摘要：Ionic electroactive polymers (IEAPs) are a category of intelligent soft materials exhibiting large displacement under electric excitation, based on inner ion or solvent transport. Due to their unique advantages such as flexibility, low driving voltage, large bending displacement and aquatic-environment adaptability, IEAPs have been documented as very promising actuators for the applications in bionic robots. This review presents an analysis to the current research status of IEAPs exploited in bionic robots. According to the specific bionic parts, those robots are divided into four classes: imitation of fins, limbs, joints and trunks. Their dimension, weight, voltage amplitude, frequency and maximum speed were summarized to show the optimum design range. The results show that the approach velocity of the current robots were higher (> 35 mm·s-1) when the robot weighted 60 g–180 g and the body was 90 mm–130 mm long. For voltage from 1 V–3 V and frequencies from 0.7 Hz–1.2 Hz, the speed was relatively higher (> 35 mm·s-1). To some extent, the maximum speed decreases when the area of the IEAP material used in bionic robot increases. For underwater circumstances, IEAP materials are most suitable for designing bionic robots swimming with Body and/or Caudal Fin (BCF). This review provides important guidance for the design of IEAP bionic robots.

摘要：鉴于目前关于软体机器人的研究大多仅致力于软活性材料的驱动功能,忽视了传感功能,研究一款集驱动与传感一体化的柔性抓手机器人。首先研究PVC凝胶驱动器结构设计与制备工艺,然后研究CNT/PDMS柔性传感结构的制造工艺,在此基础上,以PVC凝胶驱动器作为柔性抓手的驱动单元,以CNT/PDMS立体结构作为柔性抓手的传感单元,设计出一款具有驱动与传感一体化的功能结构,并对该功能结构进行测试。研究结果表明:在施加800 V直流电压下单根手指的弯曲角度可达32.5°;在400 V直流电压驱动下,由两根柔性手指构成的抓手能够抓取直径为15 mm、邵氏硬度分别为10~20、30~50的易变形的硅橡胶圆柱体;在抓取不同硬度的圆柱体时,CNT/PDMS的电阻变化率亦不同,表明CNT/PDMS柔性传感结构可以感知抓取物体的软硬度,证明了本研究关于驱动及传感一体化结构设计的可行性。该研究可为后续软体机器人的设计及制造提供参考。

摘要：为了使微小型光学镜头驱动系统满足低能耗、高稳定性以及结构简单的要求,采用新型智能材料IPMC设计了一种微小型的光学镜头致动器,并对其输出力、位移及响应速度等性能进行了研究.根据直线驱动要求确定了瓣形和环形结构;通过化学还原方法制备了IPMC材料,采用激光切割技术分别制作出5种形状的环形和瓣形致动器,并对其性能进行了测试.利用有限元软件,通过等效热模型分析了致动器的基本性能,结果表明:实验测试与理论分析结果一致,误差率在10%以内;瓣形致动器的总体位移性能比环形致动器的好;在3V驱动电压下两者的位移均大于200μm;当内圆半径为2mm、瓣数为8时,致动器的最大位移与响应速度均最佳.

摘要：针对复合导电材料CNT/PDMS应用于柔性传感以及复杂结构设计的需求,将直写打印技术与该复合导电材料的成型制备方法结合起来,研究了CNT/PDMS复合材料的打印工艺和电阻传感性能。在试验研究中,首先配置了不同CNT含量的打印墨水,并对打印墨水的流变性及材料导电性进行测试,试验结果表明配置的打印墨水均具有粘弹性以及剪切变稀的性质,其中以CNT质量分数为7%的墨水用于直写打印时兼具导电性好易挤出且成型好的特点。通过单点成线试验,设置3D打印机参数为:扫描速度为10mm/s,挤出气压为0.3MPa。在此基础上,进行简单平面条状、二维网状结构以及立体网格结构的打印,对打印的条状结构进行温度和单轴拉伸试验,在不同的温度和拉伸率下打印件均表现有电阻传感特性;对网格状电路进行柔性电路性能测试,在对其施加6 V左右电压时,无论网格电路处于伸展还是弯曲状态均能表现出良好的导电性能;对打印的立体网格结构进行压力传感试验,结果表明复合材料有良好的压敏特性。性能表征结果证明该打印工艺可行,从而为后续该材料的复杂结构制造以及在柔性传感电子设备中的应用奠定基础。

摘要：鉴于电活性聚合材料PVC凝胶具有驱动电压低、且具有弯曲和拉压变形的双重能力,有望满足软体机器人个性化与结构复杂设计需求,将直写打印技术与材料的成型制备方法结合起来,研究了PVC凝胶的打印工艺。首先,配置了不同浓度的打印墨水,测试了不同浓度打印墨水的流变性能用以表征其可打印性,结果表明配置的PVC凝胶打印墨水整体表现为剪切变稀性质,具有较强的可打印性,其中质量比为聚氯乙烯(PVC)∶己二酸丁二酯(DBA)∶四氢呋喃(THF)=1∶4∶12.5的溶液用于打印具有固化速度快,易于挤出的特点。然后,通过单点成线试验,发现打印参数为:挤出流量为0.02m L/min,扫描速度为36 mm/s时,成线精度可以达到0.15 mm。在此基础上,进行三维叠加打印试验,实现了波纹状、网状、鱼鳞状PVC凝胶结构的3D打印。采用3层鱼鳞状PVC凝胶结构做成叠层,给该结构施加700 V方波电压时,其上下振动位移达到0.21mm;施加900V方波电压时,其驱动力为1.18N,为自身重量的21倍。试验结果表明:直写打印制备出来的PVC凝胶材料驱动性能良好,表明打印工艺的可行性。

摘要：基于电鳗发电机理,研究了利用四通道微流控喷头制备仿生离子凝胶电池的多材料打印方法。设计了具有阵列凹槽结构的柔性接收基底以保证凝胶电池颗粒的形态和相对位置,研究了凝胶电池单元的发电性能,发现电池单元大小对凝胶电池单元输出电压影响不大,而输出电压随着凝胶电池单元串联个数增加呈线性增长规律;基于此建立了凝胶电池单元尺寸为2.0 mm的大面积仿生离子凝胶电池的“S型”串联排布设计与多材料打印工艺方法,实现了127个凝胶电池单元的一体化打印与精确组装;研究了仿生离子凝胶电池的电压输出特性,发现制备的仿生离子凝胶电池输出的开路电压可达(10.53±1.11)V,连续放电6小时后电压衰减至初始电压的35.6%;验证了多材料打印的仿生离子凝胶电池用于驱动电致变形柔性(Ionic polymer-mental composite,IPMC)结构的可行性。该研究探索有望为电致动软体机器人领域的柔性仿生能源供给提供一种新策略。

摘要：文章针对离子聚合物-金属复合材料(ionic polymer metal composite,IPMC)的松弛效应,将模糊控制与PID控制相结合设计了模糊PID控制器,实现了其PID的参数自整定功能;采用Matlab/Simulink分别对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行仿真,仿真结果表明,模糊PID控制系统响应时间为0.2 s,远小于常规PID控制系统的1.5 s,模糊PID控制系统的最大超调量比常规PID控制系统降低了74.5%,稳态误差降低了65.6%;采用STC51单片机对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行了IPMC末端输出位移控制实验,结果表明模糊PID控制系统的最大超调量比常规PID控制系统降低了77%,稳态误差降低了49%。该文设计的模糊PID控制系统对IPMC末端输出位移的控制效果比常规PID控制系统有了显著改进,对IPMC材料的应用具有较为重要的促进作用。

摘要：按照混合动力客车的要求,设计了以DSPIC30F3011作为中央处理器的大功率无刷直流电机驱动系统。该系统设计为转矩控制方式,为混合动力客车提供启动、助力和制动转矩,并且在制动时将能量回馈给超级电容。介绍了该大功率无刷直流电机控制系统的构成特点和设计方法,给出了系统框图,并进行了电动和再生制动原理分析,实验结果表明,该驱动系统可以实现对电动转矩控制并且能够回馈能量至超级电容,可以很好地满足混合动力汽车的驱动要求。