基于Levy辨识法的IPMC等效电路迟滞建模与验证

离子聚合物-金属复合材料(ionic polymer-metal composite, IPMC)是一种新型柔性智能材料,但其致动机理尚不明确,位移跟踪困难。针对IPMC悬臂梁器件在低频交流驱动电压下具有明显的迟滞非线性、建模困难的特点,测试了IPMC悬臂梁在低频交流电压下的致动特性,分析了IPMC在0.1~10 Hz、2~5.5 V的增益与相位,并使用Levy辨识法建立了驱动电压到致动位移的三阶传递函数模型。基于已建立的传递函数模型,提出了IPMC的非线性等效电路与一阶传递函数的分段建模方法,改进了IPMC的等效电路模型无法预测致动位移的缺点。通过实验对比,结果表明,在IPMC悬臂梁器件在0.1~5 Hz、2~5.5 V的低频正弦驱动电压下,可使用等效电路加一阶传递函数代替IPMC复杂的动力学过程,整体误差低于0.3 mm,平均相对误差2.89%,满足应用条件。可以用作IPMC的低频交流用途,提高了IPMC位移跟踪精度。

基于PEDOT:PSS电极的柔性透明IPMC材料研究

透明柔性功能材料对于现代机械电子器件的发展至关重要。本工作通过结合溶液浇铸法和滚涂法探索了Nafion/IL基体膜、PEDOT:PSS电极的透明IPMC材料制备工艺,研究了其力电特性及电致动性能规律,并针对主要的制备工艺参数进行了正交优化,对Nafion/IL基体膜厚度、每侧PEDOT:PSS电极滚涂量、浸泡在IL中的热压时间以及糙化程度的影响水平进行了深入分析。根据正交优化参数制备的透明IPMC具有良好的光学透明性、电化学特性以及力学特性。本工作制备的透明IPMC在5 V电压作用下最大尖端位移峰-峰值可达11.824 mm,且具有高频响应特性,有效响应频率高达100 Hz。本工作对丰富IPMC制备工艺方法、推动IPMC材料在透明柔性电子器件领域的应用具有重要意义。

电泳沉积法在IPMC电极制备中的应用研究

化学镀是制备IPMC(Ionic polymer-metal composites,离子聚合物金属复合材料)电极的常用方法.传统化学镀银方法制备Ag-IPMC(传统化学镀方法)的周期约为32 h,时间较长.为此,本文采用电泳沉积法将多壁碳纳米管(MCNT)沉积在Nafion基膜表面作为IPMC电极,以缩短电极制备周期.由于MCNT与Nafion基膜之间的结合力较小,所以首先进行一次化学镀得到Ag-IPMC(1次化学镀),然后再利用电泳沉积法得到MCNT-Ag复合电极IPMC.同时研究了电泳电压和电泳沉积时间对IPMC电致动性能的影响.电泳沉积法不仅制备周期为传统化学镀方法的一半,并且制备的IPMC电致动性能也明显优于传统化学镀法.电泳沉积法是一种非常有应用前景的IPMC电极制备方法.

IPMC人工肌肉的特性及其应用

介绍了IPMC人工肌肉致动器的制备、致动特性和应用 。

基于离子聚合物金属复合结构(IPMC)的柔性致动器研究

介绍了基于离子聚合物金属复合结构(IPMC)的柔性致动器的制备方法和关键技术,分析了致动机理。针对所构造的致动器样本,初步研究了其机电特性。研究结果表明,该制动器具有结构简单、驱动电压低、相对变形量大、重量轻等优点,在泳动仿生微机器人推进和生物医学应用方面具有较大的潜力。

人工肌肉IPMC电致动响应特性及其模型

采用自行设计的悬臂梁装置对人工肌肉IPMC的电致动响应特性进行测试,研究在直流电压作用下悬臂梁位移与电压的关系及在方波电压作用下位移与电压频率的关系,建立IPMC材料的力学模型;提出IPMC材料悬臂梁电致动挠曲线方程的大变形解法,导出作用于IPMC悬臂梁上的等效弯矩与电压、频率的函数。测试结果表明,在电压为5V时位移达到最大值11.1mm;当电压的频率大于30mHz时,随着频率的增加,悬臂梁的位移逐渐减小,且在30～100mHz时下降迅速。模型计算结果与测试结果最大相对误差在10%以内,证实了模型的准确性。

基于滑模变结构的IPMC跟踪控制系统设计

为了使IPMC人工肌肉在仿生机器人中得到更好的应用,其期望的位置必须能够精确地控制.针对IPMC表现出的强非线性以及模型不确定性,首先采用滑模变结构对其进行控制,实现了在不确定因素下的系统鲁棒稳定,然后采用PI外环控制器对其进行跟踪,最后将神经网络应用到PI外环跟踪控制器的设计中.仿真结果表明,该系统不仅能够实现含有不确定性的IPMC人工肌肉精确位置跟踪,而且能在模型不确定性以及外部因素干扰下依旧保持稳定,鲁棒性能好.

IPMC的力输出特性

IPMC(ion-exchange polymer metal com-posite)离子交换聚合物-金属复合材料)是一种人工肌肉材料,其较低的驱动电压能产生较大的位移变形,研究了IPMC这种智能材料的输出力特性。实验选取了不同电压幅值,不同频率的方波、三角波、正弦波3种波形作为电激励信号,通过力传感器实测了IPMC试样末端的输出力。结果表明,随着电压幅值的增大,其输出力也增大;随着电刺激信号频率的降低,其输出力也增大;而波形对其输出力影响不显著。

基于IPMC驱动器的小型遥控机器鱼的研制

IPMC智能材料具有驱动电压低、响应形变高的特性.利用这种智能材料为驱动器,设计了一种小型遥控机器鱼.该机器鱼可以由红外电视遥控器遥控,通过改变加在IPMC材料上的驱动电压的幅值和频率来控制机器鱼的游动方向和游动速度.在实验过程中,分别比较了在正弦波激励和方波激励下机器鱼的游动速度的差异,同时验证了驱动信号的幅值与频率对机器鱼游动速度的影响.通过实验有效地证明了IPMC材料作为驱动器的可行性.

IPMC型柔顺手爪作动器的设计与性能测试

为克服传统手爪机构传动链多,耗能大,结构复杂等缺点,设计并制作了一种应用电致动智能材料(IPMC)的柔顺手爪。运用Pro/E软件设计IPMC手爪的主体结构,并分析其运动过程,最终装配完成IPMC手爪;运用激光位移传感器,精密电子秤和Canon相机测试了研制的4片IPMC驱动薄膜的末端位移,端部力和平均运动速度,并通过Labview测试系统对其进行采样和分析。实验结果表明:IPMC手爪驱动元件的角位移在3V电压激励下超过了180°(-3V电压下负向位移与+3V电压下正向位移之和);其末端位移大小为其自身(除固定部分外)总长;手爪驱动薄膜每片重量约为0.5mg,可抓握质量为1.6g左右的物体。该手爪结构简单、位移大、耗能低;同时,由于IPMC的柔顺特性,在抓取物体时它会贴附在其表面,而不破坏其表面精度。因此,这种手爪适用于抓取表面粗糙度要求高的物体。

表面粗化工艺对IPMC的制备及性能的影响

基于二次渗透还原法对IPMC材料的制备进行研究。探索3种不同的基膜表面粗化方法对IPMC材料特性的影响。表面粗化方法包括手工打磨、砂光机打磨以及等离子体表面处理方法。通过样件实测对3种不同粗化条件下获得的IPMC材料的外观特征、微观形貌、驱动变形特性以及表面电阻特性进行了测试和比较。实验结果表明,随着表面粗化均匀程度的提高,基膜表面及内部金属沉积均匀与致密性增高,材料的驱动变形能力降低。在一定的驱动电压范围内,IPMC材料的变形与电压近似成线形增加的关系。在相同的尺寸、约束以及驱动电压(3V)条件下,手工打磨的样件能够产生60°的弯曲变形,砂光机打磨样件为45°,而等离子体处理的样件只有15°。

一种离子交换树脂金属复合材料（IPMC）的力学参数测定

对一种新型的人工肌肉材料——离子交换树脂金属复合材料（IPMC）的力学性能参数进行了测试研究。进行了精密拉伸实验,测定了其弹性模量E和泊松比υ,确定了其本构关系,证实了其具有各向同性特性。测试研究为开展IPMC人工肌肉和其应用研究提供了参考数据。

基于IPMC驱动的自主微型机器鱼

本文从微小型鱼类的运动和受力分析入手,基于人工肌肉IPMC(离子聚合物金属复合材料)的特性,进行微型机器鱼的结构和控制系统的设计.在此基础上实现仿小型鱼类的各种运动模式,然后,讨论了IPMC驱动器推进效率的优化.实验结果证明,基于IPMC的厘米级机器鱼是可行的:通过改变控制信号的频率和占空比,实现微型机器鱼的速度控制;通过控制胸鳍和尾鳍,实现上浮、下潜、转弯、巡游等运动模式.最后从尾鳍推进器的结构角度分析了如何提高推进效率.

IPMC人工肌肉的制备工艺研究

为了降低成本并改善材料性能,采用导电性良好的Ag作为IPMC人工肌肉两侧金属电极,利用还原法制备IPMC,并设计了测试IPMC人工肌肉性能的平台,对样件使用寿命进行测试。结果表明,改良后的制备工艺,使制备周期缩短了30%,IPMC样件制备质量均能达到使用要求;未经表面保水处理的IPMC在空气中的动作次数为60次左右,而经过表面保水处理的IPMC在空气中的动作次数可以提高到90次,对IPMC表面经过保水处理可以使其使用寿命提高50%左右。

Ag型IPMC柔性驱动器的制备及性能

为了降低成本并改善材料性能,采用银替代铂制备IPMC电极。基于渗透还原工艺采用化学沉积方法制备了Pt基、Pt-Ag基和Ag基三种IPMC柔性驱动器试件。对试件的SEM和XRD分析结果表明本文提供的方法可以有效地将电极金属沉积在基膜中,且呈梯度分布;对样件的致动效果以及表面电阻特性测试结果表明Ag基IPMC驱动器具有最好的致动变形能力和最低的表面电阻。在相同尺寸与约束条件下,Ag基IPMC在1.5V时产生90°变形,Pt型与Pt-Ag型IPMC分别在3V和4V驱动电压下产生60°变形。

基于悬臂共振法的IPMC杨氏模量的动力学测定方法

针对目前IPMC智能材料杨氏模量的测定存在方法单一、破坏材料本身等问题,提出了一种基于悬臂共振法的动力学测定方法.该方法通过激励装置使IPMC发生有阻尼自由衰减振动,采用激光位移传感技术记录其振动历程,然后对采集到的信号进行分析处理,从而得到其基频,最后采用悬臂共振法建立IPMC的横向振动方程,引入边界条件即可计算出其杨氏模量.这种方法与目前存在的拉伸法和弯曲法相比,具有测试方便简单、对材料本身不产生破坏、测定结果精度高等优点.

IPMC的制备研究

研究了IPMC的制备过程.制备主要分为前期预处理、主化学镀反应和次化学镀反应.在进行一次主化学镀反应之后,对比了不同次数的次化学镀反应所制备的样品的性能.设计了用于驱动IPMC的信号发生器,建立了基于PC机和数据采集卡的测试平台.对制备出来的样品进行了致动特性的测试,测试了激励信号的频率、幅值、以及镀膜厚度对致动特性的影响,为人工肌肉的控制设计提供了依据.实验结果表明:镀膜的电阻和激励信号的频率越小,摆动幅度越大;激励信号的幅值越大,摆动幅度越大;镀层厚度增大有利于电阻的降低,但是由于表面硬度的增加,镀膜并不能太厚;镀膜的打磨导致了电极的不均匀,增大了电阻,降低了材料活性.

模型参数对IPMC变形性能影响分析

基于电场-化学场-机械场耦合作用机理,采用数值模拟方法,建立了RC模拟电路,分析了IPMC在外加电压场作用下模拟参数对电流和电流积分的影响;采用标准三参数模型模拟Nafion膜线黏弹性力学行为,得到了随时间衰减的杨氏模量表达式。分析结果表明:膜内电流积分是一个决定性因素,它直接控制着膜内钠离子的迁移运动;电容增大时,膜内电流积分增大,从而加速了膜内钠离子的迁移运动,同时宏观位移也随之增大;电阻增大时,膜内电流积分与宏观位移均随之减小。引入静电应力作为初始应力,对悬臂梁挠曲变形进行了细观分析,结果表明其最大挠曲变形的旋转角可达到24°。

基于NSGA-Ⅱ的IPMC机器鱼动态多目标相容优化控制

实际控制问题中往往有多个控制目标需要兼顾,且多个目标通常情况下是冲突的。根据相邻控制步之间系统状态和控制输入的连续性,提出了一个基于NSGA-II的动态迭代多目标相容优化控制算法,并且这一算法有能力处理目标空间为非凸的控制问题和提高在线优化速度。考虑到IPMC驱动机器鱼在运行过程中能耗和速度两个关键且冲突的目标,建立IMPC驱动机器鱼的运动及能耗模型,将所提算法进行了应用。仿真结果表明了控制算法的有效性及其在慢复杂系统动态控制中的应用潜力。

铂型IPMC的含水特性及静态拉力测试

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种典型的电活性聚合物。以Nafion117离子交换膜为基体,用化学沉积方法制备利用金属铂(Pt)作为电极的IPMC材料(Pt-IPMC),并利用扫描电镜对Pt-IPMC样件的微观形貌进行观察。结果表明,Pt-IPMC的电极具有良好的沉积效果,样件的电极层厚达20μm;在3 V直流电压的驱动下,电致动位移达到90°。实验对基膜和样件含水率进行了测试,并搭建IPMC力学测试平台,对IPMC静态输出拉力进行测试。测试结果表明:在0～5.5 V直流电压范围内,样件的输出拉力与直流驱动电压近似呈线性关系,最大拉力可达到159.05 mN;当电压超过5.5 V时,输出拉力发生跃变。