離子聚合物-金屬復(fù)合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)作為一種典型的柔性智能材料,在柔性機械領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景,尤其在驅(qū)動仿生機械方面有顯著的優(yōu)勢。實現(xiàn)IPMC驅(qū)動仿生機械的獨立運行和速度可控對于推動其實際應(yīng)用具有重要意義,而現(xiàn)有IPMC驅(qū)動的仿生機械大多是以開環(huán)方式來控制,并未實現(xiàn)速度反饋控制。本文主要以機器魚為例研究IPMC基仿生機械的結(jié)構(gòu)與控制方法,在其獨立運動的前提下實現(xiàn)對其行進(jìn)速度的控制,將MPU6050傳感器安裝機器魚內(nèi)以測量游動速度,設(shè)計反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對機器魚游動速度的精確控制。在Matlab軟件中分別搭建傳統(tǒng)PID和模糊PID控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真,對比仿真結(jié)果表明:模糊PID控制的響應(yīng)時間為0.1秒,明顯小于傳統(tǒng)PID控制的0.6秒。較傳統(tǒng)PID控制,模糊PID控制的最大超調(diào)量降低了64.7%,穩(wěn)態(tài)誤差降低了76.9%。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了控制電路原理圖,制作了機器魚樣機并進(jìn)行游動速度控制實驗,實驗結(jié)果與仿真規(guī)律相符,并表明:較傳統(tǒng)PID控制,模糊PID控制可以更快的達(dá)到預(yù)設(shè)速度并穩(wěn)定游動,且穩(wěn)態(tài)誤差降低了48%�？傮w來說模糊PID控制系統(tǒng)控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)。通過模仿魚類的形態(tài)和運動方式,本文還設(shè)計了胸鰭和尾鰭共同驅(qū)動的機器魚機體結(jié)構(gòu),并基于此設(shè)計了可以輸出3路相互獨立方波電壓信號的控制系統(tǒng)�？刂葡到y(tǒng)主要包括微控制器單元、驅(qū)動信號生成單元、速度測量單元、自動避障單元和電壓轉(zhuǎn)換單元,可以實現(xiàn)機器魚的直線、轉(zhuǎn)向、加速和減速游動,并且搭載了紅外避障傳感器,可以使機器魚在游動的過程中自主避障,具有較高的靈活性。此外,本文又根據(jù)尺蠖和蝴蝶的形態(tài)和運動方式,分別設(shè)計了仿蠕蟲機器人和仿蝴蝶機器人,并進(jìn)行了實驗驗證,均可以實現(xiàn)良好的運動,并給出了一種基于IPMC的步進(jìn)電機設(shè)計方案。本文對于后續(xù)設(shè)計制作結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、功能性更強的柔性機器魚提供了重要的研究基礎(chǔ)和豐富的實驗數(shù)據(jù),也對未來IPMC驅(qū)動的柔性仿生機械的的開發(fā)具有的一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP273;TH165
【部分圖文】：

第一章 緒論在 IPMC 基體膜兩側(cè)表面上鍍上一層惰性金屬電極時，在與基體膜的接觸面上，電極會產(chǎn)生一個微米級別的滲入層，當(dāng)施加電壓時，電極和 IPMC 內(nèi)部固定的陰離子之間產(chǎn)生庫侖力，從而使 IPMC 產(chǎn)生彎曲變形。由于 IPMC 材料能夠被任意裁剪或設(shè)計塑型，其對于制造曲面多自由度驅(qū)動器具有顯著優(yōu)勢。（2）圖 1.1（b）為 IPMC 在壓力下可以輸出電壓信號，體現(xiàn)出該種材料的傳感性能[24]。在機械力作用下，由于質(zhì)量遷移和偏轉(zhuǎn)使得 IPMC 內(nèi)部的電荷分布不平衡，最終在其兩個電極間可以檢測到毫伏級別電勢差。值得注意的是，這種機制類似于生物電信號產(chǎn)生機制，相對于傳統(tǒng)壓電機制，在感測壓力作用方面，具有更好的抗干擾性能，因此具有更大的潛力和優(yōu)勢。利用這個特點，這類材料可以被設(shè)計成多點傳感陣列或者感知涂層結(jié)構(gòu)，用以實現(xiàn)驅(qū)動器的自傳感功能。

Shahinpoor M 研究發(fā)現(xiàn) IPMC 材料的致動性能主要受可移動離子的半徑和所帶電荷數(shù)的影響，并給出了不同陽離子所提供的驅(qū)動力大小的順序為：Li+>>Na+>(K+,Ca2+,Mg2+, Ba2+)>(H+,TBA+,TMA+)[32]。Yongxian Wu 研究浸泡離子濃度對離子交換膜含水量的影響，發(fā)現(xiàn)濃度越高，膜內(nèi)的離子數(shù)量越多，但是含水量將減小[33]。（2） 應(yīng)用探索IPMC 材料憑借其特有的優(yōu)點，在太空探索/軍事探測[34]、生物醫(yī)學(xué)[35]、仿生機械[36]、光學(xué)器件[37]等多種領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景，引起了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行研究。目前，該種材料的實際應(yīng)用探索主要集中在微小型、功耗低、質(zhì)量輕的柔性機械方面，基于 IPMC 材料設(shè)計的緊湊型相機模塊[38]，智能脈搏診斷手套[39]，盲文顯示板[40]等，以及各種柔性仿生機器人以及生物康復(fù)設(shè)備輔件等極具應(yīng)用前景的新設(shè)想和創(chuàng)新構(gòu)型不斷涌現(xiàn)，激發(fā)了越來越多不同學(xué)科研究人員對其進(jìn)行不同角度的探索。圖 1.2 展示了其中一些代表性的研究實例。

2005 年，東京大學(xué)機械與控制工程的 基于 IPMC 材料的線性驅(qū)動器，并利用該驅(qū)在前期研究過程中該團(tuán)隊采用開環(huán)控制系統(tǒng)器人的行走，但是行走過程不穩(wěn)定，后來對于線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）最優(yōu)控制的反時的穩(wěn)定性，但是該反饋控制系統(tǒng)僅僅針對日本的 Kentaro，Masanori Yamamura 等人設(shè)器人[45]，如圖 1.3 所示，該機器人模仿鰩魚IPMC 材料組成，并用聚乙烯薄膜將 8 片 IPM 75mm，寬 45mm。運動時，通過對每片 IP電壓信號，來模仿鰩魚胸鰭的運動。并通過率和幅度與電壓之間的關(guān)系，在鰩魚機器人 材料的輸出電壓來改變游動速度，機器人的

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3 申功p

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