（机械制造及其自动化专业论文）电场活化聚合物（de）一维伸缩致动器设计.pdf

电场活化聚合物( d e ) 一维伸缩致动器设计 摘要 电场活化聚合物( d i e l e c t r i ce l a s t o m e r ，d e ) 是一种压电材料，与传统的压 电材料相比，具有更大的应变能力，且重量轻、驱动效率高、抗振性能好。基 于电场活化聚合物的一维伸缩致动器是一种可将电能直接转化为直线运动的装 置，类似于线性马达。它具有与自然肌肉相似的运动特性，可广泛应用于微型 机械及机器人。 目前针对电场活化聚合物一维伸缩致动器的设计理论、方法还未见有报导。 本文对电场活化聚合物卷筒型一维伸缩致动器进行设计，不仅设计确定其详细 结构，而且在对电场活化聚合物进行定量实验研究的基础上，依据奥格登 ( o g o e n ) 本构模型进行了力学分析和计算，推导出全部设计计算公式，从而确 定出致动器的主要性能参数值。最后，制作出致动器实体原型并进行了实验分 析。实验结果表明：本文提出的设计理论、方法具有可行性，从而为今后此种 致动器的进一步改进设计和应用打下了重要基础，同时也为更复杂的多维d e 致动器设计研究提供了参考。 关键词：电场活化聚合物；一维伸缩致动器； 奥格登本构模型；实体原型 d e s i g no fu n i l a t e r a lp u s h - p u l la c t u a t o ro fd i e l e c t r i ce l a s t o m e r s a b s t r a c t d i e l e c t r i ce l a s t o m e r ( d e ) i sat y p eo fp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，i th a sl a g e rs t r a i n sa n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l i g h ti nw e i g h t ，h i g hd r i v ee f f i c i e n c ya n dg o o dv i b r a t i o nw i t h s t a n d i n gc a p a b i l i t y u n i l a t e r a lp u s h p u l la c t u a t o ro fd i e l e c t r i ce l a s t o m e r si ss u c had e v i c e ，w h i c hc a n t r a n s f e re l e c t r i ce n e r g yd i r e c t l yi n t ol i n e a rm o t i o n ，j u s tl i k eal i n e a rm o t o r i th a s s i m i l a rm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lm u s d e sa n dc a l lb eu s e di nm e m sa n d r o b o tw i d e l y u n t i ln o wt h e r ea r en oa r t i c l e sa b o u tt h ed e s i g nm e t h o da n dt h e o r yo fu n i l a t e r a l p u s h p u na c t u a t o ro fd i e l e c t r i ce l a s t o m e r s ar o l l t y p eu n i l a t e r a lp u s h - p u l la c t u a t o r o fd i e l e c t r i ce l a s t o m e r sw a sd e s i g n e di n t h i st h e s i s n o to n l yd e s i g n e dt h ed e t a i l s t r u c t u r eo fu n i l a t e r a l p u s h - p u l la c t u a t o r , b u t a l s ob a s e do nt h e q u a n t i t a t i v e e x p e r i m e n to fd i e l e c t r i ce l a s t o m e r ，a n da c c o r d i n gt o0 酣e ns t r a i n s t r e s sm o d e l c a r r i e do u tt h em e c h a n i c a la n a l y s e sa n dc a l c u l a t i o nf o rt h i sa c t u a t o r a l lf o r m u l a sf o r d e s i g ns u c har o l l t y p eu n i l a t e r a lp u s h - p u l la c t u a t o ro fd i e l e c t r i ce l a s t o m e r sw e l e d e r i v e d ，w h i c hc a nb eu s e dt oc o n f i r mt h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h e a c t u a t o r a tl a s t ，ap r o t o t y p eo ft h ea c t u a t o l w a sm a d ea n dt e s t e d r e s u l t so f p r o t o t y p et e s ts h o w e dt h a t ，t h ed e s i g nm e t h o da n dt h e o r ym e n t i o n e di nt h i st h e s i si s f e a s i b l ea n dv a l i d ，w h i c hp u tt h ew a yf o rt h ei m p r o v ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h i s t y p eo fa c t u a t o r , a n dp r o v i d e dar e f e r e n c ef o rt h es t u d ya n dd e s i g no fm o r e c o m p l i c a t e dm u l t i d i m e n s i o n a ld i e l e c t r i ce l a s t o m e ra c t u a t o r s e a s ) i nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d i e l e c t r i ce l a s t o m e r , u n i l a t e r a lp u s h - p u l la c t u a t o r , o g d e ns t r a i n - s t r sm o d e l ， p r o t o t y p e 插图清单 图l 一1 振翅压电执行器5 图1 2 悬臂梁式磁致伸缩微型阀6 图1 - 3 静电线性执行器6 图1 4 蚯蚓型微型机器人6 图1 5s m a 六足步行机器人7 图1 - 6t i n i s i 复合膜驱动的微泵7 图1 7f m p 微型机器人8 图2 1 各种电活化材料和设备性能比较1 0 图2 2 麦克斯韦应力现象1 l 图2 3 电场活化聚合物的致动器效应和传感器效应1 2 图2 4 几种线性致动器结构示意图1 3 图2 5 用于制造人造肌肉的三种线性致动器1 3 图2 - 6 昆虫形行走机器人( f l e x 系列) 1 4 图2 7 蛇形操纵器1 5 图2 8 昆虫形振翅飞行器1 5 图2 - 9 尺蠖型机器人1 6 图3 1 单、双层d e 薄膜结构比较一1 9 图3 2 卷筒型一维伸缩致动器结构1 9 图4 1 无预拉伸变形情况2 1 图4 2 非均匀预拉伸( 1 0 0 3 0 0 ) 2 1 图4 3 均匀预拉伸2 2 图4 - 4d e 薄膜预拉伸前后尺寸2 3 图4 5 各种模型拟合情况比较2 3 图4 - 6 不同状态下的材料单元体分析2 5 图4 7d e 薄膜电击穿破坏过程2 7 图4 8 变形网格图2 8 图4 - 9 离型纸上的裁剪线一3 0 图4 1 0 长方形区域的边线3 0 图4 一1 1 样品实验现场3 1 图4 - 1 2 雪轴线方向的变形率曲线3 2 图4 - 1 3j ，轴线方向的变形率曲线3 2 图5 1 弹簧工作图3 8 图5 2 引出线与屈从电极连接图3 9 图5 3 引出线与接线端头的连接3 9 图5 _ 4 预拉伸微调装置4 0 图5 5 致动器零件4 l 图5 - 6 致动器零件的装配4 2 图5 7 薄膜固定架4 3 图5 8 电极区域记号线4 3 图5 - 9 致动器实体原型4 4 图6 1 实验现场4 5 图6 2 致动器实验图4 6 图6 3 电压位移特性实验曲线4 7 图7 1 单层结构半径变形率曲线4 9 图7 2 双层结构半径变形率曲线5 0 图7 3 单、双层结构半径变形率曲线比较5 0 表格清单 表2 - 1 典型d e 材料性能对比。1 0 表3 1 致动器各零部件主要作用2 0 表5 1 弹簧几何参数。3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果也不包含为获得 金蟹王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 靴论文作糍铡签字嗍2 哆年2 睢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定- 有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 盒魍王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期：2 田年f 2 月瞪日签字日期：2 叫年胗月j 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在我尊敬的导师吕新生老师悉心指导下完成的。吕新生老师 严谨求学的科学态度、扎实广博的专业知识、忘我工作的敬业精神和丰富的实 践经验使我受益匪浅、终身受益。我在攻读硕士学位期间所取得的每一点进步 都离不开导师的指导和帮助，尤其对我在研究生阶段的学习和研究工作方面倾 注了大量的心血，在物质上和精神上都给予了极大支持。在这两年多的时间里， 导师不仅在学业上给予我精心的指导，而且在生活方面也给予了无微不至的关 怀。在此，我要向我的导师吕新生老师致以最衷心的感谢! c a d c a m 中心的张晔、曹文钢、王晓枫、陈科等各位老师在我的论文工 作期间也给予了建议和亲切的指导，在此深表谢意! 在此，感谢贾贤安老师的亲切指导和帮助! 撰写论文期间，赵翠清、陈娟、冯敏亮、周志斌、张锦权、刘亚东、韩燕、 石作维、蔡振、王敬芝等同学都给了我无私的帮助和支持，在此一并表示衷心 的感谢! 感谢我的父母，感谢他们这么多年来对我关怀和支持，感谢他们为我无私 奉献的一切! 最后感谢所有关心、支持和帮助过的老师、同学和朋友! 作者：李刚 2 0 0 7 年1 1 月 1 1 课题研究背景 第一章绪论 早在1 9 8 8 年美国出版的一本小册子小机械，大机会( s m a l l m a c h i n e s ， l a r g eo p p o r t u n i t i e s ) 就己预示微机电系统( m i e r o e l e c t r o m e e h a n i e a ls y s t e m ， m e m s ) 将为科技发展带来巨大机会。微机电系统( m e m s ) 在欧洲和日本分别被 称为微系统( m i c r o s y s t e m ) 和微型机械( m i c r o - m a c h i n e ) ，国内专家一般称之 为微机电系统或微型机械，它泛指尺寸范围为毫米、微米或纳米级，可对声、 光、电、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的，集微结构、 微传感器、微执行器和微控制器为一体的微型机电装置系鲥“。m e m s 是多种 学科交叉融合并具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一m e m s 以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广 阔的应用前景。 微机电系统不是简单按比例缩小的普通机电系统的副本，它更多地是新材 料、新工艺、新机构、甚至新原理、新理论的创造和应用。微型致动器( 也称 微型执行器或微型驱动器) 作为微机电系统的关键部件之一，与微型传感器相 比其研究相对落后，目前所用的各种微型致动器综合性能还不太理想。微机电 系统的最终应用目标是微型机器人，机器人要实现微小型化在致动器设计方面 一种较好的思路是采用新型材料来实现致动器的微型化。目前正在研究的新型 微致动器有线性静电马达型致动器、压电材料致动器、s m a 致动器、高分子材 料致动器等。 其中电活化聚合物( e l e c l r o a c t i v ep o l y m e r , e a p ) 这类材料能够在外电场作 用下产生大幅度力学响应，可用于制造微型机械中的电致动器( a c t u a t o r s ) 或 传感器( s e n s o r s l 。特别是电活化聚合物中的电场活化聚合物( d i e l e c t r i c e l a s t o m e r , d e ) 。它富有弹性、重量轻、变形大，驱动效率高、抗振动性能好，极像动物的 肌肉，被认为是构造未来更具柔性的微型致动器的最具优势的材料之一，是将 来在机器人、特别是微型机器人中制造人造肌肉的理想材料i 2 l 。 目前大部分微型机械是压电陶瓷驱动，少部分利用形状记忆合金进行驱动， 利用电场活化聚合物( d e ) 驱动的微型机械极少，基本处于实验室原型阶段。 电场活化聚合物与压电陶瓷、形状记忆合金等传统材料相比，在应变幅度、弹 性能密度、能量转换效率和响应速度等方面具有显著的优势。最近十多年来国 际上掀起了对电场活化聚合物的研究热潮。当前在此领域研究中处于领先地位 的是美国斯坦福研究院( s r i ) 和美国n a s a 喷气推进实验室( j p l ) ，我国国 内对电场活化聚合物的研究虽然还处在起步阶段，但由于国际上对此研究也起 步不久，因而与国外研究水平差距不大。 在这样的背景下，本课题以电场活化聚合物为基本材料，研究具备人造肌 肉特性的致动器的基本设计方法，对电场活化聚合物致动器在微型机械及机器 人中的实际应用具有重要作用和意义。 1 2 微型机械及仿生机械中致动器的研究状况 致动器是一种重要的执行机构，它的主要功能是实现力( 包括扭力) 和或 位移( 包括线性位移和角位移) 的输出，根据不同的致动机理采用不同的材料 和方法来制作。微型致动器是微机电系统的重要组成部分，目前较为典型的微 型致动器有微马达( m i c r o m o t o r s ) 、微型阀( m i c r o v a l v e s ) 微型泵( m i e r o p u m p ) 、 微型膜盒执行器( b e l l o w ) 等。 1 2 1 微型致动器材料的特性及应用情况 微型机械驱动材料与传统驱动材料不只是尺寸大小的不同，在性能等方面 也有明显的差异，通常为智能材料的基础材料一功能材料。功能材料通常可分 为两大类：一类被称为驱动材料，它可以根据温度、电场或磁场的变化来改变 自身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等，因而对环境具有自适 应功能，可用来制成各种执行器；另一类被称为感知材料，它是指材料对于来 自外界或内部的刺激强度及变化( 如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐 射等) 具有感知，可以用来做成各种传感器。同时具有敏感材料与驱动材料特 征的材料，又被称为机敏材料口羽。 以下是目前研究的一些可用于构建智能材料系统的典型功能材料的特点及 应用情况。 1 ) 形状记忆材料 形状记忆是指具有初始形状的制品，经形变固定之后，通过加热等外界条 件刺激手段的处理，又可使其恢复初始形状的现象。形状记忆材料包括形状记 忆合金( s m a ) 、形状记忆陶瓷( s m c ) 、形状记忆高分子( s m p ) 。 s m a 是研究最早的功能材料之一，在智能材料与机构中，主要用作致动器 ( 执行器) ，这种致动器具有不少优点：其一，由于形状记忆合金集“感知”与“驱 动”于一体，所以便于实现小型化；其二，元件动作不受温度以外的环境条件 的影响，故可用于某些特殊场合；其三，可产生较大的形变量和驱动力。由于 具有这些特性，目前s m a 已在航空航天、电子、仪器仪表、自动控制、能源、 建筑、医疗以及日常生活中得到广泛的应用，如在宇航空间技术方面，卫星天 线就是利用它在高温和低温时形状变化的一个典型例子。再比如，美国i d i 公 2 司( i n n o v a t i v ed y n a m i c si n c ) 正在开发s m a 除冰器，实现旋翼飞机的全天候 飞行6 1 。 形状记忆高分子材料与形状记忆合金相比，不仅变形量大、赋性容易，而 且还具有保温、绝缘性能好、不易锈蚀等特点。根据形状记忆高分子材料回复 原理可将其分为：电致感应型、光致感应型等。形状记忆高分子材料具有广阔 的应用前景，但仍存在一些不足，如价格高，机械性能强度和化学耐久性、耐 油性等性能不够理想；形状记忆智能在加热时从某种形状恢复原始形状，再冷 却时却不能恢复到加热前的状态等等。因此，欲得到理想的形状记忆高分子材 料，还应该提高形状记忆性能和综合性能，开发更多的品种。 由于近年来微机电系统的发展对新型驱动器的要求日益迫切，而且溅射工 艺技术已有长足进步，形状记忆合金薄膜作为新型驱动材料己脱颖而出，受到 了人们的广泛注意。s m a 薄膜除了具有s m a 体材的优点外，还由于其表面积加 大，增强了散热能力，从而提高了响应速度；因电阻率提高，增加了温度、应 力检测的灵敏度，并且易于集成化制造。故可以断言，随着智能材料与结构以 及微机电系统的发展，形状记忆合金薄膜将受到人们进一步的关注和重视。 2 ) 压电材料 压电材料具有正逆压电效应，使得它在智能结构中具有很多的特性：既可 以作为致动器，又可作为传感器。作为致动器时，是因为对压电材料施加电场 作用时，会引起材料内部正负电荷中心的相对位移，导致材料变形，应变大小 与电场成正比，它的激励功率小，响应速度较快，是形状记忆合金的一万倍： 压电材料除了石英晶体外，还有压电陶瓷、压电高分子材料和压电半导体等。 由于陶瓷材料的化学惰性、机械稳定性、热传导性和热膨胀性，使其成为 微机电系统的主要基板材料，用于致动器元件的压电陶瓷，具有价廉、质轻小 巧、易于与基体结合、响应速度快等特点。又由于压电陶瓷具有微小位移且精 度高这一突出优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求，用作压电驱 动器是比较理想的【，。 压电高分子材料中比较典型的是聚偏氟乙烯( p o l y v i n y l d e n ef l o u o r l d e ，简 称p v d f ) ，人们利用这种材料可制成具有高度的可操作性、无噪音、动作灵 活、可类似模拟人体手臂、鱼类、昆虫等动作的仿生机器人p ”j 。 3 ) 磁致伸缩材料 由于铁磁材料磁化状态的改变而导致的形状的改变，即是磁致伸缩效应。 反之，若对铁磁材料施加应力，则导致其形状和磁化状态的改变，这就是磁致 伸缩效应的逆效应，称为磁弹效应或压磁效应。一般的磁致伸缩材料( f e 、c o 和n i 等) 的应变在2 0 8 0 p p l l i 之间，而巨磁致伸缩材料( g i a n t m a g n e t o s t r i c t i r e m a t e r i a l ) 则具有以下的特性：在室温下的应变大( 15 0 0 20 0 0 p p m ) ，是压 电陶瓷的5 8 倍；能量密度高( 1 40 0 0 2 50 0 0j m ) ，是压电陶瓷的1 0 1 4 倍； 机电耦合系数大；响应速度快，可达i l l s 的量级；输出力大，可达2 2 0 8 8 0 n 。磁致伸缩材料在磁场作用下，引起其长度变化而产生位移并做功；而 在交变磁场的作用下，导致其长度反复伸长和缩短，从而产生振动或声波。 这种材料可将电磁能转换成机械能或声能；反之，也可以将机械能转换成电磁 能。它是一种重要的能量转换功能材料。巨磁致伸缩致动器不仅结构简单、位 移大以及输出力强，而且机械强度高、过载能力强，易于实微型化并可采用无 线控制。它在声纳的低频( 频率为数十1 4 _ z 至20 0 0h z ) 大功率( 6 2 5k w ) 水 声换能器、微位移驱动器、消除振动和噪声系统等领域有广泛的应用前景。近 年来，薄膜型巨磁致伸缩微驱动器在微流体控制系统、线性超声微马达以及微 型行走机械中的应用均有重要进展1 1 1 - 1 2 。 4 ) 电致伸缩材料 电致伸缩材料从某种意义上可以说就是指或主要是指压电材料。因为从物 理实质而言，压电材料与电致伸缩材料并没有根本区别。若对其施加作用力， 则在它的两个电极上将感应产生等量异号电荷；反之，当它受到外加电压的作 用下，便会产生机械变形。基于这一原因，电致伸缩材料在智能机构中被广泛 地用作传感器和致动器。并且，这类传感器和致动器比其他类型的传感器和致 动器具有更为优良的频率特性和可集成特性。若将它们与其他组元有效地组合 起来，则可构成一种对结构控制极为有效的智能材料。 其中电活化聚合物( e a _ p ) 就是电致伸缩材料中较有代表性的一类材料， 它能够在外电场诱导下，通过材料内部构造改变产生多种形式的力学响应。电 活化聚合物最引人注目的特点是在仿制生物肌肉时表现出来的高韧性、高传动 应变和内在减震能力，所以它获得了“人造肌肉”的美称，并为制造真正意义 上的仿生机械人提供了可能性。目前，科学家们正致力于研制用仿真肌肉传动 的机械人手臂，其“臂力”已经能够胜过真人。估计再过几十年，利用e a p 材 料替换损坏了的人体肌肉，制成某种意义上的“仿生人”的目标将可以实现。 在不断加深了解并改进e a p 材料的实用性、耐久性的同时，宇航方面的应用也 取得相应的进展，1 9 9 7 年7 月4 日火星探险者的着陆器用的可充气软垫就是用电 活化聚合物制成的。将来e a p 制造的器件有可能取代传统传动元件如马达、齿 轮、轴承和螺旋紧固件等【l ”。 1 2 2 微型致动器应用研究状况 1 ) 国外对功能材料驱动微执行器技术的研究 微执行器( 微型致动器) 一直伴随着微机电系统的发展而发展。当r i c h a r dp f e y r t m a n 在1 9 5 9 年提出了微型机械的设想后，第一个硅微型压力传感器很快 于1 9 6 2 年问世，紧接着开发出尺寸为5 0 - - 5 0 0u l n 的齿轮、齿轮泵、气动涡轮 4 及联接件等微传动机构。由于微执行器是比较复杂、难度大的微形器件，其研 究进展比较缓慢。2 0 世纪7 0 年代开始进行具体的微执行器的研究，直到1 9 8 7 年可以说是微执行器发展史上的一个里程碑，加州大学克利实验室首次制作出 了直径1 0 0 u n l 和6 0 u r n 的微马达，在国际上引起了高度重视。随后各国学者先 后利用各种功能材料研制出具有不同功能的，适用于不同环境的微执行器，从 功能上可以划分为：( 1 ) 微位移系统，例如微悬臂梁、微直线位移系统、微蛇 ( 尺蠖) 型位移系统、r a i n b o w 型位移系统、a f m 头、微马达、微陀螺、微行 走系统和微继电器等；( 2 ) 微流体系统，例如微阀和微泵、打印头、药物释放 系统( d r u gd e l i v e r ys y s t e m ) 、微喷雾器( m i c r o d i f f u s e r ) 微喷嘴 ( m i c r o n o z z l e ) 、人造喷嘴( s y n t h e t i ci e t ) 等；( 3 ) 微夹持系统，例如微夹子、 微镊子和微爪等：( 4 ) 微光学系统，例如微镜、微扫描器、微快门和微开关等。 压电微执行器己成为一种理想的微位移驱动装置。日本是最早进行压电微 执行器技术研究的国家之一。其中d e n s o 公司研制的用于工业管道自动化检 测的微型机器人使用了压电元件作为执行器，这是世界上最早将压电微执行器 用于机器人上，并取得了很好的效果【1 ”。随后德国k a r l s m l e 大学用压电驱动器 作为驱动单元研制成功的定位机器人【15 1 ，可实现3 自由度的运动，其最大线性 速度为o 0 2m m i n ，旋转速度为1f m i n ，驱动电压为2 0 - , + 2 0v ，运动精度 为1 7 5n n 。最近美国加利福尼亚大学结合仿生学原理，研制了用于微飞行昆虫 的振翅压电微执行器，如图1 1 所示 1 6 】。该执行器为压电双晶片型，质量为1 5 m g ，驱动电压为2 0 0 v ，机械传动效率高达9 5 ，执行器的振动频率可达1 5 0 h z 。 图1 - i 振翅压电执行器 无线驱动方式是当前微执行器的一个研究热点。国外用稀土超磁致伸缩材 料已研制出声纳和超声换能器，以及精密定位、马达、泵、阀、燃料注入、主 动减振和制动等方面的执行器件，可用于有关海洋、地质、航空航天、运输、 加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。美国m 玎 研制了由电池驱动的微型机器人( 需要超微型、高容量的电池) ；日本东京大学 研制的微蚂蚁，可以在超声场中前进和转动。图1 2 是德国的e q u a n d t 等利 用超磁致伸缩薄膜作为驱动元件，设计的一种悬臂梁式磁致伸缩微阀门【l ”。 i)关一tb)开一 口， 向嘲 图1 2 悬臂梁式磁致伸缩微型阀 图1 - 3 为日本f u k u d a 等人制作的静电线性执行裂1 8 】，其中导电板长为7 0 i i n l ，宽为5 0 u r n ，凸起点高度为1 5 u r n ，脉冲电压为4 - 1 8 0 v ，频率为2 5 0 i - i z 。 绝缘体 图1 - 3 静电线性执行器 当前，美国、日本等国除利用形状记忆合金、压电和磁致伸缩等功能材料 研制微执行器来驱动控制机器人之外，还不断寻找、开发新型功能材料，以便 研制能够产生类似肌肉运动的致动器来驱动控制机器人。最近h r c h o i 等人采 用电场活化聚合物制作了对称驱动线性致动器( a n t i ，a ) ，它能够产生类似肌 肉的动作，图1 _ 4 是多个a n t l a 致动器应用在微型机器人中的情况u ，这种 微型机器人能够像蚯蚓一样运动。 图1 - 4 蚯蚓型微型机器人 2 ) 国内对功能材料驱动微执行器技术的研究 6 片 我国在功能材料方面的研究起步比较晚，导致相关微执行器技术发展相对 落后。但随着近年来国际学术交流活动的开展，我国的功能材料驱动微执行器 技术研究进步很快，在结合先进制造技术基础上，研制出各种性能优异的功能 材料，为微执行器技术的研究提供可靠的基本保证。目前我国研制的微执行器 的驱动材料也主要集中在形状记忆合金、压电、磁致伸缩及高分子凝胶材料等 几种功能材料上。 上海交通大学机器人研究所已研制出形状记忆合金( s m a ) 驱动的微型六足 机器人( 见图1 5 ) 1 2 0 1 ，实现了速度约为i m r r d s 的直线式静态行走 2 1 】。上海交 通大学信息存储研究中心对形状记忆合金驱动微执行器技术的研究比较深入， 他们利用具有大的相变回复应力t i n i 形状记忆合金薄膜和反偏置力s i 衬底膜的 复合膜作为驱动元件，研制了t i n i s i 复合膜微型泵，结构如图1 - 6 所示 2 2 j 。 对这种t i n i s i 驱动膜通以一定频率的交变电流，微执行器便可产生垂直的往 复运动，使流体不断地泵入再泵出，该泵最大流量达3 4 0u l m i n 。 图1 - 5s m a 六足步行机器人 口出口 四一 髫硎 图1 - 6t i n i s i 复合膜驱动的微泵 我国在压电材料及其微执行器技术方面的研究成果显著，其中一些研究成 果已经达到国际先进水平。已取得的研究成果主要有：中国科学院长春光学精 密机械研究所以压电叠堆作为驱动元件，研制了用于精密工作台上的压电陶瓷 微位移执行器；同济大学根据“尺蠖式”进给原理，研制了“双脚步推式”压 电执行器，利用该执行器研制了在大范围具有高分辨率、能连续平稳进给的微 型进给机构；上海交通大学研制了多种用于驱动管道机器人的压电执行器，如 弹性足式压电驱动器等t x 3 - x 4 1 。 超磁致伸缩微执行器的无缆驱动、响应速度快、响应频率和控制精度高等 7 特点，使其在超精密加工等领域具有广阔的应用前景。国内浙江大学利用超磁 致伸缩材料开发研制了活塞异型销孔的制造系统 2 5 1 。哈尔滨工业大学利用超磁 致伸缩棒研制的超磁致伸缩微位移执行器的位移分辨率达到0 5 n m ，位移范围 达到4 0u m 【2 6 】。中国科学院智能所的梅涛等研制了采用交变外磁场驱动的微型 游泳机器人，机器人长1 5 r a m ，宽1 0n l r n ，厚3l m ，微执行器由铁磁橡胶( f m p ) 材料制作只需反复提供脉冲磁场，机器人便可在水中前进，见图1 - 7 【z ”。 图1 7f m p 微型机器人 功能材料驱动微执行器以其功能密度大、响应速度快、效应频率和控制精 度高以及易于微型化、集成化及智能化的特点成为精密定位技术发展的关键。 以形状记忆合金、压电和磁致伸缩等功能材料驱动元件，根据其各自性能特点， 研制的具有不同性能的微泵、微阀、微谐振器、微电动机、微小机器人等装置 已在航天、航空、信息、电子、能源、交通及医疗卫生等领域得到应用。目前， 我国在对功能材料驱动微执行器优势领域深入研究的基础上，正不断加强国际 间合作与交流，探索和开拓功能材料驱动微执行器技术研究的新领域和新方向。 1 3 本课题的研究内容 本课题以电场活化聚合物为基本材料，对一维伸缩致动器进行设计并通过 实验进行验证，具体内容包括： 1 ) 一维伸缩致动器的结构方案确定； 2 ) 全套设计计算方法和公式的推导、建立； 3 ) 设计基本零件并制作实体原形； 4 ) 实体原型实验，获得电压一位移特性数据，并与设计预期目标作对比、 分析。 第二章电场活化聚合物( d e ) 致动器介绍 2 1 电场活化聚合物( d e ) 材料介绍 2 1 1 电场活化聚合物( d e ) 材料背景 电活化聚合物( e a p ) 作为一种智能材料，具有特殊的电性能和机械性能。 这种聚合物能够在外电场诱导下，通过材料内部构造改变产生伸缩、弯曲、束 紧或膨胀等多种形式的力学响应。e a p 富有弹性、重量轻、变形大，驱动效率 高、抗振动性能好，极像动物的肌肉。电活化聚合物( e a p ) 主要分为离子型 和电子型两大类，其中电场活化聚合物( d e ) 就是属于电子型e a p 。 美国斯坦福研究院( s i u ) 在与日本签署微型机器计划合同之后，从1 9 9 2 年开始研究人造肌肉，于是，s k i 研究人员开始寻找一种在力学、冲程( 线形 位移) 以及应变( 单位长度或单位面积的位移量) 等方面的性质与自然肌肉类 似的致动材料。在考察了大量有希望的活化技术后，s k i 的研究人员最终选择 了电活化聚合物，比较典型的如聚亚胺酯，在对比聚亚胺酯更柔软的软硅树脂 进行研究后发现其应变可以达到2 0 3 0 ，为了区别这种致动材料，软硅树脂 和其它较软的材料被命名为：电绝缘橡胶( d i e l e c t r i ce l a s t o m e r 。d e ) ( 也被称 为电场活化聚合物) 。 经过进一步研究，s k i 研究人员在1 9 9 9 年取得了两项突破性进展，这使得 电场活化聚合物可以被应用到现实的致动器设备中。这两项突破性进展之一就 是：通过爱迪生方法s k i 研究人员发现了一种神奇的聚合物一聚丙烯酸橡胶， 它可以提供极大的应变和能量输出，其线性应变可达3 8 0 之多田】。目前，国际 上主要针对美国3 m t m 公司生产、产品型号为v h b t m 4 9 1 0 4 9 0 5 的聚丙烯酸薄膜 做研究，而本项目主要以韩国h a n n a mh i t e c h 公司生产的聚丙烯酸脂绝缘薄膜 i - i n 1 11 0 为研究对象。 2 1 2 电场活化聚合物( d e ) 材料特性 作为新一代电活化聚合物( e a p ) 材料，电场活化聚合物( d e ) 能够对电 刺激表现出足够强的物理响应，具有应变量大、响应快、效率高等特点，可以 带动新型致动器以及创新的传感器和发电机。与传统的致动技术相比，电场活 化聚合物可能只表现为具有更高的性能或者更低的成本。然而，把电活化聚合 物仅仅看作是传统致动技术的直接替换是错误的。电场活化聚合物的独特特性 能够从根本上影响新型致动装置的发展。电场活化聚合物的引入将对机器人、 特别是微型机器人的设计开发产生革命性的影响，被认为是构造未来更具有柔 9 性的微驱动器的最具优势的材料之一。 电场活化聚合物( d e ) 富有柔性并且产生的应变和力比许多与之竞争的技 术要强，它在这些方面的属性与自然动物的肌肉类似。图2 1 比较了各种类型 的电活化材料和设备的性能，其中包括由电流以及静电场和电磁场驱动的已经 很成熟的致动产品m 】。图中，应变( s t r a i n ) 是指该设备对于每单位长度所能产 生的位移量，活化压力密度( a c t u a t i o np r e s s u r e d e n s i t y ) 用于度量这些设备所 产生的力。 图2 1 各种电活化材料和设备性能比较 在电场活化聚合物中，目前比较典型的是聚丙烯酸橡胶和硅树脂。与硅树 脂相比聚丙烯酸橡胶虽然需要更高的活化电压，但是它的最大应变和应力以及 弹性能密度值都比硅树脂要高，这使其更能满足某些致动器的特殊要求。表( 2 一1 ) 是这两种材料的性能对比。 表2 - 1 典型d e 材料性能对比 最大应变最大应力弹性能密度 最高效率 驱动器材料 响应速度 ( )( m p a ) ( j e r r l 3 )( ) 聚丙烯酸橡胶 3 8 07 2 3 46 0 - - 8 0 中等 硅树脂 6 33 o0 7 5 9 0 快 2 2 电场活化聚合物致动器的工作原理 电场活化聚合物能够表现出自然肌肉的某些特性，且被视为是制造应用于 仿生机器人中的人造肌肉的理想材料，实质上是因为它处在电场中时能在麦克 斯韦应力作用下使自身大幅度地形变的缘故。 1 0 处于电场中的电绝缘橡胶( 例如聚丙烯酸橡胶和硅树脂) 会沿电力线的方 向收缩，同时沿着垂直于电力线的方向膨胀，这种现象被物理学家称之为麦克 斯韦应力( 图2 2 ) 【2 9 1 。它是电场活化聚合物致动器的基本作用原理。 图2 - 2 麦克斯韦应力现象 电场活化聚合物致动器( d i e l e c t r i ce l a s t o m e r a c t u a t o r , d e a ) 其实就像是一 个电容器：中间层是d e 薄膜，上下两层是屈从电极，当上下电极通电后，d e 薄膜处于电场中并产生形变，与此同时，两极的电极也随电场活化聚合物薄膜 的改变一起变化，并保持其导电性，这样使薄膜始终处于电场中。薄膜在电场 中的响应主要是由于两个电极上的静电荷相互作用产生的应力导致的。简单地 讲就是异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥的静电学原理。 用这个简单的静力学模型可以得到由薄膜两极产生的沿电力线方向的( 压) 应力关于外界电压的函数，其沿电力线方向的( 压) 应力0 ：为 oz ：b e o f , 2 ：o ( v z ) 2 其中：e 为绝缘常数，。o 为真空介电常数( 8 8 5 1 0 1 2 f m ) ，e 为电场强 度，矿为施加电压，z 为电力线方向的材料厚度p 0 】。 值得注意的是电场活化聚合物也是一种压电材料，具有正逆压电效应特性： 在施加电场时产生伸缩变形，相反在施加压力时产生电压。因此，d e 材料既可 以作为致动器的基础材料，也可以作为传感器的基础材料。 当电场活化聚合物作为传感器时，将两面涂复有屈从电极的电场活化聚合 物视为电容器，其电容 c = e6o a z 因为a z - p = 常数，其中p 为聚合物体积，所以z - p a ，带入上式，则 c = e8o p 电容两端电压 v = q c = q p ( e 8o a 2 ) 其中q 为电容所带电量，可见：在q 、p 、e 、20 保持不变的情况下，如 果加载外力使a 减小，则v 升高，这意味着外力所做的功转化为电能。 同样是两面电极加上直流电压，在什么情况下聚合物成为致动器，什么情 况下又成为升压器呢? 这取决于所加电压产生的电场力大小：电场活化聚合物 具有弹性，因而具有固有的弹性恢复应力极限，当所加电压产生的电场力大于 其弹性恢复应力极限时，出现致动器效应：当所加电压产生的电场力小于其弹 性恢复应力极限时，则出现传感器( 升压器) 效应( 如图2 - 3 ) 。 电 场 电 g 应娈 图2 - 3电场活化聚合物的致动器效应和传感器效应 2 3 电场活化聚合物致动器及其应用 2 3 1 电场活化聚合物致动器一“人造肌肉” 由于电场活化聚合物致动器( d e a ) 能产生一种与自然肌肉相似的应力应 变动作，人们通常称这些致动器为“人造肌肉”。实际上，生物学家已经使用同 应用在自然肌肉上的类似的实验技术证明了电场活化聚合物能够再现自然肌肉 的某些性能。当然，由于这些人造肌肉不能再现自然肌肉所有方面的性能或特 性，研究人员必须谨慎使用“肌肉”这个词。人造肌肉这个词意味着d e a 十分 适用于仿生机器人。 电场活化聚合物薄膜的变形在许多方面可用于产生与肌肉类似的线性运 动。所以，薄膜和电极一起可以制作成管状，卷成卷筒形状，利用一个框架支 撑，或者叠加到一层具有柔韧性的基层材料上以产生弯曲。具体哪一种结构最 好取决于具体应用情况和薄膜的特性，几种线性致动器结构的示意图见图2 4 1 2 】。 a ) 领结型 b ) 复合延伸型 c 1 卷筒型d ) 推挽型 图2 4 几种线性致动器结构示意图 特别是图2 4 中所示的领结型( b o w t i e ) 和卷筒型( r o l l ) 致动器，这两者 的结构都被考虑到人造肌肉的设计中【3 1 4 4 】。领结型和卷筒型这两种不同结构的 致动器主要基于二维的制作过程。这两种致动器还可以作为基本结构单元并联 起来以增加输出力，或者串联起来以增大输出位移。从这个角度来看，单个致 动器也很像单根肌肉纤维的活性单元。图2 5 展示了被用于制造人造肌肉的三 种线性致动器p ”。 ( a ) 用多层聚丙烯酸薄膜制作的 双重领结型致动器 ( b ) 用硅树脂薄膜制作的 领结型致动器 ( c ) 用聚内烯酸薄膜制作的卷筒型致动器 图2 5 用于制造人造肌肉的三种线性致动器 2 3 2 电场活化聚合物致动器的