【摘要】：目前軟體機(jī)器人在國際上迅速崛起,有關(guān)軟體機(jī)器人的各種想法和設(shè)計(jì)層出不窮。而軟體機(jī)器人制備最主要的核心就是材料的選擇。離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)具備電場響應(yīng)性快,質(zhì)輕,在低電壓下會(huì)發(fā)生較大彎曲并且具有一定的力輸出等優(yōu)點(diǎn),很多學(xué)者采用其作為軟體驅(qū)動(dòng)材料來研究軟體機(jī)器人。目前國內(nèi)外制備IPMC柔性驅(qū)動(dòng)器通常采用鉑(Pt)、金(Au)和鈀(Pd)等貴金屬,導(dǎo)致其成本過高,在一定程度上限制了 IPMC的廣泛應(yīng)用。因此探索低成本的IPMC制備方法成為IPMC材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。此外,目前對于IPMC的水下仿生應(yīng)用也不是很詳盡。本文首先以杜邦公司的Nafion-117質(zhì)子交換膜作為基膜制備了鉑型離子聚合物金屬復(fù)合材料(Pt-IPMC),之后在分析IPMC致動(dòng)原理的基礎(chǔ)上探索以金屬銅(Cu)替代傳統(tǒng)Pt電極的制備方法。測試和分析了銅基離子聚合物金屬復(fù)合材料(Cu-IPMC)和Pt-IPMC的含水率,附著力,形貌,增重率,表面電阻,致動(dòng)效果及力輸出等基本特性。通過對比發(fā)現(xiàn)Cu-IPMC的耐受電壓范圍為3-10 V,Pt-IPMC耐受電壓范圍為3-5 V,且Pt-IPMC能耐受的最大電壓遠(yuǎn)大于Pt-IPMC。此外Cu-IPMC的力輸出最大為17mN,Pt-IPMC力輸出最大為13 mN。結(jié)果表明,采用廉價(jià)的Cu來替代昂貴的Pt用于制備IPMC是完全可行的。此外,本文將Pt-IPMC用于仿生應(yīng)用研究,首先基于對Pt-IPMC的性能測試,研究了不同的Pt-IPMC的尺寸對其運(yùn)動(dòng)特性和力輸出的影響,確定了最佳的Pt-IPMC尺寸;分析了驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率對運(yùn)動(dòng)特性的影響,得出了頻率—位移特性規(guī)律與最佳驅(qū)動(dòng)交流電為5 V,1 Hz,為鰩魚驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制提供了依據(jù);通過分析鰩魚的結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)了 Pt-IPMC驅(qū)動(dòng)方案,利用Pt-IPMC制備了仿生鰩魚;對自然界中的鰩魚進(jìn)行步態(tài)分析,得到其游動(dòng)時(shí)胸鰭上等距四點(diǎn)的相位關(guān)系;最后設(shè)計(jì)制作了驅(qū)動(dòng)電路,并進(jìn)行了仿生鰩魚的實(shí)際測試。結(jié)果表明,該仿生鰩魚在水里的游動(dòng)速度可達(dá)到4 mm/s。
【圖文】：

西安科技大學(xué)全日制工程碩士學(xué)位論文認(rèn)識。目前人們通常認(rèn)為的驅(qū)動(dòng)機(jī)理如下：型樹脂基 IPMC 為例，其常見的基底膜 Nafion11種全氟磺酸質(zhì)子交換膜（其分子結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示吸收大量極性溶液(如水等)。全氟磺酸膜內(nèi)部具有移動(dòng)的陽離子能通過該網(wǎng)鏈擴(kuò)散或遷移。如圖 1.其內(nèi)部各種離子在材料中均勻分布，當(dāng)給 IPMC 膜在其內(nèi)部垂直于膜的方向上產(chǎn)生一個(gè)電場，在電場動(dòng)水合陽離子在靜電力驅(qū)動(dòng)下會(huì)從陽極遷移到陰合在一起的水分子則會(huì)向陰極聚集，，使得膜片靠陰的一面發(fā)生收縮（如圖 1.2（b）所示）。由于其內(nèi)，從而在宏觀上產(chǎn)生該材料向陽極方向的彎曲變形學(xué)者所認(rèn)可[10]。

可移動(dòng)的陽離子能通過該網(wǎng)鏈擴(kuò)散或遷移。如圖 1.，其內(nèi)部各種離子在材料中均勻分布，當(dāng)給 IPMC 膜會(huì)在其內(nèi)部垂直于膜的方向上產(chǎn)生一個(gè)電場，在電場移動(dòng)水合陽離子在靜電力驅(qū)動(dòng)下會(huì)從陽極遷移到陰結(jié)合在一起的水分子則會(huì)向陰極聚集，使得膜片靠陰極的一面發(fā)生收縮（如圖 1.2（b）所示）。由于其內(nèi)勻，從而在宏觀上產(chǎn)生該材料向陽極方向的彎曲變數(shù)學(xué)者所認(rèn)可[10]。圖 1.1 全氟磺酸質(zhì)子交換膜分子式 Molecular formula of perfluorosulfonic acid proton exchange（ a（ b
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242;TB33

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2612392