（电力电子与电力传动专业论文）电活性绝缘弹胶物驱动测量系统研制及驱动特性研究.pdf

d i e l e c t r i ce l a s t o m e ra c t u a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m a n da c t u a t o rd e v e l o p m e n t d a if e n g j i a a b s t r ac t e l e c t r o a c t i v ep o l y m e ri sak i n do fs m a r tm a t e r i a l s i tc a np r o d u c el a r g es t r a i n u n d e re l e c t r i cf i e l d i th a sg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sw h e r el i g h t ，m i c r o & s m a l l ，s o f t a n db i o m i m e t i ca c t u a t o r sa r en e e d e d a n df o r m sab a n d n e w m u l t i d i s c i p l i n a r y r e s e a r c hf i e l d d i e l e c t r i ce l a s t o m e ri so n em e m b e ro fe l e c t r o a c t i v ep o l y m e rf a m i l y , w h o s es u p e r i o rs y n t h e t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa t t r a c td o z e n so fr e s e a r c h e r s t h i sp a p e ri so nt h ea c t u a t i o no fa c r y l i cd i e l e c t r i ce l a s t o m e ra n db e g i n sw i t h i n t r o d u c i n gb a s i cp r i n c i p l eo fe l e c t r o - m e c h a n i c a lr e s p o n s e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n sa n dp r o m i n e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sw i t hl i t e r a t u r er e v i e w t h ep a p e r h a st h r e em a i nc o n t r i b u t i o n s f i r s t l y ，a ni n t e g r a t e dd r i v i n ga n di m a g em e a s u r e m e n t s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt os o l v et h er e s e a r c hd i f f i c u l t i e ss u c ha sh i g hv o l t a g e d r i v i n ga n dv i s c i d i t yo fa c r y l i cd i e l e c t r i ce l a s t o m e r t h i ss y s t e mh a sa d v a n t a g e ss u c h a sh i g hp r e c i s i o n ，g o o ds a f e t y ，h i g hr e l i a b i l i t y ，h i g he f f i c i e n c y ，e t c a l lf o l l o w i n g r e s e a r c ha n dt e s t i n g sa r ef i n i s h e do nt h es y s t e mw i t hs a t i s f y i n gr e s u l t s s e c o n d l y ，w e t e s t e dp l a n a r yc i r c l ea n dr e c t a n g l ea c r y l i cd i e l e c t r i ce l a s t o m e ra c t u a t i o nw i t hd a t a a n a l y s i s t h i r d l y , w ed e v e l o p e d 1ds p r i n gr o l la c t u a t o r so fa c r y l i cd i e l e c t r i c e l a s t o m e rw i t he l e c t r o - m e c h a n i c a la c t u a t i o nt e s t i n ga n dd a t aa n a l y s i s a d d i t i o n a l l y ， e x i s t i n gp r o b l e m sa n df u t u r er e s e a r c hw o r ka r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：e l e c t r o a c t i v e p o l y m e r ，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 ，i m a g e m e a s u r e m e n ts y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 旅 ；哥 斌舢 鼍 名月签、蛤 者 能降 文 稿 论 移 位期 学日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的 少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、 缩印或其他方法保存学位论文。保密的学位论文在解密后使用 本规定。 ，为 、上乒 斌妒 名月 签6 者 u j 倒洚 文 订 论 汤 位期 学日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术 学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式 公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经 导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全 部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法 律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日铲厶 名哆 第1 章绪论 第一章绪论 当代科技日新月异，新产品层出不穷。各种新兴材料的出现及应用， 在材料界引起了翻天覆地的变化，也改变着工程技术人员的科技思维。 而智能材料更是材料领域内的一朵奇葩，为众多工程提供了一种崭新的 技术解决手段。智能材料和结构虽然还是一个不成熟的领域，但由于承 载着人类的梦想，其应用研究与基础研究得到并行发展。本章介绍了几 种常见智能材料，着重介绍了电活性聚合物及其驱动应用特点和国际研 究进展，例如国际光学工程学会举办的两次由电活性聚合物驱动的机器 手臂腕力比赛，最后介绍了本文的研究重点一绝缘弹胶物，并把它与其 他常见驱动材料的综合性能进行了比较，提出了课题的研究内容，介绍 了的论文的结构及组成。 1 1 智能材料电活性聚合物 智能材料又可以称为机敏材料、敏感材料，智能材料的构想来源于 仿生，它的目标就是研制出具有类似于生物的各种器官或组织的“活 的材料。智能材料的概念由日本科学家高木俊宜教授在二十世纪九十年 代提出，但目前国际上对智能材料的具体定义尚未确定，较普遍被人所 接受的定义如下：智能材料一般是指以最佳条件响应外界环境变化，且 按这种变化显示自己功能的材料。它们可以感知外界环境某一或多个参 数的变化，并针对这种变化作出响应或反馈【1 1 。 智能材料需具备以下内涵： 具有传感功能，能够检测外界某一参数或多种参数变化或强度， l 第1 章绪论 如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等； 具有驱动、反馈功能，由外界参数的变化引起材料物理或化学性 能的变化； 反馈方式或强度可控； 反应灵敏、恰当； 重复程度好。 智能材料种类繁多，目前没有明确权威的分类，而且由于目前材料 的研究发展飞速，智能材料的种类不断增加，分类归档工作远远落后， 所以智能材料的分类只能是粗浅的，分类方法也有多种。一般若按功能 来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电( 磁) 致 伸缩材料、电活性聚合物等。若按来源来分，智能材料可以分为金属系 智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目前研究开发 的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无 机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料 等方面发展较快；高分子系智能材料的范围很广泛，高分子凝胶的研究 和开发非常活跃，其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能 型药物释放体系和智能高分子基复合材料等【2 1 。几种较常见的智能材料 如下： l 、压电材料 压电材料利用压电效应产生驱动或传感功能。对压电材料施加外力 时，会引起压电材料内部的正、负电荷发生移动，并产生极化，从而在 压电材料的表面形成与外力成比例的束缚电荷，这种效应称为正压电效 应。反之，如果在压电材料的两表面施加电压，压电材料内部的正、负 电荷就会在外加电场作用下产生相对位移，从而导致压电材料发生机械 变形，这种效应称为负压电效应。正、负压电效应统称为压电效应。压 2 第1 章绪论 电材料既可以作为智能材料和结构中的传感器，又可以作为驱动器( 致 动器) 。近年来，锆钛酸铅( p z t ) 、压电聚合物聚偏二乙烯( p v d f ) 等压 电陶瓷材料获得了较大发展，这两种材料形变量较传统压电材料大大增 加，韧性更好，大有取代传统压电材料的趋势。压电驱动器类产品包括： 微定位、超声马达和振动主动控制机构【引。 2 、形状记忆材料 形状记忆材料是指材料在外界温度变化的条件下可以改变自身形状 并具有可逆变化的一类材料。包括形状记忆合金( s m a ) 、镍钛合金( n i t i ) 和形状记忆聚合物( s m p ) 。虽然形状记忆合金形变输出较大，但它的响 应较慢( 几秒) ，不适用于实时控制，常用于驱动器或减振系统4 1 。 3 、超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料伸缩尺寸可随外加磁场成比例变化。此类材料在室 温下机械能一电能转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱 动方式简单，在国防、航空航天和高技术领域应用广泛，如声纳与水声 对抗换能器、线性马达、微位移驱动( 如飞机机翼和机器人的自动调控 系统) ，噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术( 医疗、 化工、制药、焊接等) 、燃油喷射系统等领域【5 1 【6 1 ，此材料也被应用于微 型泳动机器人的驱动器件设计中【 。但超磁致伸缩材料形变量小，如果 需要输出较大的位移，需要复杂、庞大的机械放大机构，使其在微小型 机器人领域难以应用。 4 、电活性聚合物 压电陶瓷和磁致伸缩材料都缺少肌肉的柔性，而且形变量小，在微 小型仿生机器人驱动领域是很大的缺憾。电活性聚合物的出现，为微型 机器人尤其是仿生及柔性机械电子系统领域注入了新的活力，它的多种 优点弥补了其他驱动材料在这一领域的不足。 3 第1 章绪论 电活性聚合物( e l e c t r o a c t i v ep o l y m e r ，简称e a p ) ，又被称为人造肌 肉，是一类能够在外电场诱导下产生形变，从而产生力学响应的材料。 电活性聚合物响应的形式有弯曲、收缩，从而可以实现驱动、紧固、传 感等功能。电活性聚合物的种类很多，根据驱动原理的不同，主要可以 分为离子型和电子型聚合物两大类【引。 离子类电活性聚合物包含离子，这些离子的存在和运动是产生驱动 的必要前提。由于要使离子发生移动，电离状态是必不可少的，这种状 态一般为液体状态，所以这类材料制成的驱动器也被称为湿型电活性聚 合物驱动器。特点是需要的驱动电压很低，通常在几十伏以下，但是它 需要保持湿润，不能保持直流电产生的位移。这类电驱动材料的一大特 点是可产生弯曲变形，但是当前大多数此类材料产生的力或者力矩都较 小，限制了作为驱动器的应用。这类材料主要包括：导电聚合物、离子 型聚合物金属复合材料( i p m c ) 、碳纳米管( c n t s ) 、凝胶体等。 电子类电活性聚合物中，方位动作是与电场相对应的，在外电场作 用下，一般是沿着垂直电场方向产生伸缩运动。此类材料包括绝缘弹胶 物、电致伸缩驰豫铁电体聚合物、电致伸缩接枝弹性体、液晶弹性体等 几类。绝缘弹胶物因其综合性能与动物肌肉相似，变形大，受到了广泛 关注，近几年发展很快，也是本论文的研究对象，本论文研制其驱动测 量装置，在此基础上研究驱动特性，最后研制一维驱动器件，为以后的 应用打下基础。 为了吸引更多的研究人员及工程师参与到电活性聚合物的研究领域 中来，二零零五年三月由国际光学工程学会( s p i e ) 在美国圣地亚哥举 办了人与电活性聚合物手臂之间的腕力比赛。有三个研究机构带着他们 的电活性聚合物驱动的机器手臂参加比赛，与当地的一名女中学生展开 了对决。三只参赛手臂及相应研究机构详细信息如下： 4 第1 章绪论 e n v i r o n m e n t a lr o b o t si n c ( e r i ) 是美国墨西哥州一家生产电活性聚 合物及相应产品的公司，他们选用公司的e w a 一2 手臂模型参赛，见图 1 1 。e w a 2 手臂总重3 k g ，手臂的主要成分为聚丙烯和缩醛树脂，由两 组人造肌肉驱动。m a t e r i a lst e s t i n ga n dr e s e a r c h ( e m p a ) 是瑞士一 家研究机构，主要研究材料的发展及工程技术在工业上的转化和应用， 他们本次参加比赛的机器手臂由四组涡状绝缘弹胶物驱动，动作类似于 人类的肌肉，其中两组做主要运动而另外两组做反向动作。手臂的整体 结构主要由交错的玻璃纤维和碳化纤维组成，利用由复合材料制成的结 构作为机器手臂的骨骼机构，见图卜2 。参赛的另外一只机器手臂由弗 吉尼亚工学院的学生制作。 图卜1e r i 参赛机器手臂e w a - 2图i - 2e m p a 参赛手臂实物图 参赛的三只机器手臂全部败给了那名17 岁的女学生，其中，相持时 间最长的是来自e r i 的机器手臂，持续时问为2 6 秒。这个结果已经相 当鼓舞人心，此次比赛的成功进行，是电活性聚合物驱动研究领域的一 座里程碑 9 1 。二零零六年三月第二届“由电活性聚合物驱动的机器手臂 的腕力比赛”在同一地点再次进行，这一次比赛主要目的是为了检测机 器手臂的各项性能，并对参赛的三只机器手臂的测量数据作出比较。通 过两次的比赛，电活性聚合物得到了越来越深入的研究，受到各界人士 的广泛关注 1o l 。为了推动电活性聚合物材料的研究和发展，使其动作和 s 第1 章绪论 行为更加接近人类手臂，s p i e 将在未来举办更多相类似的比赛，同时， 比赛对参赛的机器手臂也提出了更高的要求。 1 2 绝缘弹胶物 绝缘弹胶物( d i e l e t r i ce l a s t o m e r ，简称d e ，又称介电弹性体、绝 缘橡胶) 是电子类电活性聚合物材料中应用前景较为广阔的一种。在静 电场作用下，绝缘弹胶物的低刚度和高介电常数可以用作产生大的应变， 而且此材料在外加电场作用下将伸展，移去电场后恢复原状，此动作过 程酷似肌肉运动，只是肌肉是在用力时收缩，放松时伸展，只需把材料 结构做成和肌肉相反就可以达到肌肉的动作形式。绝缘弹胶物一般是指 丙烯酸聚合物和硅树脂，其中丙烯酸聚合物形变量大，并且机电耦合效 率高，缺点是驱动电压高。各研究机构中常用的丙烯酸聚合物为美国3 m 公司生产的v h b 4 9 10 ，这是一种带状的薄膜材料，透明、粘性很强、厚 度大约l m m ，也是本论文使用的材料之一，除此之外，本论文还用了另 外一种由韩国公司生产的丙烯酸聚合物一6 l0 0 c ，它的材料性能与参数 与v h b 4 9 l0 相似。目前用3 mv h b 4 9 10 制作的实验室原型产品较多。 用这类材料作为驱动装置可以构造成新型的微小型产品、机电系统或机 器人，在这些新型装置中，可直接应用材料本身的驱动而不需要诸如马 达、机轴、齿轮、传动杆等常规驱动及机械传动装置，大大减轻了系统 的重量，简化了系统结构，改变了传统的机器的概念，为未来异型机器 或系统提供了广阔的创新空间，尤其是该种材料柔软、综合性能及动作 特性与动物肌肉相似、重量轻、能耗低、价格便宜，因此人们看到了绝 缘弹胶物作为一种新型驱动传感材料在柔性机器人、微机械、医疗、仿 生机械、航天、军事等领域的应用潜力。 6 第1 章绪论 丙烯酸聚合物与其他驱动材料的主要性能参数见表1 1 1 1 1 ，由表可 见，丙烯酸类绝缘弹胶物的形变量最高可达3 8 0 ，综合性能是众多驱 动材料中与肌肉最接近的，是人造肌肉、仿生驱动、柔性驱动的较理想 材料，是制备智能结构的理想材料。 表1 - 1 常见智能材料驱动特性比较 7 第1 章绪论 1 3 课题来源和研究内容 论文作者作为主要研究骨干参加了广东省科技计划项目基于智能 材料的微机械系统、驱动及应用研究( 项目编号：2 0 0 4 8 1 0 2 0 1 0 3 6 ) 的 研究工作，主要研究丙烯酸类绝缘弹胶物的驱动特性、器件研制和应用 潜力。本论文是研究工作的总结和提升，主要工作包括三个方面：第一： 用于绝缘弹胶物驱动测量的图像测量系统的开发；第二：美国3 m 公司生 产的v h b 4 9 10 及韩国公司生产的6 1o o c 两种丙烯酸聚合物材料的平面型 驱动性能测试研究；第三：一维弹簧圆柱驱动器的研制及性能测试。本 论文详细介绍这三个方面的工作，内容安排如下： 第一章绪论介绍课题研究背景及论文主要工作； 第二章文献综述近几年国际上的研究进展及主要成果； 第三章集电源驱动于一体的在线图像测量系统开发一套能够用于绝 缘弹胶物类平面驱动器驱动特性测试的在线图像测量系统； 第四章绝缘弹胶物平面驱动实验及结果分析研究美国3 m 公司生产的 v h b 4 9 1 0 及韩国公司生产的6 1o o c 两种丙烯酸聚合物材料的驱动 特性，并对测量结果进行分析、比较； 第五章一维弹簧圆柱驱动器的研制及测试器件的制作方法、过程及测 试； 第六章工作总结及未来的工作 8 第2 章文献综述 第二章文献综述 本章是对绝缘弹胶物驱动及应用研究领域近期研究文献的综合介 绍，首先介绍了绝缘弹胶物工作原理及其应用的理论模型，然后介绍了 一些国际知名研究机构的研究现状和取得的成果。 2 1 绝缘弹胶物工作原理 绝缘弹胶物典型代表为丙烯酸聚合物和硅橡胶，该类材料工作原理 如下：在绝缘弹胶物薄膜上下两面覆盖上柔性电极，通电后，薄膜将发 生形变，其顺着电极所产生电场方向上的厚度将减小，而与电场垂直方 向上的面积将增大。这种响应主要是由加在聚合物上的电极之间在通电 后产生的电场力( 麦克斯韦力) 的作用下引起的，即两个电极上异种电 荷相互吸引，同一电极上同种电荷相互排斥，这两种作用力使中间的聚 合物产生了形变，见图2 1 。使甩简单的静电学模型，可以得出公式2 1 ： p = e o e e 2 = 磊e ( 给2 ( 2 - 1 ) 其中尸是加在薄膜上的应力，o 是真空的介电常数，昂是绝缘弹胶物的 相对介电常数，e 是作用在绝缘弹胶物上的电场强度，矿是加在绝缘弹 胶物上的电压，d 是两个电极之间的距离或绝缘弹胶物薄膜的厚度。【1 2 】【1 3 】 通电前( v o l t a g eo f f )通电后( v o l t a g eo n ) 图2 1绝缘弹胶物动作示意图 9 第2 章文献综述 既然绝缘弹胶物在电场力作用下会发生形变，而两电极及中间薄膜 整体可视为一个可变电容器，如能找到电容器的电容与面积之间的关 系，通过实时监测电容的变化，就可推出薄膜面积的变化。根据此设想 并应用静电学原理可得到公式2 2 ： c m f o $ r a d ( 2 2 ) 其中为绝缘弹胶物薄膜的相对介电常数，g o 为真空的介电常数，a 为 薄膜的面积，d 为薄膜的厚度。 一般情况下，a 和d 满足公式2 - 3 ： 正j 1 d ( 2 3 ) 绝缘弹胶物薄膜在形变过程中，体积变化很小，可以忽略【1 4 】，且假 定绝缘弹胶物各向同性，并且在形变过程中薄膜始终保持平整，则面积 和厚度的比值可重新表示为： aa d 4 吃 一= 一= 。一 d d 2 扩 其中a 。为薄膜初始面积，磊为薄膜初始厚度。 ( 2 4 ) 把公式( 2 - 4 ) 代入公式( 2 - 2 ) ，则电容又可表示为： c 墨遂 丧 ( 2 - 5 ) 由公式( 2 - 5 ) 可看出，电容与薄膜厚度的平方成反比。 假设了d o2 丢2 口 其中一。为薄膜初始长度，- 为形变后的薄膜长度。 公式( 2 - 5 ) 还可表示为： 1 0 ( 2 6 ) 第2 章文献综述 c _ e o e 4 - 4 4 ：华6 z ：驴 ( 2 - 7 ) 吃哝乞 ” 把( 2 - 5 ) 代入( 2 - i ) 中又可得到公式( 2 - 8 ) ： p = 4 4 ( 2 8 ) 由公式( 2 - 8 ) 可以看出，在电压和薄膜体积一定的情况下，应力 尸由电容c 决定，公式( 2 - 5 ) 又表示电容和位移的关系。公式( 2 1 ) 、 ( 2 5 ) 、( 2 8 ) 表明，绝缘弹胶物既可应用于传感系统，又可应用于驱 动系统，还可以把两种功能应用于同一系统中，既提供传感功能，又提 供驱动功能，在_ 些特定应用场合下大大简化了传感驱动控制结构【15 1 。 2 2 绝缘弹胶物应用研究现状 与其他驱动材料如压电陶瓷、磁致伸缩材料等不同，绝缘弹胶物柔 性好，并且能提供较大的形变。例如，丙烯酸聚合物在预拉伸条件下产 生的形变量超过3 0 0 ，同时有效弹性模量在2 - 5 m p a 之间，而p z t 产生的 形变只有0 1 ，弹性模量大概为6 5 g p a 8 1 。这种高柔性和大形变能力既 有优势，又有挑战。绝缘弹胶物驱动器件设计的挑战主要包括： 驱动器的几何结构，应有效荷载聚合物，不影响材料形变力方向 的变换与输出； 绝缘弹胶物高柔性和负载的阻抗匹配； 工作频率带宽限制。 美国斯坦福研究中心( s t a n d f o r dr e s e a r c hi n s t i t u t e s r i ) 和 喷气推进实验室( j e tp r o p u ls io nl a b o r a t o r y j p l ) 在电活性聚合物 和绝缘弹胶物的研究及应用开发方面属于领军机构。s r i 是最早进行绝 1 1 第2 章文献综述 缘弹胶物的驱动应用研究的科研机构，s r i 试图充分利用绝缘弹胶物驱 动器的更小、更直接、更轻、更便宜的特点，在某些微小产品上取代常 规的电动马达或其他的驱动装置，其初期的成果便是研制了二维弯曲辊 驱动的六腿机器人，该机器人外形大约1 8 c m x1 8 c m x1 8 c m ，重2 9 2 9 。j p l 在y o s e p h e nb a r c o h e n 博士领导下，建立了电活性聚合物研究的网站， 发行电活性聚合物研究刊物，在全球范围内组织协调、推进推广电活性 聚合物的研究与开发，介绍电活性聚合物研究的最新进展和相关的研究 机构、学术活动、工业界信息等等，试图建立一个国际化的电活性聚合 物研究交流平台，前面提到的两次机器手臂比赛均由其与s p i e 合作举 办，尤其是第一次比赛，为电活性聚合物的研究和应用奠定了基础。j p l 研究把电活性聚合物驱动的系统应用于军事和航天上，如小型侦察机 和外星探测。美国还出现了一个人造肌肉有限公司| ( a r t i f ic i a lm u s c l e ， i n c 一a m i ) ，致力于把基于电活性聚合物驱动的新产品商品化此外， 瑞士的联邦材料测试和研究实验室( f e d e r a ll a b o r a t o r i e sf o r m a t e r i a l st e s t i n ga n dr e s e a r c h ) ，日本的国家先进工业科学和技术 研究所( t h en a t i o n a li n s t i t u t eo fa d v a n c e di n d u s t r i a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a i s t ) ，丹麦聚合物研究中心( t h ed a n is hp o l y m e r c e n t r e ) ，意大利p is a 大学的跨学科研究中心( i n te r d e p a r t m e n t a l r e s e a r c hc e n t r e ) 和韩国s u n g k y u n k w a n 大学等多家科研机构也纷纷立 项进入电活性聚合物研究领域。国内方面，2 0 0 6 年8 6 3 项目指南把“大 变形电致活性聚合物( 电活性聚合物) 材料在类天然肌肉驱动器件中的 设计和应用技术 列为专项，但是目前为止国内大学、科研机构关于绝 缘弹胶物驱动、结构及应用研究的报道和文章极少。 近十年来，国际上绝缘弹胶物领域的研究发展很快，已经有了许多 实验室原型器件研制成功并逐步向市场化延伸，也有一些创新性的应用 1 第2 章文献综述 构想，主要成果归纳如下： 1 、线性驱动器 ( 1 ) s r i 是世界上最早进行e a p 研究的机构之一，已经用硅树脂 和丙烯酸聚合物开发出一系列驱动器实验室产品，见图2 2 。】 熊r 川 触m 图2 2s r i 研制的多种驱动器实验产品 其中蝶形驱动器由硅树脂制作，加上电极并经过多层层压后，可提 供较大形变力输出。s r i 研究人员通过组合两个蝶形驱动器，研制出与 电磁电机输出相似的马达，见图2 3 。这种马达的特点是重量大大减小 且无噪音，适合用于微小型的驱动场合。【1 6 】 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 霜露c o ；u u c t p c ；u 。t 罢w ，h n e ，e b l ”i 1 “。“。“ 第2 章文献综述 嘴唇的控制，见图2 5 。 图：2 - 4 机器人f l e x l ( 左) 及单腿驱动结构的驱动( 右) 藜懿i 。，篡奠。冀誊i 蒸_ “0 一虢并 ；爹- 汹? 譬? 。1 ：_ 二二： i 图2 - 5 嘴唇受控制的机器人脸实物图 ( 2 ) 将硅树脂制作成弹簧状，并加上电极，器件的长度将随着电压 的通断而变化。还可将硅树脂薄片加上电极后层压在一起，使这些薄片 在电气上并联，器件的长度将随着电压的通断而变化，这种驱动器可称 作层叠式驱动器，见图2 6 。意大利比萨大学工程学院交叉学科研究中 心的研究人员把这种驱动器用于机器眼球的控制中，见图2 7 。【1 8 】 图2 - 6硅树脂弹簧状驱动器( 左) ，硅树脂层叠式驱动器( 中) ，层压式驱动器( 右) 1 4 o o 。 第2 章文献综述 图2 7 眼球驱动示意图及机器眼球实物图 ( 3 ) 把丙烯酸聚合物薄膜拉伸后固定在一个矩形刚性框架上，薄膜 的中间加上绝缘薄片，在绝缘薄片的两侧分别加上电极后，形成两个独 立工作的驱动单元，分时通电两部分，可得到双向输出驱动器，见图 2 9 【19 1 。此结构也适用于数字式器件，状态过程见图2 - 8 ： 孵。g 0 了勿 0 ( d ) 图2 - 8图( a ) ，( b ) 表示通电一个单元，产生直线双向运动； 图( c ) ，( d ) 表f i q 两部分同时通电和不通电，薄膜紧绷和松弛 0 、精萝罗 一、|喾；一：。一一撼帮轴魏 第2 章文献综述 图2 - 9 薄膜驱动器图2 1 0 扬声器 2 、扬声器 在有一个开孔的框架之上拉伸丙烯酸聚合物薄膜。薄膜根据施加的 电信号迅速膨胀或收缩，形成振动发出声音，见图2 1 0 t 2 0 1 。这种装置可 以制成一种轻型、廉价的扬声器，其震荡媒介包括驱动器和发声面板【2 1 1 。 利用绝缘弹胶物薄膜的振动消音，还可以用于诸如飞机机舱、汽车车厢 等等公共交通工具的消音系统中，为乘客提供更为舒适的环境。美国军 方正在研制把绝缘弹胶物应用于直升机和潜艇、舰艇中，减小声音和震 动，达到更好的隐蔽性。 3 、多自由度驱动器 利用绝缘弹胶物薄膜与支架，可构成多自由度驱动器。图2 11 为 s r i 研究人员研制的多自由度驱动器【2 2 1 。 一 图2 1 l多自由度驱动器 1 6 羹 第2 章文献综述 4 、数字驱动器 理论及实验表明，绝缘弹胶物长时间工作在高压下，由于漏电流的 影响，容易导致电极硬化，最后薄膜破裂。要想延长器件的寿命，可用 数字式驱动方式，使器件工作在二态方式下，尽量减小消耗在器件上的 功率，以延长器件寿命。美国麻省理工学院机械工程系研究人员利用丙 烯酸聚合物薄膜和弹性支架，研制了多种二态驱动器及其组成的多自由 度机械，见图2 12 。该机构研究人员还设计了一种丙烯酸聚合物驱动的、 簿鲰 震誊繁熟 嚆i 每澎 驱动单元多自由度驱动结构l多自由度驱动结构2 多自由度驱动装置 钻石型驱动器通电前、通电后状态 图2 1 2多种二值驱动器 1 7 麓鬯蔫簟 鬯 第2 章文献综述 工作于数字方式下的弹跳机器人，有望应用于地质勘探、空间探索等地 形较复杂的领域，见图2 1 3 2 3 1 【2 4 】【2 5 1 。 图2 1 3 弹跳机器人 5 、传感器及传感驱动一体化应用 绝缘弹胶物薄膜在弯曲或拉伸时，张力的变化将引起电容的变化， 利用这种性质能制成张力或位移传感器，可应用这种传感器来测量座椅 安全带、光纤、皮带或衣料等织物或其他材质的张力。绝缘弹胶物材料 的传感和驱动特性还可应用于传感驱动一体化装置中，以简化装置结构。 美国人造肌肉有限公司开发出一种多功能驱动器，制作过程如下，把两 张相同丙烯酸聚合物薄膜以相同的预拉伸倍数拉伸后加上圆环形状的电 极，分别固定到一刚性无底圆柱的两个底面，把两张薄膜中心未覆盖电 极的圆层压在一起，并在上下两面以刚性绝缘薄片固定，使两张薄膜形 成一种推挽式驱动器结构，在一边的薄膜上施加电压，则绝缘薄片往另 一侧运动，要获得更大的输出，只需层压更多的薄膜驱动器，器件成品 见图2 14 。这个器件大小为9 5 * 9 5 8 c m ，重量小于2 9 ，可用于3 5 0 微米 移动镜头进行聚焦的调节器，精度能达到5 u m 。把水泵的活塞与器件中 间的绝缘薄片相连，控制两边薄膜电压的通断，可控制活塞的运动，从 而控制水泵的流量。薄膜的伸展或收缩会带来电极与薄膜一体的电容的 变化，这种性质可应用于传感技术，而两边薄膜电容的变化又能推出中 心薄片的位置，可用于集定位、传感及驱动于一体的设备【26 1 。此外，类 1 r 麓 第2 章文献综述 似结构的驱动器还可应用于扬声器和发电设备的设计，见图2 15 【2 2 1 。 图2 一1 4多功能驱动器模型及成品 j _ 一 图2 1 5扬声器 6 、智能表面、表面驱动器( 或厚度驱动器) 如果用电极图案在丙烯酸聚合物上留下烙印，可以按要求使表面变 换形状，如图2 1 6 【27 1 。但单张绝缘弹胶物薄膜能产生的厚度变化很小， 图2 1 6 智能表面通电前状态( 左) ，通电后状态( 右) 要得到满意的变化，需要多层绝缘弹胶物薄膜在机械结构上并联( 层叠) 而在电气结构上串联，而这又使制作难度加大，功耗增加。另一种方法 1 9 一，甓鬻飘i荔黪鬻一 。翟。囊鬻嚣攀黛菱 第2 章文献综述 是，把按所需产生的形状加上电极且拉伸后的绝缘弹胶物薄膜层压到刚 性框架或柔性泡沫上，通电后，能得到数十倍于单层绝缘弹胶物薄膜的 厚度变化，这时固定薄膜的装置充当机械放大装置，这种驱动器被称为 厚度模式驱动器。可把这类驱动器制作成阵列结构，由于其柔软及能大 面积覆盖的特点，顺序控制阵列中的驱动单元可产生振动波，可用于椅 面材料或汽车坐垫制作中，起到按摩作用，还可应用于护腕、护踝，应 用于鞋类，可增强平衡能力。医学上，结合厚度驱动器的振动波及材料 的膨胀特性，与孔状刚性结构相结合，可应用于芯片实验室的流体传送 和阀门控制中以及药物自动投放系统。把这类驱动器制作成点阵，可应 用于可更新盲文书籍的设计，比压电陶瓷制作的盲文书籍价格便宜、重 量轻。在压有空气的绝缘弹胶物薄膜上发生银镜反应，使薄膜表面成镜 面，此设备能根据要求，改变镜面反射特性【2 8 1 。 7 、微型泵 把绝缘弹胶物薄膜、一个流体室和两只单向止回阀组成一个小系统， 可以控制液体的流动，此结构可以给微流体泵提供动力，可应用于倍受 医学和工业界所珍视的芯片实验室中，还可用于人工血泵的设计中。 8 、发电机 在电场作用下绝缘弹胶物发生形变，产生驱动，那么反过来外界触 发产生的形变在绝缘弹胶物上也可以产生电场变化，可以充当柔性可变 电容器，用于制造出可变容量的发电机和蓄能装置。在鞋的脚后跟安装 上这种装置，可以把机械能转换为电能，军事上野外行军可以充当自给 发电设备，如给p d a 等小功率设备供电【2 9 1 。 9 、人造肌肉 s r i 实验室研究人员把硅树脂应用于软体动物机器人和飞行器的设 计，分别能模拟软体动物的爬行和蜻蜒的飞行，见图2 17 【3 0 1 。 2 0 第2 章文献综述 簇 图2 1 7 绝缘弹胶物软体机器人及绝缘弹胶物飞行器 韩国城均馆大学机械工程学院的研究人员将多层绝缘弹胶物( 硅树 脂k e 4 4 1 ，1 七4 9 0 5 要柔软) 的薄膜固定于圆形框架上，利用通断电薄膜 厚度的变化提供驱动力，研制了环节型机器爬虫，见图2 18 【3 1 1 。 豳鳓划 图2 - 1 8 驱动单元( 左) ，单节驱动阵列( 中) ，环节型机器爬虫( 右) 瑞士联邦材料测试与研究中心，利用传导聚合物和绝缘弹胶物，制 作出能弯曲的表面，见图2 19 ，有望应用于水下设备的推进系统中【3 2 1 。 图2 1 9 能弯曲的表面 2 l 下lll|一；l，i 第3 章集电源驱动于一体的在线图像测试系统 第三章集电源驱动于一体的在线图像测量系统 为了更好地研究及应用绝缘弹胶物，首先必须采集其电压一形变量特 性曲线，研究其机电响应特性。实验初期，采用了简单的手工离线测量 方法，就是用数码相机拍下绝缘弹胶物材料在一系列电压驱动下形变的 照片，然后在计算机上进行处理，通过小波变换提取轮廓，然后计算出 轮廓的几何信息，最后记录整理相应的参数和实验曲线，此方法所引入 的误差较大、容易出错，而且实验效率低、实时性差，测量采样点有限， 电源调整困难，需要的人手多，因此迫切需要实时、高效率、高精度的 图像测量系统。本章首先分析了集电源驱动于一体的在线图像测量系统 所应具有的功能及实现的技术，然后介绍了图像测量系统硬件和软件设 计，最后介绍了系统界面及使用方法。 3 1 系统需求分析 3 1 1 系统功能需求 丙烯酸类绝缘弹胶物驱动电压高( 3 0 0 0 v 以上) ，而且此材料粘性较 强，因此手工测试困难、精度低且危险。考虑到测量对象( 电极区即形 变区) 颜色深( 电极为黑色) ，而绝缘弹胶物材料是透明的，只需要简单 的光照条件和背景布置( 白) 即可突出两者间对比度，运用数字图象处 理技术，能计算出所需几何量。此外，丙烯酸聚合物工作于高压下，需 要专门的高压电源，而测试材料的电压一形变量曲线要求电源必须可控。 但计算机却无专门的控制输出口，无法直接控制高压电源输出，同时， 第3 章集电源驱动于一体的在线图像测试系统 考虑到系统功能扩展，因此需要设计一个专门的控制模块与其相连，接 收计算机命令，控制电源输出，也就是说，最好把高压电源的驱动也结 合进图像测量系统中，形成一个绝缘弹胶物驱动、测量一体的试验设备， 进行后续的研究。通过系统功能需求分析得出，所需驱动测量系统必须 具备如下功能： 实时的图像采集与处理； 可控高压电源； 控制模块； 测试完成后实验参数及测试结果处理。 在对市场作过一系列调研后发现，基于图像的测量系统非常昂贵， 在4 万一4 0 万元之间不等。此外，市场上的图像测量系统只是测量，不 适合与电源控制部分的集成，而我们所需要的系统要和电源控制集成在 一起，才能达到在线测量的要求，且系统的完成对以后器件开发也会有 积极的作用。鉴于系统定制性较强，因此决定应用数字图像处理技术及 相应的硬件设备，自主开发一套适合于绝缘弹胶物驱动性能测试的、集 图像处理和电源驱动功能于一身的在线自动测试系统。考虑到与计算机 通信、电源控制、功能扩展以及仪器化的程序界面，决定采用l a b v i e w 图形编程语言编制图像测试系统。 3 1 2 技术需求 1 、l a b v i e w 软件编程环境介绍 l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简称，由美国国家仪器公司( n a t io n a li n s t r u m e n t ，n i ) 开发，是目 前世界上应用最广、发展最快、功能最强、最受测试人员欢迎的图形化 2 3 第3 章集电源驱动于一体的在线图像测试系统 虚拟仪器软件开发平台之一。所谓虚拟仪器，就是在一定硬件的基础上， 用户在通用计算机平台上，根据自身需求定义和设计仪器的测试功能， 设计友好的操作界面。换句话说，虚拟仪器就是软件，而软件编程环境 是其功能实现的关键。l a b v i e w 软件开发平台的主要特点如下： ( 1 ) l a b v l e w 软件开发平台采用图形化编程语言一g 语言，编制的程 序以框图形式呈现，把复杂、烦琐的语言编程形式简化为用菜单或图标 形式选择功能，直接输入各种参数，用线连接各种功能的简单图形编程 方式，易学易用，无需记忆大量的文本程序代码。 ( 2 ) l a b v i e w 与c 或c + + 等计算机高级语言一样是一种通用编程系统， 具有各种各样、功能强大的函数库。 ( 3 ) l a b v l e w 拥有完善的仿真、调试功能，如设置断点，单步执行 等。 ( 4 ) 传统编程语言，程序的执行是按语句的先后顺序进行的，除非 有跳转语句，而l a b v l e w 具有并行机制，宏观上说，同一级结点是并行执 行的，微观上，同一级节点执行的先后顺序是随机的。 ( 5 ) l a b v i e w 执行的是数据流控制模式，即每个结点的执行，只有 当它的输入全部有效，此结点的输出才有效，所以应用l a b v i e w 的动态连 续跟踪方式，可以动态观察程序中数据的流向及变化情况，结合丰富的 错误提示信息，能轻易找出错误的原因，方便调试、纠错。 此外，l a b v l e w 的编译效率高，适合用于需要高速处理的环境中。总 之，l a b v l e w 是一种适合硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员 学习及使用的图形化编程语言，目前已被广泛应用于包括工业自动化、 生产过程监控、生物医学、半导体、航空航天、汽车、电路设计和生产 等领域中【3 3 1 【3 4 】【35 1 。 i m a qv is i o nf o rl a b v i e w 是n i 公司推出的专门针对机器视觉测控 2 4 第3 章集电源驱动于一体的在线图像测试系统 系统设计的一个软件包，它包含了丰富的数字图像处理功能模块，能实 现常见的数字图像处理技术，可用来完成灰度、彩色以及二值图像的显 示、处理( 统计、滤波和几何变换) 、形状匹配、斑点分析、计算和测量 等。i m a qv is i o nf o rl a b v i e w 易于学习，提供了上百种处理函数，使用 简单、方便。开发人员所需要做的就是根据需要，设置好结点的参数， 便能实现所需的功能，能大大缩短数字图像处理系统的开发周期，而且 i g a qv i s i o nf o rl a b v i e w 与l a b v i e w 联系紧密，可结合l a b v i e w 的功能模 块构建功能强大的基于图形图像的测控系统，而与计算机处理器联系紧 密的特点，使其在图像处理应用中，能达到较高的处理速度。 2 、图像处理技术 数字图像是由有限的元素组成的，通常这些元素组成一个数组，数 组中的每一个元素代表目标图像中一个特定的位置和幅值，这些元素称 为图像元素或像素。 数字图像处理是指借用数字计算机处理数字图像。数字图像处理的 优点是处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，由软件 决定系统功能。数字图像处理技术融合了计算机技术、数理基础理论、 图形学等多个领域的知识，是一个多学科交叉的领域。数字图像处理技 术主要包括以下几个方面： ( 1 ) 图像增强和复原图像增强是指对图像进行一系列处理，使图 像中对研究有用的特征突出。图像增强可分为空间域图像增强和频率域 图像增强。图像复原要求对图像质量下降的原因有一定的了解，然后运 用滤波、补偿等方法，恢复或重建原来的图像。 ( 2 ) 图像编码压缩技术编码是为了便于图像