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微小型仿生机器人发展的基本要求是系统轻便、多自由度、运动灵活、控制简单,传统的电磁驱动及传动方式,如电机加齿轮等方式结构复杂,很难满足这一要求。智能材料驱动为人们提供了一种解决问题的方法,而基于智能材料的两态驱动这一新兴的驱动方式使得多自由度的运动控制相对简单。理论上,两态驱动可以类比于电子学中的数字电子概念,相比于传统的电磁驱动方式,两态驱动系统不需要复杂繁琐的反馈控制等环节,减少了传感器、导线以及电子元件的使用,因此减轻了系统重量和成本;另外,由于控制简单、精确,两态驱动系统也有着很高的系统稳定性。
绝缘弹胶体(Dielectric Elastomer)作为电活性聚合物中的一种,可以在外电场作用下发生形变,由于该材料柔软,富有弹性,变形效率高,驱动率大,因此具有“人造肌肉”的美誉,逐渐被科学家应用于仿生驱动以及微驱动领域。
本文利用DE材料的机电驱动特点,结合两态驱动(binary actuation)的概念,构建了两种包含三个两态驱动器件的并联机构,将其作为基于DE材料驱动的串-并联离散驱动机器人系统的基本单元,据此构建多个单元串联组成的串-并联多级离散驱动系统。
文中首先利用DE材料制作满足这一驱动特性的伸长型两态驱动器件,通过机电响应实验测试其直线驱动特性,即变形值,分析材料特性对其驱动特性的影响。其次,将该驱动器件的驱动范围作为并联机构的驱动值,建立运动学模型,分析单级及多级并联机构的运动状态、特性及工作空间的特点。利用数学工具分析并描绘上述离散驱动串并联机构系统所能达到的工作点的空间分布云图,分析工作空间的范围、精度,及其与结构参数与驱动量之间的关系,并对以后进一步的研究应用做出了展望。