IPMC多单元致动器的性能优化和控制研究

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IPMC(IonicPolymer Metal Composite)作为一种离子型电致动聚合物(EAP)智能材料,具有驱动电压小、应变大、质量轻、柔韧性好和功耗低等优点,因此,在仿生制造等领域,凸显其重要的应用价值。当前,有关于IPMC作为驱动器方面的研究,主要集中于将单片IPMC直接作为驱动部件,这种方式表现出其输出力小、运动形式单一等缺陷,在一定程度上限制其在工程实践中的发展。针对上述问题,本文提出了一种新型的IPMC多单元致动器结构,对其控制系统进行了研制,并将其应用在仿生鱼尾中。  首先,分析了IPMC的制备原理及工艺流程,从三个方面优化并改进其工艺流程。通过改变其浸泡在银氨溶液的温度,从而缩短了制备工艺周期;对实验药品进行定量分析,规范实验药品用量,降低了成本;优化了电极层制备工艺,增强了电极的导电性能,从而改善了IPMC致动性能。  其次,在IPMC工艺流程改进的基础上,优化并研究了IPMC多单元致动器。通过实验分析,确定了单片IPMC最佳输出性能的尺寸结构;采用单片对称布置的方式,构造了IPMC单元结构,并对其电极块内层尺寸进行优化;对串、并联两种形式的IPMC多单元致动器结构的进行了性能测试与分析,确定了IPMC多单元致动器的组合形式;最后,测试不同电信号下IPMC多单元致动器的驱动性能。  然后,研制了IPMC多单元致动器的控制系统,其主要模块包括信号发生模块、数模转换模块、电源模块和按键模块等。通过控制系统中硬件和软件的协调配合,能够输出﹣5~﹢5V范围内交流电信号,其频率范围可在0.1~5Hz间调节,并通过对波形代码的编程,能够实现方波和正弦波信号的输出,满足了IPMC多单元致动器的驱动要求。  最后,研究并制造了以IPMC多单元致动器为动力的仿生鱼尾样机。基于对生物鱼尾的运动特性分析,设计了仿生鱼尾结构模型,建立了仿生鱼尾的运动模型;采用3D打印加工制造了仿生鱼尾部件,装配了仿生鱼尾样机,实验研究了其性能输出规律。
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