Mechanical modeling of IPMC actuators at large deformations
Date
2008-05-23T06:18:22Z
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Description
The thesis is application-oriented. The thesis focuses on electroactive materials, Ionomeric Polymer-Metal Composites (IPMC) to be more precise. IPMC is approximately 0.2mm thick and is covered with thin metal layers. If voltage (for example 2V) is applied between metal layers, the sheet bends. The IPMC actuator in its simplest form consists solely of one IPMC sheet but IPMC actuator can also consist of an IPMC sheet and a rigid elongation attached on top of it.
A nonlinear, static, mechanical model of IPMC actuator is presented in the thesis. As inertial and drag forces are neglected, the model is best suited for describing slow motions of IPMC actuators. The model describes a situation, where IPMC actuator pushes an object along a circular trajectory. The model defines a relationship between a) distribution of electrically induced bending moment along the sheet, b) the shape of the sheet, c) the position of the object and d) output force. To asses the accuracy of the model, experiments were conducted. The results of the experiments and simulations were compared and it was concluded that the model is correct.
As an advancement of the elongated IPMC sheet a linked manipulator is studied in the thesis. It consists of two rigid links and two IPMC joints. That kind of construction ensures a larger workspace of the tip of the actuator compared to the traditional actuator. It is experimentally proven that compared to a simple IPMC actuator, a linked manipulator can be faster and more accurate.
Doktoritöö on rakendusliku suunitlusega. Uuritud on elektrivoolu toimel painduvat materjali, mida inglise keeles nimetatakse Ionomeric Polymer-Metal Composite (edaspidi IPMC). Välimuselt meenutab IPMC mõlemalt poolt õhukese metallikihiga kaetud plastikust riba, mille paksus on umbes 0,2mm. Metallikihtide vahel elektripinge rakendamisel (näiteks 2V) riba paindub. Lihtne IPMC täitur koosneb vaid IPMC ribast, kuid IPMC täitur võib koosneda ka IPMC tükist ja selle külge kinnitatud jäigast pikendusest.
Antud väitekirjas esitatakse IPMC täituri mittelineaarne, staatiline, mehaaniline mudel. Kuna inertsisaal- ja takistusjõude eiratakse, siis sobib mudel kõige paremini IPMC täituri aeglaste liigutuste modelleerimiseks. Esitatud mudel kirjeldab olukorda, kus IPMC täitur lükkab objekti mööda ringikujulist trajektoori. Mudel seob omavahel a) voolu poolt tekitatud paindemomentide jaotuse pikki riba, b) riba kuju, c) objekti positsiooni ja d) väljundjõu. Mudeli täpsuse hindamiseks on sooritatud eksperimendid. Eksperimendi ja simulatsiooni tulemusi võrreldi omavahel ja jõuti järeldusele, et mudel on korrektne.
Pikendusega IPMC täituri edasiarendusena uuritakse väitekirjas lülimanipulaatorit. See koosneb kahest jäigast lülist ja kahest IPMC materjalist liigendist. Selline konstruktsioon tagab traditsioonilise täituriga võrreldes täituri tipu suurema tööpiirkonna. Katseliselt tõestatakse, et lülimanipulaator võib olla täpsem ja kiirem kui lihtne IPMC täitur.