IPMC柔性嵌入式柔性末端結構設計及其機械特性測試

王 濤, 晏洋天, 陳勝楠, 謝開鑫, 宋永石, 張 霖*,, 3

(1.長江師范學院 機器人工程學院,重慶 408100,E-mail: lin.zhang_2014@hotmail.com;2.安徽理工大學人工智能學院,安徽 淮南 232001;3.上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240)

離子聚合物金屬復合材料(Ionic Polymer Metal Composites ,IPMC)是一種新型的智能材料,由于其擁有響應速度快、靈敏度高、驅動電壓低等特點,被廣泛應用于仿生肌肉技術和軟機器人的開發研究[1],近些年來IPMC的研究方向十分廣泛,涉及多個方面,如植物仿生[2]、生物醫學[3]、動物仿生[4]、打印技術[5]、航天航空[6]等。具有廣闊的應用前景。因此基于IPMC的各項功能開發研究是國內外眾多學者的研究熱點之一。

2018年王延杰等人[7]通過對棒狀IPMC和IPMC嵌入式有源管進行運動分析,在棒形IPMC的四個電極表面施加的電壓進行控制,可使IPMC執行器能夠彎曲到八個方向。2019年霍凱等人[8-9]研究了方柱狀IPMC制備與驅動性能,得到方柱狀IPMC在方波、正弦波以及直流電壓的刺激下,都具有很好的驅動性能。2020年Boldini等人[10]通過Abaqus TM的非線性有限元功能分析IPMC的形變,得出電極的雙電層對于形變有很大的影響,為后續研究多軸形變提供了基礎。2020年Mattioni等人[11]使用基于PHS框架的模型和策略,通過哈密頓函數研究了IPMC的驅動性能,展現了IPMC的主要驅動行為。2021年Zhang等人[12]在含有Pd/Pt電極的IPMC上使用4v的電壓討論了其驅動性能的變化,發現其末端位移得到了良好的改進。2021年Yang等人[13]通過Weirstrass-Mandelbrot模型采用結構函數法等對IPMC多維驅動能力進行分析與研究,加強對IPMC機理的理解。2021年Yi等人[14]通過對IPMC的松弛實驗,得到IPMC的彎曲角的變化會隨時間的推移逐漸變小。2021年Xu等人[15]通過扭轉性能測試裝置,研究了不同電極間距下IPMC的扭轉性能、形變能力、扭轉角,發現了扭轉性能、形變能力、扭轉角與電極間距成正比的現象。2022年Gupta等人[16]把LabView和激光測振儀采集的數據通過MATLAB仿真進行計算,使得IPMC的驅動響應達到更加理想的狀態。

雖然近年來研究人員通過各種方法對IPMC進行了廣泛的研究,但橫截面形貌對變形能力的影響從未被系統地討論過。本文對幾種橫截面形態柔性導管平臺的變形能力進行了比較和分析,并考慮橫截面形貌對IPMC嵌入式管狀致動器的變形能力,且分析柔性管狀致動器軸線上相應的電極排列和徑向載荷分布。并對改善后的管狀致動器進行了位移測試,得出了結果。

1 IPMC柔性嵌入式管狀致動器

本文以管狀的硅膠作為支撐,將多個方形的IPMC插入不同的管狀硅膠壁的內腔,組合形成不同的嵌入式管狀致動器。多個IPMC共同驅動會使整體結構可以彎曲的方向更多,進而可以實現控制管狀硅膠進行多個方向彎曲。

1.1 致動器橫斷面形態

橫截面的形狀會影響管狀結構的彎曲剛度。以往的研究大多只利用圓形,但沒有同時考慮變形能力,本研究考慮不同的截面形態(三角形、矩形、橢圓和圓)進行有限元分析。所列出的橫截面如圖1所示。

▲圖1 不同的橫截面

管狀執行器由軟硅膠制成,由嵌入軟硅膠筒內的IPMC執行器驅動。軟硅膠套筒的中心部分根據不同的橫截面被掏空。目的是通過降低等效中心面積的軟硅膠套的彎曲剛度來提高變形能力。彎曲剛度(K)實際上是構件抗彎曲變形的阻力,是彈性模量E、面積慣性矩I的函數。E是內在特征和常數。因此,面積慣性矩是關鍵變量,其計算方法如下:

(1)

式中:dA是任意橫截面的微分面積,ρ是從軸到dA的距離。

雖然求解彎曲剛度是一個經典的問題,但一些不確定性使其非常不可能得到解析解。一方面,很容易找到沿指定方向產生最大的最佳變形,但不能在其他方向上產生相同的變形。例如,矩形截面在繞X軸或Y軸彎曲時產生較大的變形,而沿XY軸只有較小的變形。因此,它完全取決于對變形的要求。另一方面,即使是圓截面等結構,也能繞管執行器軸提供相同的變形能力,其變形小于其他情況。此外,IPMC的力輸出并不沿軸向均勻分布,尖端變形也不同,因此,徑向載荷的軸向分布也會影響變形能力。此外,驅動IPMC布置還影響了變形能力。如圖1(d)所示,軟硅套筒周圍有電極,所有電極耦合連接在一起,獲得最大的變形,增加了控制復雜度。結論表明,橫截面的優化涉及到變形能力。

1.2 致動器徑向載荷的軸向分布

徑向載荷的軸向分布影響了管執行器的梁的撓度,即管執行器的變形能力。

(2)

式中:E是彈性模量,I是中心慣性矩。x是管狀致動器上的軸向位置。M(x)是彎矩,它隨位置而變化。得到管執行器的撓度如下:

(3)

由于致動器由IPMC驅動,因此M(x)取決于IPMC的驅動力,IPMC沿軸向方向在各點設置徑向載荷。因此,徑向載荷的軸向分布是影響變形能力的關鍵因素之一。

徑向載荷的軸向分布可分為均勻載荷、變化載荷兩類。前者是估計徑向載荷得到尖端變形的理想模型,如圖2(a)。所示雖然它在實踐中是非均勻分布的,如圖2(b)。所示為了探索負載分布,最有說服力的方法是測量IPMC帶上不同位置的力響應。然而,當IPMC嵌入到硅膠套筒中時,我們無法測量不同位置的力輸出。因此我們設置了如下實驗。

假設IPMC在獲得相同的尖端變形時輸出穩定的力響應,則不同位置的力響應與時間無關,這意味著我們可以在不同的時間測量不同位置的力響應。其挑戰在于如何獲得與相同的尖端變形相對應的力響應。如圖2(c)所示,安裝位移傳感器來監測尖端變形,并安裝信號發生器和放大器以產生驅動電壓。在每個實驗情況下,力傳感器都安裝在不同的位置,信號發生器產生方波?？梢酝瑫r記錄尖端變形和力響應并同步。最后,通過找到相應的尖端變形,可以得到正確的力響應。

1.3 IPMC在管狀致動器的布置

為了提高管狀致動器的變形能力,驅動IPMC的布置也應根據橫截面進行調整。據觀察,束形IPMC的控制信號相當簡單,因為它只是向陽極彎曲,而有更多的組合可能在任意數量的不同方向上驅動,這是由多個IPMC組成的。如圖3(a)所示,一個具有指定橫截面的管狀致動器帶有4個電極(TA4)。然后將變形控制簡化為垂直、水平和對角彎曲變形,分別如圖3(b)-(d)所示。前兩種運動都很容易控制,因為只有一維彎曲,而且所有的IPMC都可以在相同的電壓下施加。而對角線彎曲運動需要用不同的電壓和不同的電極對來驅動。

驅動IPMC分布在管式驅動器周圍,位置定義為:Li=(φi,Ri),i=0,1,…,N,其中N為驅動IPMC數。每個IPMC的輸出力被定義為:Fi=[ui,1ui,2]T。對于TA4,所有IPMC的聯合力計算如下:

(4)

對于三角形橫截面,管執行器被3個IPMC包圍,如圖3(f)～(h)所示,3個電極(TA3)管執行器具有不同的彎曲運動,所有IPMC的接力計算如下:

(5)

從該方程中可以看出,輸出力是位置的非線性函數。即使是一個輕微的運動也需要控制所有的IPMC,其中兩個需要向兩個方向彎曲。此外,管執行器軸周圍的變形剛度發生變化,導致尖端變形的非線性較高。因此,可控性要復雜得多。

▲圖3 電極布置方案

1.4 不同截面的變形能力

使用MATLAB軟件將ABAQUS分析的數據進行圓周的擬合,可以更直觀的表達分析結果,以便做進一步的分析。擬合結果如圖4所示。

▲圖4 不同形狀橫截面變形分析結果

其中三角形截面變形量最大,其次是矩形截面,橢圓形截面、圓形截面。

由上述可見:驅動IPMC分布在第一種方形管式驅動器周圍,運動方向較廣,但是運動距離較短;而另外一種三角形管式驅動,運動方向較少,但運動距離較大。

1.5 柔性嵌入式管狀致動器結構優化與測試

由上文可知,雖然三角式管式致動器運動方向比方形管狀致動器要少,但滿足所有基本運動方向且運動距離較大,所以我們選擇三角形管式驅動作為最終的柔性嵌入式管狀致動器,但我們發現由于管狀硅膠截面積過大,進行彎曲時需要的受力很大,所以對選定的三角形的截面模型進行進一步的結構優化,進一步減少硅膠外殼的截面面積。具體結構如圖5中所示。

▲圖5 優化后的三維圖

對優化后的管狀硅膠的有限元分析對比結果如圖6中所示。

▲圖6 優化前后形變結果對比分析

由形變結果可以對比看出來,優化后的結構在相同的占用體積下,可以發生更大的形變,由數值上上可以看出相同的力作用下,形變量是優化前的三倍,形變位移明顯增加。

2 柔性嵌入式管狀致動器試驗平臺的搭建

本文所搭建的柔性嵌入式管狀致動器試驗平臺如下圖7中所示。首先將需要測試的實驗材料放在激光位移傳感器的測量范圍之內,將激光位移傳感器的高度調整到向測量的位置,布置好工作臺。利用波形發生器和功率放大器,將波形發生器發出的信號傳輸到功率放大器中,IPMC材料的電致位移通過激光位移傳感器進行測量。

然后打開LabVIEW軟件,開始四通道采集,采樣頻率設定為1 000,依據是采樣定理,設定的采樣頻率要高于測量信號頻率的兩倍,來保證采樣信息的完整性。采樣頻率過低時會造成“混疊”現象。

▲圖7 實驗操作平臺

2.1 方形IPMC的特性測試

將需要測試的0.75 mm×0.75 mm長度為6 mm的IPMC材料放置在實驗工作臺對應位置,將激光位移傳感器調到合適高度,前后位置正好將激光打在被測IPMC的末端位置,如圖8所示。在信號發生器中依次選擇方波、正弦波和三角波三種波形來進行激勵信號的輸出,然后通過功率放大器輸入與IPMC相連的電極上。通過激光位移傳感器記錄的IPMC末端形變位移物理量,而后對所記錄的數據經處理后得到IPMC材料試樣在三種波形下的末端位移軌跡。

▲圖8 測量IPMC末端位移

如圖9所示,是在3 V,0.2 Hz方波驅動下被測IPMC的末端位移變化曲線中截取的相對穩定具有代表性的一個周期的變化情況。圖中IPMC材料的位移變化曲線整體上來看與三角波電壓幅值變化一致,在時間上IPMC 的位移軌跡變化與正弦波激勵電壓的變化會有一些延遲。在同一周期內IPMC的末端位移量相比于與方波和三角波激勵電壓下變化幅度明顯是最小的,一周期內的幅度大約為1.5 mm。這是由于一個周期內等效電壓是最小的,所以三角波電壓激勵下IPMC的位移量最小。從0.2 Hz、3 V的三種波形激勵電壓下IPMC的末端位移變化情況各不相同,同一周期內的位移變化幅值也是不相同的。所以在實際驅動過程中,需要IPMC產生更大的位移,在相同電壓和頻率條件下選擇方波更好。

▲圖9 40 s內3 V 0.2 Hz方波,正弦波,三角波電信號下IPMC末端位移

▲圖10 管狀硅膠實物圖

在一定的觀察時間來看,末端位移曲線整體的發生抬高,這表明隨著激勵的時間增加,IPMC末端會逐漸向某一側發生偏移。并且激勵信號的一個周期內,位移變化量逐漸減小。這是IPMC的濕度不斷的下降所導致IPMC的失水性彎曲,和性能的下降。

2.2 IPMC柔性嵌入式管狀致動器性能測試

本實驗三角式管式致動器采用硅膠鑄造,如圖10所示。

將IPMC放在接好線的基座凹槽中,對IPMC的一對電極施加激勵電壓。觀察在4 V、0.2 Hz的電信號下,通過銅箔將激勵信號輸入給IPMC后,IPMC的末端位移變化情況。實驗操作如圖11所示。

▲圖11 基座上單根IPMC的兩個電極施加激勵電壓

實驗結果如圖12所示,在正弦波的激勵電壓下,IPMC的幅值變化趨勢和正弦波幅值變化情況相似,在一個周期內的幅值變化量為0.3 mm?；旧淼慕泳€情況較好。

▲圖12 4 V 0.2 Hz 正弦波電信號下IPMC末端位移軌跡

然后在前面的基礎上加入制造的三角形截面的管狀硅膠,將硅膠下表面固定在基座上,再次對IPMC施加相同的激勵電壓(4 V 0.2 Hz 正弦波)觀察IPMC的末端位移變化情況。具體操作如圖13所示。

▲圖13 硅膠基座測試

由位移變化曲線如圖14所示,加入硅膠后,IPMC驅動硅膠末端位移量在一個幅值內變化量約為1.5 mm,硅膠給IPMC的阻礙較大。一方面實驗過程中硅膠是作為負載存在的,減弱了IPMC的驅動能力;另一方面在IPMC的彎曲過程中硅膠與IPMC之間會有摩擦存在。因此位移量偏小,但可以通過增大IPMC的橫截面積來實現位移量的增大。以來滿足一些實際運用。

▲圖14 4 V 0.2 Hz 正弦波電信號下IPMC末端位移軌跡

3 結論與展望

由于單個IPMC只能沿兩個方向產生移動,為了讓IPMC這種智能材料得到實際應用,本文將單個IPMC插入到不同截面的硅膠管中,研究并選取最優形狀的硅膠管在IPMC驅動下產生的形變,使得IPMC可以延多個方向進行連續移動。本實驗得到如下結論:通過對矩形、圓、橢圓、三角形這幾種不同截面形狀的管式致動器進行分析比對,發現其中三角形變形能力最大且能實現多向彎。

當前研究主要是針對Pd電極IPMC的橫截面積的形變,后續可以考慮使用不同的電極進行研究,如:金電極、銀電極、鉑電極等一系列各種情況下的電極?；蛘吒淖兏鞣N外界條件下的研究,如:改變橫截面積的大小、不同電壓頻率下橫截面積的形變、不同環境下橫截面積的形變。對于IPMC的應用已經有一些成果,但依舊存在部分待解決的問題,這條路還有很遠的距離要走。隨著研究人員不斷攻克IPMC橫截面積的各種研究問題,獲得更加全面的數據與技術,使得IPMC的實際應用得到更加快速的發展。