基于EAP致动器的动态控制建模的基础研究

【摘要】电活性聚合物（EAP）因其具有质量轻、无噪音、变形量大、响应迅速、质（能）量密度高、环境适应性强、价格便宜等优点，成为了现今机器人、玩具、医学机械等领域的驱动器制造的热点材料。介电弹性体（DE）材料是电子型电活性聚合物的一种，也是现今应用最广泛的EAP材料。DE材料的致动原理是电极两端的电压诱导了一个静电压力作用于DE材料，使其在厚度方向上发生收缩，而与厚度方向垂直的平面产生扩展延伸。虽然DE材料的致动原理非常简单，但由已知的电刺激引发的机械响应的预测并不简单。本文主要以DE致动器的致动单元——DE材料为研究对象，对该材料的非线性特性进行了建模和模拟仿真研究。具体的研究工作内容如下：（1）介绍了传统驱动方式的缺点和不足；介绍了电活性聚合物的研究背景和意义；综述了EAP驱动器在应用和建模这两方面的国内外研究现状。（2）简单介绍了DE材料的基本致动原理；分析了DE材料作为一种聚合物所具有的力学特性，介绍了最简单的两基本粘弹性模型和几种常见的超弹性模型的应变能函数，并研究了DE材料在单轴预拉伸和等轴预拉伸配置下，基于这几种应变能函数的力学特性；分析了预应变对DE材料的力学特性的影响。（3）分别就DE材料发生小变形和大变形两种情况，从DE材料的非线性、不可压缩性、粘弹性和超弹性等力学特性出发，在发生小变形时，采用了五参数的Voigt-Kelvin粘弹性模型对其力学特性进行了描述；在发生大变形时，根据超弹性材料的超弹性理论，采用了三种最常见的应变能函数（Yeoh形式、Mooney-Rivlin形式和Ogden形式）对其力学特性进行了描述，并都建立了相应的力学模型。在此基础上，结合了DE材料的电学模型，最终建立了DE致动器在发生小变形和大变形两种情况下的动态机电耦合模型。（4）基于RahimullahSarban等人做的实验和MichaelWissler等人做的单轴拉伸试验，利用MATLAB2009b的最小二乘法曲线拟合函数lsqcurvefit函数，拟合了已建的机电耦合模型，得到了未知的模型参数值，并给出了直观的拟合曲线图；分析了实验中的一些实验装置对实验数据的影响；最后给出了DE致动器对已知的电压刺激的响应。（5）分别对DE致动器发生小变形和大变形时的机电耦合模型在MATLAB里进行了模拟和仿真。仿真结果显示，模型的模拟预测值与DE致动器在实验中测得的数据结果非常相似。主要针对DE致动器的输入电压和输出应变之间的关系进行了仿真，为以后DE致动器的设计提供参考，同时也便于DE致动器的控制研究。
【作者】傅丹丹；
【导师】周建军；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】电活性聚合物；介电弹性体；粘弹性模型；超弹性模型；MATLAB；变形；

【参考文献】
[1]李昆.冲击载荷下机械零部件疲劳分析方法及其应用研究[D].合肥工业大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[2]夏强.混凝土简支梁时变可靠度分析[D].重庆交通大学,桥梁与隧道工程,2012,硕士.
[3]王萍.论狄更斯的幽默艺术[D].吉林大学,比较文学与世界文学,2004,硕士.
[4]任华.电网风电接纳能力约束条件及影响因素研究[D].北京交通大学,2014.
[5]吕志涛.高效环保型水系灭火剂研究[D].南京理工大学,军事化学与烟火技术,2013,硕士.
[6]杨小虎,潘云鹤,何志均.明暗效果快速多变的CSG实体显示技术[J].自动化学报,1993,01:91-95.
[7]郭观七,尹呈,曾文静,李武,严太山.基于等价分量交叉相似性的Pareto支配性预测[J].自动化学报,2014,01:33-40.
[8]闫然.怀宁县县城建设对县域经济的拉动作用[D].安徽大学,区域经济学,2013,硕士.
[9]周志昊.留守儿童学业自我效能感现状及其与学业延迟满足和父母教养方式的关系研究[D].湖南师范大学,应用心理（专业学位）,2014,硕士.
[10]陈立勇.增强基因工程抗体表达策略的初步探讨[D].中国人民解放军军事医学科学院,免疫学,2004,硕士.
[11]李卉.水溶性稀土氟化物纳米晶的制备[D].吉林大学,集成电路工程,2013,硕士.
[12]朱永兴,陈宗懋.《茶叶科学》办刊50年[J].茶叶科学,2014,05:417-427.
[13]黄摇吴.枪匣表面机器人砂带抛光离线编程技术研究[D].重庆大学,机械电子工程,2014,硕士.
[14]何永秀,陶卫君,杨卫红,戴爱英,蔡琦.基于解释结构模型的城市电力负荷预测[J].电力系统自动化,2009,20:37-42.
[15]何剑南.液肥注射式工作部件的工作机理与试验研究[D].东北农业大学,农业机械化,2013,硕士.
[16]欧阳兆飞.静电纺丝制备聚氨酯/碳纳米管/纳米银复合纤维及其在电化学传感器中的应用[D].北京化工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[17]叶庆子.论翻译重述中的译者主体性[D].湖南科技大学,外国语言文学,2013,硕士.
[18]金荣.PI/Al_2O_3和PI/TiO_2复合薄膜结构与性能[D].哈尔滨理工大学,2014.
[19]周芳.USB2.0设备控制器的IP核设计[D].南京航空航天大学,电路与系统,2004,硕士.
[20]顾建荣.基于JAVA教育教学综合平台的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[21]刘伟秀.《吉姆老爷》的解构主义重读[D].河北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[22]刘心怡.近30年渝南地区农村居民点时空演变研究[D].西南大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[23]刘孟哲.高校图书馆空间组织及环境改造设计研究[D].长安大学,建筑设计及其理论,2014,硕士.
[24]李占龙.大型风力机阻尼叶片抑颤特性研究[D].太原科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[25]刘兴宇.酶和药物在聚电解质微胶囊中的自发沉积与可控释放[D].浙江大学,材料学,2003,硕士.
[26]柴智慧.农业保险的农户收入效应、信息不对称风险[D].内蒙古农业大学,农业经济管理,2014,博士.
[27]崔龙.基于甬江特大桥的桥梁健康状态模糊综合评估[D].哈尔滨工业大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[28]李艳群.现代汉语主语从句问题研究[D].辽宁大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[29]张锦.2013陶博会开幕式模拟汉英交替传译实践报告[D].山东财经大学,英语口译（专业学位）,2014,硕士.
[30]赵严冬.世界银行业国际化及其发展趋势研究[D].吉林大学,世界经济,2004,硕士.
[31]张利,杨以涵,司冬梅,杨鹏,齐超.基于零序电流和磁场检测故障杆的配电网故障定位[J].电力系统自动化,2008,14:73-76+90.
[32]惠志伟.关于Smarandache函数及其下界估计的相关问题[D].西北大学,应用数学,2013,硕士.
[33]徐天奇.石墨烯金属纳米复合物电催化性能的研究[D].苏州科技学院,2014.
[34]石小丹,李啸,罗宇笛,谈亚丽.发酵液中酮基还原酶活性测定方法的构建[J].中国酿造,2014,09:151-155.
[35]刘世珍.基于Anbroid平台学习软件开发研究与实践[D].东北石油大学,教育技术学,2013,硕士.
[36]魏芳.基层党组织保持党员先进性长效机制建设研究[D].大理学院,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[37]朱兴攀.黄岩汇矿综放面采空区煤自燃危险区域划分及数值模拟研究[D].西安科技大学,安全技术及工程,2013,硕士.
[38]吴星和.图像情感语义注释与检索研究[D].浙江大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[39]杨莲莲.新型咔唑基席夫碱衍生物的合成及离子识别性能研究[D].安徽大学,应用化学,2013,硕士.
[40]余延池.思想政治理论课在推动马克思主义大众化中的作用[D].华中师范大学,思想政治教育,2012,硕士.
[41]张绪云.中职作文阶段教学研究[D].苏州大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[42]刘晨辰.低山丘陵地区休闲农业生态园规划设计研究[D].南京农业大学,风景园林,2013,硕士.
[43]王娇.新中式庭院设计研究[D].中南林业科技大学,设计艺术学,2013,硕士.
[44]唐少虎.VISSIM仿真参数自校正方法研究与实现[D].北方工业大学,检测技术与自动化装置,2013,硕士.
[45]张凤.论同性婚姻的合法化问题[D].广西师范大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[46]王利辉.华北地区金融发展与经济增长关系研究[D].河北经贸大学,统计学,2013,硕士.
[47]张兵兵.基于个性化虚拟人台的三维数字服装原型的研究[D].东华大学,计算机系统结构,2014,硕士.
[48]黄斌.利用Bernstein算子及其迭代的线性组合构造高精度拟插值算子[D].复旦大学,应用数学,2012,硕士.
[49]陈思远.高等学校工科国家重点学科建设研究[D].东北大学,行政管理,2010,硕士.
[50]刘鹰.高密度水产养殖生态工程设计及循环水流转机理研究[D].浙江大学,2001.