对于多自由度设备提供了一种有吸引力的机理，这种没灵活的。用分段环节ＤＥＡ模拟多自由度蠕虫爬行运动，持…组多层执行器，在压缩状态下，可以向面外隆起。按生压缩式波浪，推动蠕虫机器人前进｜３２１。柔软机理结合膨飞行器如小型飞船，ｊｏｒｄｉ等人制作了一个软飞行机器人－动，主要靠鱼形体两侧放置ＤＥＡ来控制向身的运动１３３］。逡逑

堆栈,驱动器,手掌

１邋－１邋），在空气中游动，主要靠鱼形体两侧放置ＤＥＡ来控制向身的运动１３３］。逡逑ｍｕｍＢ逡逑图１－１基于ＥＡＰ材料的飞鱼逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－１邋Ｔｈｅ邋ａｉｒｓｈｉｐ邋ｄｒｉｖｅｎ邋ｂｙ邋ＤＥ邋ａｃｔｕａｔｏｒｓ逡逑几何边界作用下薄膜结构，可以被设计成很多复杂的形状。比如Ｋｏｆｏｄ等人１３４１通过逡逑拉伸ＤＥ膜做成一个软塑料框架；用ＤＥ材料制作的手掌结构可以抓取物体，施加电压逡逑之后，手掌能够自动打开｜３５］；邋Ｏ’Ｂｒｉｅｎ等人制作的ＤＥＡ触觉感知驱动器，己经应用ｆ？传逡逑３逡逑

变形图,介电,弹性体膜,高电压

酸是最常见的介电弹性体［１＿２，１Ｗ］。逡逑在介电弹性体薄膜的上下两个表面均匀涂抹柔性可伸缩电极，当其受到电压时，弹逡逑性体的厚度会减小，面积显著扩大［１＃１（）５］。图２－１是电压驱动方形和圆形介电弹性体的原逡逑理图，上下两层电极在高压作用下，异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥，所以薄膜逡逑表现出明显的面积和厚度变化。逡逑逦逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逦＜逡逑Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ逦／逡逑Ｐ２逡逑０逡逑Ｒｉｇｉｄ邋ｆｒａｍｅ逡逑（ｂ）逡逑—？ｉ—逡逑０逡逑（ａ）邋Ｐｒｅｓｔｒｅｔｃｈｅｄ逦（ｂ）邋Ａｃｔｕａｔｅｄ逡逑Ｓｔａｔｅ逦Ｓｔａｔｅ逡逑图２－１介电弹性体膜上、下两表面涂有兼容电极，在高电压驱动下的变形图。（ａ）方形结构；（ｂ）圆逡逑形结构。逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ａ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｅｌａｓｔｏｍｅｒ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｉｓ邋ａｃｔｕａｔｅｄ邋ｂｙ邋ａｐｐｌｉｅｄ邋ｖｏｌｔａｇｅｓ邋ｖｉａ邋ｃｏｍｐｌｉａｎｔ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋ｏｎ逡逑ｂｏｔｈ邋ｓｉｄｅｓ．邋（１）邋Ａ邋ｓｑｕａｒｅ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ；邋（２）邋Ｔｈｅ邋ｃｉｒｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．逡逑基于以上原理，介电弹性体可以用来制作不同结构的智能驱动器，图２－２（ａ）是猫于逡逑介电弹性体卷形驱动夹持器；图２－２（ｂ）是面部表情驱动器。２００５年在韩国举办的会议丨？．，逡逑由机器人公司基于介电弹性体而设计和制造的机器人展示了面部表情变化（税拟爱因逡逑斯坦面部表情）

【参考文献】