【摘要】：傳統(tǒng)概念的機(jī)器人通常由電機(jī)、鉸鏈、齒輪等硬質(zhì)構(gòu)件組成,動(dòng)力足、精度高,但也難以避免笨重、大噪聲、低安全系數(shù)、低能量效率等缺點(diǎn)。以自然界中軟體生物為仿生原型,軟體機(jī)器人的軀體由能夠產(chǎn)生大變形的彈性材料構(gòu)成,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形。與傳統(tǒng)概念的硬質(zhì)機(jī)器人相比,軟體機(jī)器人可以根據(jù)復(fù)雜環(huán)境中的任務(wù)需求容易改變自身的構(gòu)型和尺寸,環(huán)境適應(yīng)性和安全性更高,但同時(shí)也存在動(dòng)力不足,穩(wěn)定性差,建模和控制困難等難題。介電高彈聚合物作為一種典型的智能材料,具有高能量密度、大形變、快響應(yīng)的優(yōu)勢(shì),在軟體機(jī)器人、服務(wù)型機(jī)器人、柔性傳感、航空航天等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。本學(xué)位論文重點(diǎn)研究介電高彈聚合物的力電耦合行為調(diào)控及其在高性能軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用,主要內(nèi)容包括:(1)基于介電高彈聚合物的力電耦合本構(gòu)關(guān)系,研究了充電速率對(duì)介電高彈聚合物力電耦合行為的調(diào)控,通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究了不同充電電流加載條件下薄膜的定速率拉伸特性;進(jìn)一步從平行板電容器及介電高彈聚合物理論出發(fā)闡述了該問(wèn)題的物理機(jī)制,建立了無(wú)量綱化的力電模型,并對(duì)其物理過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)薄膜驅(qū)動(dòng)器所需的充電電流超過(guò)外電路所能提供的充電電流時(shí),薄膜兩端的電壓下降,力-位移曲線上升;在無(wú)量綱化模型中,最大充電電流越小,或初始加載電壓越高,薄膜驅(qū)動(dòng)器越早出現(xiàn)限電流現(xiàn)象,該研究為進(jìn)一步通過(guò)充電速率控制薄膜力電失穩(wěn)和電擊穿等打下良好基礎(chǔ)。(2)提出一種介電高彈聚合物驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制備方法,開(kāi)發(fā)出一款高性能仿生軟體機(jī)器魚,并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究;該軟體機(jī)器魚以蝠鲼為仿生原型,實(shí)現(xiàn)了 13.5 cm/s(1.5倍身長(zhǎng)每秒,BL/s,下同)的帶纜游動(dòng)速度和6.4cm/s(0.69 BL/s)的自主游動(dòng)速度;此外,該軟體機(jī)器魚具有很好的環(huán)境適應(yīng)性,能夠在0～73.4℃的水溫中游動(dòng),并有很高的透明性及隱身性;基于電驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器魚的制備方法,開(kāi)發(fā)出一款仿生水母機(jī)器人,并實(shí)現(xiàn)了自主游動(dòng)。(3)提出了一種耐高靜水壓力軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)制作方法,通過(guò)將能夠產(chǎn)生大變形的彈性材料和器件無(wú)縫、無(wú)空腔融合,以及壓力補(bǔ)償?shù)姆绞?實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人對(duì)極端靜水壓力的自適應(yīng)性;進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器魚在110 MPa極端靜水壓條件下的連續(xù)穩(wěn)定游動(dòng)。(4)研究了電驅(qū)動(dòng)軟體水下機(jī)器人的平衡控制問(wèn)題,通過(guò)閉環(huán)PID控制,實(shí)現(xiàn)了一種介電高彈聚合物薄膜充氣結(jié)構(gòu)在水下的浮力調(diào)節(jié)和深度控制;通過(guò)將該薄膜充氣結(jié)構(gòu)與分布式驅(qū)動(dòng)模塊相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)軟體水下機(jī)器人的姿態(tài)控制。以上研究結(jié)果表明:(a)基于介電高彈聚合物的力電耦合本構(gòu)關(guān)系,可以發(fā)展基于充電速率的力電耦合調(diào)控方法;(b)介電高彈聚合物大電致變形、快響應(yīng)速度、高能量密度的優(yōu)勢(shì)使其在高性能軟體機(jī)器人領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,將液態(tài)膠體在電驅(qū)動(dòng)人工肌肉上澆筑成型實(shí)現(xiàn)粘合,可以發(fā)展一系列電驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人的制備方法;(c)通過(guò)彈性材料的壓力自適應(yīng)和壓力補(bǔ)償機(jī)制,可以實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人在極端靜水壓條件下的應(yīng)用;(d)可以通過(guò)閉環(huán)PID控制實(shí)現(xiàn)介電高彈聚合物驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平衡及姿態(tài)控制;相關(guān)的研究方法可進(jìn)一步推廣至其他智能材料和結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用中。
【圖文】：

形狀記憶合金機(jī)器人｜９１，Ｇｏｒｇｅ．Ｍ．邋Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ研究組（哈佛大學(xué)）研發(fā)的一系列逡逑氣動(dòng)軟體機(jī)器人｜４」Ｍ３１，日本早稻田大學(xué)研發(fā)的自震蕩響應(yīng)凝膠仿生尺蠖【１４１和浙逡逑江大學(xué)軟體機(jī)器人省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的電驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器魚ｍ等。圖１－１所示為幾逡逑種典型的軟體機(jī)器人，按照其仿生推進(jìn)方式，可將現(xiàn)有的軟體機(jī)器人分為：（ａ）逡逑擺尾式［５，１５＿１７ｊ、噴射式和撲翼式軟體水中機(jī)器人＾２７】，（ｂ）彎曲式和蠕動(dòng)逡逑式爬行軟體機(jī)器人＾８、９，，１〃８－３５】，（ｃ）柔性抓手［｜２，？３９］邋（ｄ）跳躍式軟體機(jī)器人等逡逑幾大類⑴、１３】。逡逑Ｉ逡逑

邐①邐（ｇ）；逡逑圖１－１幾種典型的仿生軟體機(jī)器人（ａ）擺尾式軟體機(jī)器魚ｌ５ｌ；邋（ｂ）軟體仿生水母１｜８１；逡逑（ｃ）撲翼式軟體機(jī)器魚ｍ；邋（ｄ）蠕動(dòng)式爬行機(jī)器人［６］；邋（ｅ）彎曲式爬行機(jī)器人（ｆ）軟體逡逑抓手（ｇ）跳躍式軟體機(jī)器人［１３１逡逑１．１．２智能軟材料逡逑不同于傳統(tǒng)的硬質(zhì)機(jī)器人，軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和傳感等功能通常是通過(guò)智能逡逑軟材料實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟材料科學(xué)，化學(xué)、力學(xué)以及生物等各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者展逡逑開(kāi)了大量的研究工作。１９９１年，“軟物質(zhì)之父”法國(guó)物理學(xué)家Ｐ．ＧｄｅＧｅｎｎｅｓ在諾逡逑貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上，用“小激勵(lì)大響應(yīng)’’的描述解釋了軟材料的特殊物理行逡逑為，并在《軟材料與硬科學(xué)》一書中進(jìn)一步闡述，推動(dòng)了軟材料新學(xué)科的發(fā)展。逡逑軟材料實(shí)際上是凝聚態(tài)物理的分支學(xué)科，其范疇可以包含液體、橡膠、凝膠、泡逡逑洙、液晶彈性體以及生物材料，是處于固體和理想流體之間的復(fù)雜體系。軟材料逡逑廣泛存在于自然界并大量應(yīng)用于人類社會(huì)的生產(chǎn)生活中
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242;TB381

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本文編號(hào)：2665511