介电型EAP驱动的伸缩移动机器人研究.pdfVIP

· 电气技术与自动化 · 李克强，等 ·介电型EAP驱动的伸缩移动机器人研究 介电型 EAP驱动的伸缩移动机器人研究 李克强，王化明，刘佩惠，于宇帆 (南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016) 摘 要：以介电型 EAP为驱动材料 ，设计、制作 了一种结构紧凑的圆柱形驱动器。模仿 自然界 无足爬行生物的运动机理．设计了基于该驱动器的可伸缩移动机器人，实现机器人的向前伸缩 运动，验证 了该介电型 EAP驱动器在该类型机器人 中的实用性。 关键词：介电型 EAP；驱动器；机器人 中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1671-5276(2011)06-0171-04 Elastic Robet Drive by Dielectric Elastomer Actuators U Ke-qiang，WANG Hua—ming，LIU Pei—hui，YU Yu-fan (Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016，China) Abstract：This paper uses dielectric EAP as actuating material to design and manufacture a compact cylindrical actuator．The actua· tor can imitate the movement of the natural apods．And the retractable robot is developed．The result proves that the dielectric EAP actuator is practial in such type robots． Key words：dielectric EAP；actuator：robot 0 引言 介电型 EAP作为一种新型的智能驱动材料 ，具有大 应变 (最 大 380％)、高 能 量 密度 (3．4 J／g)、高 效 率 (60％ 一90％)、较快的响应速度(1 X 10 S)、且加工制造 方便等优点⋯。美国 SRI(Stanford Research Institute，最早 开展介电型 EAP研究的单位之一)的 Pelrine R．等根据介 电型EAP与自然肌肉的比较，断定介电型 EAP在应变、驱 动力、能量密度、效率和速度上最接近自然肌肉，且很多性 能已超过 自然肌肉 。 目前仿生机器人的驱动实现主要采用电动机加上减 速机的结构形式 ，这种驱动方式机械结构复杂、价格昂贵、 体积大、质量大、功率质量比小；传动零件问存在着滑动和 滚动摩擦 ，且这类驱动器相对固定的形式限制了其在某些 环境中的应用。此外还有采用 SMA(shape memory aloy) 驱动和气动人工肌 肉。SMA由于温度变化实现宏观位 移，但其效率比较低，响应速度慢，易受环境温度影响。气 动人工肌肉具有输出力大、响应较快等优点，但采用气动 人工肌肉驱动需要较多附件如气源及其控制系统等，系统 结构尺寸和质量大。 介电型 EAP驱动较其它智能材料和传统的电磁驱动 等技术相比有很多优点：可直接对外做功，无需传动机构， 具有结构简单、质量轻、效率高；变形大，可产生较大位移 等 。因此以介电型 EAP为驱动材料 ，通过对驱动器的 结构设计、制作、实验分析 ，研究其在仿生机器人 中的应 用 ，具有重要的研究意义。 1 圆柱形驱动器实现 1．1 驱动器设计 介电型 EAP薄膜是一种超弹性绝缘材料 ，其变形原 理如图 1所示。在薄膜的两侧分别敷柔性电极，在电极间 施加电压，两侧电极上的正负电荷就会相互吸引，在厚度 方向产生静电压力(即 Maxwel应力)，作用在介电型 EAP 薄膜上 ，使得介电型 EAP薄膜 的厚度变薄。由于该材料 具有不可压缩性 ，即受压变形后体积保持不变，因此薄膜 面积变大。失电后 ，介电型 EAP薄膜的面积变小，厚度变 大 ，又恢复到原状 ，实现了电能 向机械能的转化 ， 可利用其在通电前后的伸长和收缩来实现驱动。 ● 介电型EAP L—————_j l (a)通电前 电后 通电后产生的静电压力 Oz可以表示为m ： ： =s0s (V／t1) (1) 其中， 为真空介电常数； 为介电型EAP相对介电 常数；V为施加的电压；￡ 为介电型 EAP厚度。 基金项目：国家大学生创新性实验计划项目(101028720) 作者简介：李克强(1989一 )，男，河南商丘人，南京航空航天大学本科生，研究方向为机电控