基于介电弹性体驱动的柔性关节力学特性及设计方法研究
发布时间：2021-02-09 16:49
相对刚性机器人而言,软体机器人的机械本体由具有一定弹性的软质材料制成,在与外界发生碰撞时能够吸收一定碰撞能,有效避免或减轻对外界和自身的伤害,因此软体机器人在人机交互等应用场合具有更大优势。此外,软体机器人可以实现连续变形,对环境的适应能力也更强。因此,软体机器人近年来成为机器人领域的研究热点。本文从软体机器人所需的柔性驱动技术出发,选择具有高能量密度和快响应速度的丙烯酸类介电弹性体薄膜作为驱动材料,研究单自由度的最小能量型柔性关节的静力学、动力学及双稳态特性,在此基础上给出该类型关节的量化设计方法,并利用此设计方法研制了两种软体机器人。具体内容如下。在静力学特性方面,由于介电弹性体薄膜是一种具有粘弹性的超弹性材料,拥有复杂的非线性本构关系,而且柔性关节在弯曲时薄膜会形成特殊马鞍面形貌,所以很难基于牛顿力学建立精确的静力学解析模型。本文基于热力学理论框架和高弹聚合物力学理论,采用Yeoh应变能密度模型描述薄膜的本构关系,借助ABAQUS软件,建立柔性关节的有限元静力学模型。利用该模型研究柔性框架镂空区形状、薄膜厚度对柔性关节静力学性能的影响。通过实验研究不同预拉伸方式和不同预拉伸率对关...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
介电弹性体最小能量结构工作原理
第 1 章 绪论S 柔性关节建模方法研究现状从理论上对 DEMES 结构柔性关节进行预测，研究人员关节，用来研究关节几何参数对其性能的影响，也可衡变形角度。的Zhigang Suo首先针对介电弹性体提出非线性的机电介电弹性体的建模方面做出了许多成绩[78,95]。课题组荷。在已知电场强度的情况下，以本征应变的形式通题中，并将自由能函数和其衍生方程编入到用户自定型进行定义。能够建模仿真分析包括平面，球形，抓模型，如图 1-5 所示[79]。
图 1-6 普林斯顿大学以 ABS 为柔性框架的 DEMES 结构和物理模型Fig.1-6 DEMES and physical model with ABS as flexible frame by Princeton University(a) (b) (c)图 1-7 EPFL 关于 DEMES 柔性关节模型的研究Fig.1-7 The model of DEMES joint constructed by EPFL新西兰奥克兰大学的 Benjamin O’Brien 等人利用介电弹性体的总应变能量密度为材料拉伸所产生的能量密度和介电能量密度之和的方法，建立了介电弹性体的能量模型，并且通过给定预乘系数的方法定义了材料粘弹性的 Prony 系数，进而建立了新型的应变能函数，大大减少了计算量。并且对纤毛状的 DEMES 结构驱动
【参考文献】：
期刊论文
[1]电活性聚合物PVC凝胶材料的3D直写打印工艺[J]. 罗斌,陈花玲,徐雪杰,汝杰,朱子才. 机械工程学报. 2019(11)
[2]软体驱动器研究综述[J]. 孙沂琳,张秋菊,陈宵燕. 机械设计. 2019(02)
[3]A soft gripper of fast speed and low energy consumption[J]. WANG YuZhe,GUPTA Ujjaval,PARULEKAR Nachiket,ZHU Jian. Science China（Technological Sciences）. 2019(01)
[4]软体机器人研究展望:结构、驱动与控制[J]. 文力,王贺升. 机器人. 2018(05)
[5]软体机器人的驱动器及制作方法研究综述[J]. 徐丰羽,郭义全,周映江,吴明亮,宋玉蓉. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2018(04)
[6]基于SMA柔性驱动器的机器鱼设计与试验[J]. 夏期荣,董二宝,杨杰. 新技术新工艺. 2018(08)
[7]软体机器人:结构、驱动、传感与控制[J]. 王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力. 机械工程学报. 2017(13)
[8]长臂式仿生软体机器人及其主动弯曲模型[J]. 姚鹏飞,高涛,鲍官军,李昆,许宗贵,王志恒. 机电工程. 2017(04)
[9]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[10]形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究[J]. 王扬威,于凯,王振龙. 中国机械工程. 2015(08)
博士论文
[1]电活性介电弹性体的本构理论和稳定性[D]. 刘立武.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]最小能量型介电柔性关节的设计、建模及实验研究[D]. 牛俊旸.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3025935
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
介电弹性体最小能量结构工作原理
第 1 章 绪论S 柔性关节建模方法研究现状从理论上对 DEMES 结构柔性关节进行预测，研究人员关节，用来研究关节几何参数对其性能的影响，也可衡变形角度。的Zhigang Suo首先针对介电弹性体提出非线性的机电介电弹性体的建模方面做出了许多成绩[78,95]。课题组荷。在已知电场强度的情况下，以本征应变的形式通题中，并将自由能函数和其衍生方程编入到用户自定型进行定义。能够建模仿真分析包括平面，球形，抓模型，如图 1-5 所示[79]。
图 1-6 普林斯顿大学以 ABS 为柔性框架的 DEMES 结构和物理模型Fig.1-6 DEMES and physical model with ABS as flexible frame by Princeton University(a) (b) (c)图 1-7 EPFL 关于 DEMES 柔性关节模型的研究Fig.1-7 The model of DEMES joint constructed by EPFL新西兰奥克兰大学的 Benjamin O’Brien 等人利用介电弹性体的总应变能量密度为材料拉伸所产生的能量密度和介电能量密度之和的方法，建立了介电弹性体的能量模型，并且通过给定预乘系数的方法定义了材料粘弹性的 Prony 系数，进而建立了新型的应变能函数，大大减少了计算量。并且对纤毛状的 DEMES 结构驱动
【参考文献】：
期刊论文
[1]电活性聚合物PVC凝胶材料的3D直写打印工艺[J]. 罗斌,陈花玲,徐雪杰,汝杰,朱子才. 机械工程学报. 2019(11)
[2]软体驱动器研究综述[J]. 孙沂琳,张秋菊,陈宵燕. 机械设计. 2019(02)
[3]A soft gripper of fast speed and low energy consumption[J]. WANG YuZhe,GUPTA Ujjaval,PARULEKAR Nachiket,ZHU Jian. Science China（Technological Sciences）. 2019(01)
[4]软体机器人研究展望:结构、驱动与控制[J]. 文力,王贺升. 机器人. 2018(05)
[5]软体机器人的驱动器及制作方法研究综述[J]. 徐丰羽,郭义全,周映江,吴明亮,宋玉蓉. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2018(04)
[6]基于SMA柔性驱动器的机器鱼设计与试验[J]. 夏期荣,董二宝,杨杰. 新技术新工艺. 2018(08)
[7]软体机器人:结构、驱动、传感与控制[J]. 王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力. 机械工程学报. 2017(13)
[8]长臂式仿生软体机器人及其主动弯曲模型[J]. 姚鹏飞,高涛,鲍官军,李昆,许宗贵,王志恒. 机电工程. 2017(04)
[9]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[10]形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究[J]. 王扬威,于凯,王振龙. 中国机械工程. 2015(08)
博士论文
[1]电活性介电弹性体的本构理论和稳定性[D]. 刘立武.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]最小能量型介电柔性关节的设计、建模及实验研究[D]. 牛俊旸.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3025935
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