航空法規(guī)定直升機(jī)不能在一定的高度(0～～300米)范圍內(nèi)飛行,而地面上所發(fā)生的自然災(zāi)害,植被狀況等信息需要方便快捷地從空中觀測(cè)和拍攝,所以研究設(shè)計(jì)近地面可控飛行的設(shè)備成為了迫切需求,尤其是對(duì)自然災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域,農(nóng)場(chǎng)等地點(diǎn)。無(wú)線可控氦氣球體系統(tǒng),具有可攜帶重物多,續(xù)航能力強(qiáng)等特點(diǎn),同時(shí)也是低成本、低噪音、快速、節(jié)能、安全和可靠的新型航空觀測(cè)工具。盡管目前在軟體驅(qū)動(dòng)器機(jī)理及仿生應(yīng)用的研究方面已經(jīng)取得了階段性進(jìn)展,但對(duì)于軟驅(qū)動(dòng)飛行器的飛行機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不充分。因此,深入了解軟驅(qū)動(dòng)飛行器的合理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,開展軟驅(qū)動(dòng)器及飛行應(yīng)用方面的理論、仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)運(yùn)動(dòng)中的受力等關(guān)鍵問題進(jìn)行分析,有助于加深對(duì)軟飛行機(jī)器人飛行機(jī)理的認(rèn)識(shí),為將來軟驅(qū)動(dòng)飛行器的的研制提供參考。本文在軟球體驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上,研制了可實(shí)現(xiàn)上升下降、旋轉(zhuǎn)、平移運(yùn)動(dòng)的飛行機(jī)器人,并建立了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算模型。通過觀察測(cè)量、實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)、仿真計(jì)算等研究了參數(shù)變化對(duì)機(jī)器人升力、阻力及運(yùn)動(dòng)軌跡等問題的影響。本文主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)對(duì)于具有機(jī)電性能和承載能力的球體驅(qū)動(dòng)器尺寸結(jié)構(gòu)和體積變化規(guī)律研究。搭建了軟球體驅(qū)動(dòng)器信息采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使用高速相機(jī)采集軟DE球體變形信息,經(jīng)軟件分析及計(jì)算后獲取了體積與壓力等參數(shù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。基于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和得到的數(shù)據(jù),建立了軟驅(qū)動(dòng)飛行機(jī)器人系統(tǒng),推導(dǎo)了實(shí)時(shí)變化的預(yù)拉伸率、電壓、壓強(qiáng)、電荷及體積的計(jì)算公式。對(duì)于球體驅(qū)動(dòng)器,根據(jù)彈性體材料的Helmholtz自由能可以計(jì)算出電壓與DE膜預(yù)拉伸的關(guān)系,DE膜自由能的變化與電壓、壓力和慣性力所做的功有關(guān);結(jié)合系統(tǒng)的Maxwell應(yīng)力,得出關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系式模型。在電場(chǎng)力作用下,DE薄膜上存在著機(jī)電不穩(wěn)定和電擊穿現(xiàn)象,電擊穿場(chǎng)強(qiáng)與材料的拉伸值密切有關(guān),隨著電壓的增高,機(jī)電不穩(wěn)定性產(chǎn)生,褶皺一般在球體密封口邊緣形成,為條形狀直到電擊穿發(fā)生,出現(xiàn)該現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)預(yù)拉伸系數(shù)λpre范圍為3～6,電壓φ≥5.5 kV。(2)對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中DE膜表面存在的不穩(wěn)定現(xiàn)象,比如loss of tension和電擊穿的研究。電壓所引起的軟材料介電彈性體上的相變轉(zhuǎn)換,可以用來模仿生物的附著功能和表面皮膚的紋理。圓形DE膜上涂有電極區(qū)域在電壓作用下所呈現(xiàn)的平坦、褶皺或者膨脹凸起的狀態(tài),驗(yàn)證了理論關(guān)于相變轉(zhuǎn)換與失效現(xiàn)象的預(yù)測(cè)。當(dāng)介電彈性體膜受到徑向力和逐漸遞增的電壓時(shí),四種試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生在介電失效之前:膜上涂電極區(qū)域的區(qū)域向無(wú)電極區(qū)域擴(kuò)張,但是DE膜依然平坦;膜上僅僅產(chǎn)生膨脹凸起狀態(tài);膜上膨脹凸起部分與褶皺部分共存:涂有電極區(qū)域完全轉(zhuǎn)換為褶皺狀態(tài)。在第四種現(xiàn)象中,膜表面上的平坦區(qū)域和皺紋區(qū)域存在著兩種不同類型的轉(zhuǎn)換:①褶皺在平面膜上小區(qū)域形成,然后蔓延至整個(gè)涂電極區(qū)域,該過程是連續(xù)的相變轉(zhuǎn)換;②隨著電壓的升高,皺紋和平坦區(qū)域相互轉(zhuǎn)換直到電擊穿發(fā)生,該過程是跳躍式的相變轉(zhuǎn)換。研究發(fā)現(xiàn)預(yù)拉仲對(duì)介電彈性體的機(jī)電相變有著顯著的影響。(3)可實(shí)現(xiàn)大變形的介電彈性體軟球體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)球殼在厚度方向受到電場(chǎng)作用時(shí),DE球膜在徑向方向擴(kuò)張,在厚度方向變薄。在DE球體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,采用壓力和位移傳感器測(cè)量球體的變化。研究了軟球殼的擴(kuò)張幅度、頻率等參數(shù)變化對(duì)升力、阻力及運(yùn)動(dòng)方向的影響�；诶碚摲治�,設(shè)計(jì)了一些球體結(jié)構(gòu),內(nèi)部充滿氦氣或者空氣;實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論包括：①在相同的壓力下，DE氦氣球的體積小于空氣球體積;②用于實(shí)現(xiàn)控制的大變形對(duì)于·軟驅(qū)動(dòng)飛行器非常重要，具體方法可以增大初始體積、電極密度和預(yù)加載等以達(dá)到軟驅(qū)動(dòng)器大變形的目標(biāo);③體積值變化越大,可以控制的氦氣球飛行高度越高,可控制的質(zhì)量越多,基本呈非線性增長(zhǎng)關(guān)系。通過對(duì)預(yù)拉伸球殼的動(dòng)態(tài)行為的分析,得出DE膜較厚的球殼比薄球殼變形小。最后,大量的實(shí)驗(yàn)證明了 DE氦氣球載物可控飛行的可行性。(4)基于軟球體驅(qū)動(dòng)器,研究軟體機(jī)器人升力、阻力及功耗等問題。在理論研究方面,基于所設(shè)計(jì)的DE球體驅(qū)動(dòng)器,建立了軟體機(jī)器人的計(jì)算模型;通過對(duì)球膜的受力分析,計(jì)算得出了系統(tǒng)質(zhì)量、速度、加速度等參數(shù)。利用Gent模型推導(dǎo)出了體積與壓力關(guān)系方程,并結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程,得出了臨界擊穿電壓與預(yù)拉伸半徑之間的關(guān)系;在仿真計(jì)算方面,研究了 DE球體內(nèi)部乳膠破裂時(shí),VHB球體的變化趨勢(shì),并對(duì)變化趨勢(shì)及原因進(jìn)行了分析;在計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較方面,分析了直流電大小、交流電幅度、頻率等參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的影響。理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果均表明,乳膠球膜的擊穿電壓范圍一般在1.5～5.5kV之間,大多集中在2.5kV左右,與膜的厚度有關(guān)。在內(nèi)部乳膠球破裂瞬間,介電彈性膜球體產(chǎn)生相對(duì)較大的體積擴(kuò)張,機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生上升的浮力和加速度,隨后在空中會(huì)受到來自空氣和風(fēng)的阻力,以及不同高度的壓強(qiáng)變化等因素的影響而停留在一定的高度浮動(dòng)。(5)DE驅(qū)動(dòng)飛行器的可控的上升、下降、旋轉(zhuǎn)和平移飛行�？紤]到實(shí)際的軟驅(qū)動(dòng)飛行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于運(yùn)動(dòng)的影響,建立了電壓、預(yù)拉伸和體積計(jì)算模型。對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。對(duì)機(jī)器人在直流以及交流電壓作用下的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行了分析,表明了轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線控制條件下的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移等運(yùn)動(dòng)。統(tǒng)計(jì)了飛行運(yùn)動(dòng)中體積所能達(dá)到的平均值及極限值等。通過計(jì)算飛行中球體的體積變化,得出飛行加速度。給DE驅(qū)動(dòng)器連通大的無(wú)彈力腔體,使得DE驅(qū)動(dòng)飛行機(jī)器人可控飛行,也可以搭載無(wú)線控制系統(tǒng)和載荷飛行;為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制策略,協(xié)調(diào)各個(gè)控制器,提出了將中心主控制器和軟驅(qū)動(dòng)控制器,尾翼等部分看成獨(dú)立的智能體,確定了各部分之間的通信和協(xié)作機(jī)制;制定了信息交流格式,并對(duì)軟件設(shè)計(jì)流程做了說明。另外,機(jī)器人可控的浮力隨著飛行高度的增加而減小,隨著溫度的升高而降低,也會(huì)隨著大氣中濕度的增加而降低。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V27
【部分圖文】：

達(dá)到４８８％［２９］，邋Ｋｅｐｌｉｎｇｅｒ等人證明了邋ＤＥ膜的帶電區(qū)域的些高應(yīng)變和其他性能指標(biāo)包括能量密度和致動(dòng)速度，使介域處在前沿。在一定條件下，ＤＥ材料的Ｍａｘｗｅｌｌ應(yīng)力比的厚度下降，同時(shí)其表面出現(xiàn)復(fù)雜的褶皺現(xiàn)象，繼而引起機(jī)電穩(wěn)定性，比如ＶＨＢ邋４９１０或４９０５材料在高應(yīng)變率、“硬化”，從而穩(wěn)定性增加。逡逑置在某種結(jié)構(gòu)配置中以模仿生物原理，比如眼球或手臂，術(shù)實(shí)驗(yàn)室人員發(fā)明的機(jī)器人掰手腕競(jìng)賽手臂，雖然設(shè)備不仿主動(dòng)肌和對(duì)抗肌圍繞著一個(gè)關(guān)節(jié)的排列方式，關(guān)節(jié)采用，也能夠回到起點(diǎn)，符合競(jìng)賽的要求［３１］。逡逑對(duì)于多自由度設(shè)備提供了一種有吸引力的機(jī)理，這種沒靈活的。用分段環(huán)節(jié)ＤＥＡ模擬多自由度蠕蟲爬行運(yùn)動(dòng)，持…組多層執(zhí)行器，在壓縮狀態(tài)下，可以向面外隆起。按生壓縮式波浪，推動(dòng)蠕蟲機(jī)器人前進(jìn)｜３２１。柔軟機(jī)理結(jié)合膨飛行器如小型飛船，ｊｏｒｄｉ等人制作了一個(gè)軟飛行機(jī)器人－動(dòng)，主要靠魚形體兩側(cè)放置ＤＥＡ來控制向身的運(yùn)動(dòng)１３３］。逡逑

１邋－１邋），在空氣中游動(dòng)，主要靠魚形體兩側(cè)放置ＤＥＡ來控制向身的運(yùn)動(dòng)１３３］。逡逑ｍｕｍＢ逡逑圖１－１基于ＥＡＰ材料的飛魚逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－１邋Ｔｈｅ邋ａｉｒｓｈｉｐ邋ｄｒｉｖｅｎ邋ｂｙ邋ＤＥ邋ａｃｔｕａｔｏｒｓ逡逑幾何邊界作用下薄膜結(jié)構(gòu)，可以被設(shè)計(jì)成很多復(fù)雜的形狀。比如Ｋｏｆｏｄ等人１３４１通過逡逑拉伸ＤＥ膜做成一個(gè)軟塑料框架；用ＤＥ材料制作的手掌結(jié)構(gòu)可以抓取物體，施加電壓逡逑之后，手掌能夠自動(dòng)打開｜３５］；邋Ｏ’Ｂｒｉｅｎ等人制作的ＤＥＡ觸覺感知驅(qū)動(dòng)器，己經(jīng)應(yīng)用ｆ？傳逡逑３逡逑

酸是最常見的介電彈性體［１＿２，１Ｗ］。逡逑在介電彈性體薄膜的上下兩個(gè)表面均勻涂抹柔性可伸縮電極，當(dāng)其受到電壓時(shí)，彈逡逑性體的厚度會(huì)減小，面積顯著擴(kuò)大［１＃１（）５］。圖２－１是電壓驅(qū)動(dòng)方形和圓形介電彈性體的原逡逑理圖，上下兩層電極在高壓作用下，異性電荷相互吸引，同性電荷相互排斥，所以薄膜逡逑表現(xiàn)出明顯的面積和厚度變化。逡逑邐逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邐＜逡逑Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ邐／逡逑Ｐ２逡逑０逡逑Ｒｉｇｉｄ邋ｆｒａｍｅ逡逑（ｂ）逡逑—？ｉ—逡逑０逡逑（ａ）邋Ｐｒｅｓｔｒｅｔｃｈｅｄ邐（ｂ）邋Ａｃｔｕａｔｅｄ逡逑Ｓｔａｔｅ邐Ｓｔａｔｅ逡逑圖２－１介電彈性體膜上、下兩表面涂有兼容電極，在高電壓驅(qū)動(dòng)下的變形圖。（ａ）方形結(jié)構(gòu)；（ｂ）圓逡逑形結(jié)構(gòu)。逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ａ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｅｌａｓｔｏｍｅｒ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｉｓ邋ａｃｔｕａｔｅｄ邋ｂｙ邋ａｐｐｌｉｅｄ邋ｖｏｌｔａｇｅｓ邋ｖｉａ邋ｃｏｍｐｌｉａｎｔ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋ｏｎ逡逑ｂｏｔｈ邋ｓｉｄｅｓ．邋（１）邋Ａ邋ｓｑｕａｒｅ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ；邋（２）邋Ｔｈｅ邋ｃｉｒｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．逡逑基于以上原理，介電彈性體可以用來制作不同結(jié)構(gòu)的智能驅(qū)動(dòng)器，圖２－２（ａ）是貓于逡逑介電彈性體卷形驅(qū)動(dòng)夾持器；圖２－２（ｂ）是面部表情驅(qū)動(dòng)器。２００５年在韓國(guó)舉辦的會(huì)議丨？．，逡逑由機(jī)器人公司基于介電彈性體而設(shè)計(jì)和制造的機(jī)器人展示了面部表情變化（稅擬愛因逡逑斯坦面部表情）

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2821984