Ipmc人工肌肉材料性能測試裝置的製作方法
2023-05-18 09:20:01 1
專利名稱：Ipmc人工肌肉材料性能測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種分析及測量控制技術，具體地說涉及IPMC離子聚合物人工肌肉 材料的力和位移測試裝置和測試方法。
背景技術：
IPMCdonic polymer-metal composites，離子交換膜金屬複合物)是一種離子型 EAP電致動聚合物，其致動性能非常類似於生物肌肉，故稱其為「人工肌肉」。IPMC材料質地 比較柔軟，有彈性，較小的驅動電壓即可產生較大的變形，可在潮溼環境下工作，而且生物 相容性佳，可製成細長條狀等，它是一種適合於開發仿生機器人的材料，極具發展潛力。限 制其開發應用的主要是兩個不足，一是輸出力較小，二是對水環境或是潮溼環境的依賴。今 年來的大量研究主要集中在這兩方面，以便進一步提高IPMC的性能和工業應用的可能性。力輸出和形變位移是衡量IPMC性能的兩個重要指標，目前國內外所用於IPMC位 移的測試可以分為三種(1)將IPMC置於有刻度的標尺前，拍攝IPMC的變形過程，通過帶刻度的標尺讀出 IPMC的形變位移。該方法可以獲知IPMC的形變位移，但是精度不高，處理數據工作量大。 (Joao Barramba,Joao Silva,P. J. Costa Branco,Evaluation of dielectric gelcoating for encapsulation of ionic polymer-metal composite (IPMC) actuators, Sensors and ActuatorsA 140(2007)232-238)(2)用攝像機拍攝IPMC變形過程，在計算機中通過軟體，計算IPMC形變前後的位 移差值。該方法可以準確獲知IPMC形變前後的位移，但是處理數據工作量大，人工識別特 徵點，操作亦繁瑣(唐華平，姜永正，唐運軍等，人工肌肉IPMC電致動響應特性及其模型，中 南大學學報(自然科學版)，2009，40(1) :153-158)。(3)用雷射位移傳感器實時測量IPMC的位移，計算機自動採集處理數據。該方法 可以實時測量IPMC試樣某一點的形變，操作和數據處理快捷方便。該方法適合位移量不太 大的情況。(江宇，馮志華，賀競，離子金屬聚合物複合材料調節器的動態特性，武漢理工大 學學報，2007，29 (2) 5-7)國內外IPMC的輸出力測試方法主要有以下兩種(1)直接法力傳感器直接接觸IPMC，從而直接從力傳感器系統軟體得到IPMC的 輸出力。該方法可以實時測量IPMC的頂端輸出力，數據處理方便，但是小量程的力傳感器 一般價格比較昂貴且容易損壞，信號採集系統搭建也比較複雜(Soon-Gie Lee,Hoon-Cheol Park, Surya D. Pandita, et al. Performance Improvement of IPMC(IonicPolymer Metal Composites)for a Flapping Actuator. 2006,4(6) :748_755)。(2)間接法將質量塊懸掛於IPMC上，使得IPMC頂端形變為O的質量塊的 重量為IPMC的輸出力。或者通過在電子天平等稱量設備上讀取質量塊重量的變化 從而得到IPMC的輸出力。該方法簡單易行，但是數據處理比較麻煩。(P.Brimetto， L Fortuna，P. Giannone, S.Graziani, et al. A resonant vibrating tactile probe forbiomedicalapplications based on IPMC, IEEE Sensor Journal,2008,8(8). 151-157)當前對於IPMC的力和位移測試系統都是零散拼湊在一起的，不是一個有機的整 體，而且不能在同時滿足離水和在水兩種環境中進行的性能測試，操作起來十分不方便，因 此亟待需要一套整合的裝置，既能測試IPMC力學性能和位移輸出，又能滿足大氣環境和水 環境測試的要求
發明內容
針對以上的技術背景，本發明研製了一套有機整合的裝置測試裝置，實現IPMC在 水環境下和離水環境中力和位移性能的測試。一種IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，其特徵在於包括系統基架、安裝於系統 基架上的位置調整裝置、安裝於位置調整裝置上的試樣夾裝裝置，還包括用於測試IPMC頂 端輸出力的力傳感器，和用於測試IPMC位移的位移傳感器，還包括信號發生器和數據採集 處理模塊。上述系統基架包括用於安裝力傳感器的頂板和設置有力傳感器保護槽的支撐板， 頂板設有滑道，所述力傳感器通過滑塊安裝於滑道內，不使用時可將力傳感器沿滑道推至 支撐板的力傳感器保護槽中，以免意外損壞，該支撐板設置有可拆卸的力傳感器保護板。上述試樣夾裝裝置夾持端包括兩片用於夾持試樣的電極，且電極與信號發生器相 連。上述試樣夾裝裝置具體結構為包括夾持基座、夾持基板、固定於夾持基板的固定 夾頭和可移動的移動夾頭，夾頭和電極之間設有絕緣層，移動夾頭固定於連接杆一端，連接 杆上套裝彈簧並穿過夾持基座的通孔安裝，連接杆位於夾持基座外側一端安裝有調節移動 夾頭夾持或打開的凸輪手柄。上述凸輪手柄的凸輪輪廓包含用於打開移動夾頭的圓弧段輪廓和防止電極短路 的平臺輪廓。通過彈簧保持電極夾頭處於常閉狀態夾緊試樣，轉動凸輪手柄使夾頭打開，通 過凸輪平臺的設計使電極處於分離狀態，防止短路。上述系統基架位於試樣夾裝裝置下方具有可拆卸的活動底板。將活動底板抽出， 將玻璃水容器放入，實現水中測試。通過活動底板的設計，不需移動力傳感器，即可將力傳 感器端部和試樣置於水容器中測試。利用本發明的IPMC測試裝置，可以直接對不同IPMC試樣的力輸出和位移輸出性 能進行測定。操作簡單，使用方便。
圖1為本發明的IPMC性能測試裝置組成圖。圖2為基架構造圖。其中圖2-1為主視圖，圖2-2為俯視圖。圖3為試樣夾裝裝置圖(工作狀態，凸輪手柄處於夾緊位置)。圖4為試樣夾裝裝置圖(非工作狀態，凸輪手柄處於打開位置)。圖中標號名稱1為雷射位移傳感器，2為力傳感器，3為夾裝裝置，4為移動裝置， 5為墊腳，6為活動底板，7為玻璃容器，8為IPMC試樣，9為系統基架，10為信號發生器，11 為數據採集處理模塊，12為雷射位移傳感器支撐架，13為底板，14為支撐板，15為頂板，16為移動裝置支撐架，17為固定夾頭，18為絕緣層，19為金屬電極，20為移動夾頭，21為連接 杆，22為彈簧，23為夾持基板，24為夾持基座，25為凸輪手柄。具體實施方法下面結合附圖對本發明作進一步說明。圖1中，位移傳感器1、力傳感器2、夾裝裝置3和位置調整裝置4固定於系統基架 9(圖2)上。將條狀IPMC人工肌肉試樣8夾裝於電極19之間，通過撥動凸輪手柄25夾緊 或打開電極夾頭(圖3和圖4)。力測試時，將力傳感器保護板(螺栓聯接於支撐板14前 側)取下，將力傳感器推至工作位置，通過調整裝置4使試樣端部與力傳感器2的探頭接 觸。位移測試時，將力傳感器沿頂板15的滑道推至基架支撐板14的「L」形槽中，對力傳感 器實施保護，通過調整裝置4調節IPMC試樣和雷射位移傳感器1之間的距離。由信號發生 器通過夾裝裝置上的電極19對IPMC試樣施加電信號，力輸出和位移輸出信號由數據採集 處理模塊進行採集並通過計算機進行處理。水中測試時，將活動底板6抽出，將玻璃容器7 放入後，再重新安裝活動底板，不需移動力傳感器，即可將力傳感器和試樣置於水容器中測 試，實現水中測試。本發明的力傳感器2可以為高精度小型二維力傳感器，位移傳感器1可以為雷射位移傳感器。同時還可用攝像機拍攝IPMC相對刻度標尺的形變。採用力傳感器直接測量 IPMC的頂端輸出力。信號發生及數據採集處理模塊用於產生電壓激勵信號，並將傳感器輸 出的模擬信號轉化為數位訊號，再將數據信號傳輸至計算機進行處理和分析；IPMC試樣夾 裝裝置用於方便穩固地固定IPMC試樣的一端；調整裝置通過齒輪齒條機構和蝸輪蝸杆機 構可對試樣位置可進行上下左右前後6個方向的調整；支架模塊用於將力傳感器、位移傳 感器、夾裝裝置和調整裝置進行固定，通過活動底板的設計，不需移動力傳感器，即可將力 傳感器和試樣置於水容器中測試。在不使用力測試時，可對力傳感器進行保護。
權利要求
一種IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，其特徵在於包括系統基架、安裝於系統基架上的位置調整裝置(4)、安裝於位置調整裝置(4)上的試樣夾裝裝置(3)，還包括用於測試IPMC頂端輸出力的力傳感器(2)，和用於測試IPMC位移的位移傳感器(1)，還包括信號發生器(10)和數據採集處理模塊(11)。
2.根據權利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，其特徵在於上述系統基架包括用於安裝力傳感器(2)的頂板(15)和設置有力傳感器保護槽的支 撐板(14)，頂板(15)設有滑道，所述力傳感器(2)通過滑塊安裝於滑道內，沿滑道可將力傳 感器(2)推至支撐板(14)的力傳感器保護槽中，且該支撐板設置有可拆卸的力傳感器保護 板。
3.根據權利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，其特徵在於上述試樣夾裝裝置(3)夾持端包括兩片用於夾持試樣的電極(19)，且電極與信號發生 器(10)相連。
4.根據權利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，其特徵在於上述試樣夾裝裝置(3)具體結構為包括夾持基座(24)、夾持基板(23)、固定於夾持基 板(23)上的固定夾頭(17)和可移動的移動夾頭(20)，夾頭和電極之間設有絕緣層(18)， 移動夾頭(20)固定於連接杆(21) —端，連接杆上套裝彈簧(22)並穿過夾持基座(23)的 通孔安裝，連接杆位於夾持基座外側一端安裝有調節移動夾頭(20)夾持或打開的凸輪手 柄(25)。
5.根據權利要求4所述的IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，其特徵在於上述凸輪手柄(25)的凸輪輪廓包含用於打開移動夾頭(20)的圓弧段輪廓和防止電極 (19)短路的平臺輪廓。
6.根據權利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，其特徵在於上述系統基 架位於試樣夾裝裝置(3)下方具有可拆卸的活動底板(6)。
全文摘要
一種IPMC人工肌肉材料性能測試裝置，本發明屬於一種分析及測量控制技術。其特徵在於包括系統基架、安裝於系統基架上的位置調整裝置(4)、安裝於位置調整裝置(4)上的試樣夾裝裝置(3)，還包括用於測試IPMC頂端輸出力的力傳感器(2)，和用於測試IPMC位移的位移傳感器(1)，還包括信號發生器(10)和數據採集模塊(11)。該裝置能夠實現IPMC在水環境下和離水環境中力和位移性能的測試。
文檔編號G01L1/00GK101813533SQ201010133208
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者丁海濤, 于敏, 何青松, 張昊, 戴振東, 郭東傑 申請人:南京航空航天大學