最小能量型介电柔性关节的设计、建模及实验研究

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1、硕士学位论文最小能量型介电柔性关节的设计、建模及实验研究MINIMUMENERGYDIELECTRICSOFTJOINT:DESIGNMODELINGANDEXPERIMENT牛俊旸哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP271学校代码：10213国际图书分类号：080202密级：公开工学硕士学位论文最小能量型介电柔性关节的设计、建模及实验研究硕士研究生：牛俊旸导师：赵建文副教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：船舶与海洋工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP

2、271U.D.C:080202DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMINIMUMENERGYDIELECTRICSOFTJOINT:DESIGNMODELINGANDEXPERIMENTCandidate：NiuJunyangSupervisor：A.Prof.ZhaoJianwenAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringSchoolofNavalArchitecturea

3、ndAffiliation：OceanEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要人类一直梦想能够制造出类似生物的柔性机器人，仿生柔性机器人的关键部件是像生物肌肉一样具有大功率密度、高转换效率的柔性驱动元件，因此近年来柔性驱动器成为国际上一个崭新的研究领域。介电弹性体因其能实现超过200%的应变，3J/g的高能量密度及60-90%的能量转换效率而被认为是特性最接近人工

4、肌肉的材料。在介电弹性体制作的众多驱动器种类中，介电弹性体最小能量型结构(DEMES,DielectricElastomerMinimumEnergyStructures)利用柔性框架和介电弹性体薄膜在最小自由能状态下的结合使柔性旋转运动成为可能，因此在柔性驱动领域具有广泛的应用前景。但DEMES柔性关节的基础理论研究尚在发展完善之中，因此本文聚焦在DEMES柔性关节，研究其变形原理和静力学、动力学等基础问题，以期为DEMES柔性关节的设计和应用提供参考。在DEMES柔性关节的变形原理及静力学方面，分析了介电弹性体薄膜的变形过程及曲面形

5、貌，关键尺寸参数b值对结构电致应变特性的影响；给出了关节的输出力矩、固有频率、转动惯量、刚度计算公式，在此基础上总结出关节的设计准则并提出DEMES柔性关节新方案，大幅提高了关节的输出力矩。介电弹性体变形后形貌复杂，因此难以建立真实力学模型。本文在动力学方面基于等效刚度的思想，通过系数标定的方法建立了DEMES柔性关节的等效动力学模型，列出了关节在通电和断电状态下的动力学方程；通过最小二乘法对标定数据进行拟合，并利用Matlab分别解算出通电和断电状态下动力学方程数值解；将数值解与实验测试结果进行对比并分析了误差产生的原因。本文针对DE

6、MES柔性关节的制造工艺和参数测试也进行了研究并构建了相应的实验平台。利用所构建的实验平台测定了关键参数b值的影响、系统固有频率、新结构对力矩的增大效果、通电和断电状态下的阻尼、薄膜力矩及柔性框架力矩，从而对系统的静力学分析结果及等效动力学模型进行验证。关键词：介电弹性体；最小能量型结构(DEMES)；柔性关节；静力学分析；动力学建模-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractHumanarealwaysdreamingtocreatesoftrobotstomimiccreature.Thekeycomponentformim

7、ickingisasoftactuatorwithhigherpowerdensityandconversionefficiencylikemuscle.Undersuchbackground,thesoftactuatorattractedmuchattentionasafrontier.Amongdifferentkindsofsoftactuators,thedielectricelastomeractuatorwasconsideredasthebestcandidateforartificialmusclefordemonst

8、ratingactuatedstrainsofover200%,estimatedenergydensitiesofover3J/g,andenergyconversionefficiencyof60%-9