基于离子聚合物—金属复合材料的柔性仿生机械结构及其控制系统研究

发布时间：2020-08-29 07:27

　　离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)作为一种典型的柔性智能材料,在柔性机械领域展现出了巨大的应用前景,尤其在驱动仿生机械方面有显著的优势。实现IPMC驱动仿生机械的独立运行和速度可控对于推动其实际应用具有重要意义,而现有IPMC驱动的仿生机械大多是以开环方式来控制,并未实现速度反馈控制。本文主要以机器鱼为例研究IPMC基仿生机械的结构与控制方法,在其独立运动的前提下实现对其行进速度的控制,将MPU6050传感器安装机器鱼内以测量游动速度,设计反馈控制系统实现了对机器鱼游动速度的精确控制。在Matlab软件中分别搭建传统PID和模糊PID控制系统并进行仿真,对比仿真结果表明:模糊PID控制的响应时间为0.1秒,明显小于传统PID控制的0.6秒。较传统PID控制,模糊PID控制的最大超调量降低了64.7%,稳态误差降低了76.9%。在此基础上,设计了控制电路原理图,制作了机器鱼样机并进行游动速度控制实验,实验结果与仿真规律相符,并表明:较传统PID控制,模糊PID控制可以更快的达到预设速度并稳定游动,且稳态误差降低了48%。总体来说模糊PID控制系统控制效果明显优于传统PID控制系统。通过模仿鱼类的形态和运动方式,本文还设计了胸鳍和尾鳍共同驱动的机器鱼机体结构,并基于此设计了可以输出3路相互独立方波电压信号的控制系统。控制系统主要包括微控制器单元、驱动信号生成单元、速度测量单元、自动避障单元和电压转换单元,可以实现机器鱼的直线、转向、加速和减速游动,并且搭载了红外避障传感器,可以使机器鱼在游动的过程中自主避障,具有较高的灵活性。此外,本文又根据尺蠖和蝴蝶的形态和运动方式,分别设计了仿蠕虫机器人和仿蝴蝶机器人,并进行了实验验证,均可以实现良好的运动,并给出了一种基于IPMC的步进电机设计方案。本文对于后续设计制作结构更为复杂、功能性更强的柔性机器鱼提供了重要的研究基础和丰富的实验数据,也对未来IPMC驱动的柔性仿生机械的的开发具有的一定的指导意义。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP273;TH165
【部分图文】：

电荷分布,传感性能,功能特性,性能

第一章绪论在 IPMC 基体膜两侧表面上镀上一层惰性金属电极时，在与基体膜的接触面上，电极会产生一个微米级别的渗入层，当施加电压时，电极和 IPMC 内部固定的阴离子之间产生库仑力，从而使 IPMC 产生弯曲变形。由于 IPMC 材料能够被任意裁剪或设计塑型，其对于制造曲面多自由度驱动器具有显著优势。（2）图 1.1（b）为 IPMC 在压力下可以输出电压信号，体现出该种材料的传感性能[24]。在机械力作用下，由于质量迁移和偏转使得 IPMC 内部的电荷分布不平衡，最终在其两个电极间可以检测到毫伏级别电势差。值得注意的是，这种机制类似于生物电信号产生机制，相对于传统压电机制，在感测压力作用方面，具有更好的抗干扰性能，因此具有更大的潜力和优势。利用这个特点，这类材料可以被设计成多点传感阵列或者感知涂层结构，用以实现驱动器的自传感功能。

模块图,紧凑型,相机,实际应用

Shahinpoor M 研究发现 IPMC 材料的致动性能主要受可移动离子的半径和所带电荷数的影响，并给出了不同阳离子所提供的驱动力大小的顺序为：Li+>>Na+>(K+,Ca2+,Mg2+, Ba2+)>(H+,TBA+,TMA+)[32]。Yongxian Wu 研究浸泡离子浓度对离子交换膜含水量的影响，发现浓度越高，膜内的离子数量越多，但是含水量将减小[33]。（2）应用探索IPMC 材料凭借其特有的优点，在太空探索/军事探测[34]、生物医学[35]、仿生机械[36]、光学器件[37]等多种领域展现了广泛的应用前景，引起了越来越多的国内外学者对其进行研究。目前，该种材料的实际应用探索主要集中在微小型、功耗低、质量轻的柔性机械方面，基于 IPMC 材料设计的紧凑型相机模块[38]，智能脉搏诊断手套[39]，盲文显示板[40]等，以及各种柔性仿生机器人以及生物康复设备辅件等极具应用前景的新设想和创新构型不断涌现，激发了越来越多不同学科研究人员对其进行不同角度的探索。图 1.2 展示了其中一些代表性的研究实例。

鳐鱼,理化研究所,中心设计,控制研究

2005 年，东京大学机械与控制工程的基于 IPMC 材料的线性驱动器，并利用该驱在前期研究过程中该团队采用开环控制系统器人的行走，但是行走过程不稳定，后来对于线性二次型调节器（LQR）最优控制的反时的稳定性，但是该反馈控制系统仅仅针对日本的 Kentaro，Masanori Yamamura 等人设器人[45]，如图 1.3 所示，该机器人模仿鳐鱼IPMC 材料组成，并用聚乙烯薄膜将 8 片 IPM 75mm，宽 45mm。运动时，通过对每片 IP电压信号，来模仿鳐鱼胸鳍的运动。并通过率和幅度与电压之间的关系，在鳐鱼机器人材料的输出电压来改变游动速度，机器人的

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