Electromechanical modelling and control of ionic electroactive polymer actuators

Abstract

Ioonsed elektroaktiivsed polümeerid e. tehislihased on polümeermaterjalid, mille oluline iseärasus on võime muuta elektrienergiat mehhaaniliseks energiaks. Elektroaktiivsetest polümeeridest valmistatud pehmetel täituritel on mitmed huvipakkuvad omadused, näiteks suur deformatsioon madala rakendatud pinge korral, märkimisväärne tekitatud jõu ja massi suhe ning võime töötada nii vesikeskkonnas kui õhus. Niisuguste täiturite kasutamine on paljutõotav eriti just miniatuursetes elusloodusest inspireeritud robootikarakendustes. Näiteks võib tuua aktiivsed mikro-manipulatsioonisüsteemid või isepainduvad pehmed kateetrid, mis on iseäranis nõutud meditsiini-tehnoloogias. Käesoleva väitekirja uurimissfääriks on sellistest materjalidest valmistatud täiturmehhanismide modelleerimine, valmistamine ja juhtimine, päädides sisuliselt ühes tükis valmistatud mitme vabadusastmega paralleelmanipulaatorite väljatöötamisega. Kasutades kompleksset füüsikalistel, elektrokeemilistel ning mehaanilistel alusteadmistel põhinevat mudelit kirjeldatakse ja ennustatakse sellist tüüpi täiturmehhanismide elektrilise sisendi ja mehhaanilise väljundi vahelisi seoseid. Mudel kirjeldab ioonide transpordi dünaamikat elektriväljas, kombineerides Nernst-Plancki ja Poissoni võrrandeid. Mitmekihilise polümeermaterjali mehhaaniline käitumine on seotud laengu- ja massitasakaalu poolt põhjustatud eri kihtide erineva ruumilise paisumisega ja kahanemisega. Kõike seda kokku võttes ning rakendades numbrilist modelleerimist lõplike elementide meetodil saadakse kvantitatiivsed tulemused, mis suudavad prognoosida täiturmehhanismi käitumist ja võimaldavad projekteerida, simuleerida ja optimeerida ka neil täituritel põhinevaid keerulisemaid mehhanisme. Koostatud mudeli valideerimiseks modelleeriti ja valmistati kaks tööpõhimõtteliselt sarnast, kuid erinevatel elektroaktiivsetel polümeermaterjalidel põhinevat ning eri metoodikatel valmistatud mitmest täiturist koosnevat mitme vabadusastmega mikromanipulaatorit. Väitekirjas demonstreeritakse, et koostatud mudel on suure täpsusega võimeline ennustama nii iga individuaalse täituri kui ka mõlema manipulaatori käitumist. Demonstreerimaks piisksadestusprintimismeetodil valmistatud manipulaatori efektiivsust, kirjeldatakse kahte erinevat kontrollrakendust. Esmalt näidatakse tagasisidestamata kontrollitavat seadet, kus pööratakse nelja täituri abil peeglit, suunates laserikiirt X-Y tasapinnas ettemääratud punktidele. Teiseks näidisrakenduseks on tagasisidestatud kontrollmetoodikaga juhitav mikroskoobi preparaadiliigutaja, mille abil saab preparaati nii tõsta-langetada kui ka pöörata. Manipulaatorite valmistamise käigus leiti, et piisksadestusprintimise meetodi täpsus, jõudlus ja skaleeritavus võimaldavad suure tootlikkusega valmistada identseid keerulisi mitmeosalisi manipulaatoreid. See tulemus näitab ilmekalt uue tehnoloogia eeliseid traditsiooniliste valmistamisviiside ees.Ionic electroactive polymers (IEAPs) actuators are kind of smart composite materials that have the ability to convert electrical energy into mechanical energy. The actuators fabricated using IEAP materials will benefit from attractive features such as high compliance, lightweight, large strain, low voltage, biocompatibility, high force to weight ratio, and ability to operate in an aqueous environment as well as in open air. The future of soft robotic actuation system with IEAP actuators is very promising especially in the microdomain for cutting edge applications such as micromanipulation systems, medical devices with higher dexterity, soft catheters with built-in actuation, bio-inspired robotics with better-mimicking properties and active compliant micromechanisms. This dissertation has introduced an effective modelling framework representing the complex electro-chemo-mechanical dynamics that can predict the electromechanical transduction in this kind of actuators. The model describes the ion transport dynamics under electric field by combining the Nernst-Planck and Poisson’s equation and the mechanical response is associated with the volumetric swelling caused by resulting charge and mass balance. The framework of this modelling method to predict the behavior of the actuator enabled to design, simulate and optimize compliant mechanism using IEAP actuators. As a result, a novel parallel manipulator with three degrees of freedom was modelled and fabricated with two different types of electrode materials and is characterized and compared with the simulation model. It is shown that the developed model was able to predict the behavior of the manipulator with a good agreement ensuring the high fidelity of the modelling framework. In the process of the fabrication, it is found that the manipulator fabricated through additive manufacturing method allows to fabricate multipart and intricate patterns with high throughput production capability and also opens the opportunity to print a matrix array of identical actuators over a wide size scale along with improved performance. Finally, to showcase the competence of the printed manipulator two different control application was demonstrated. At first, an open loop four-way optical switch showing the capability of optically triggering four switches in the X-Y plane in an automated sequence is shown followed by closed-loop micromanipulation of an active microscope stage using model predictive control system architecture is shown. The application of the manipulator can be extended to other potential applications such as a zoom lens, a microscope stage, laser steering, autofocusing systems, and micromirror. Overall this dissertation results in modelling, fabrication, and control of ionic electroactive polymer actuators leading to the development of a low cost, monolithic, flat, multi DOF parallel manipulator for micromanipulation application.