機(jī)器魚(yú)的人工肌肉驅(qū)動(dòng)與控制研究.pdf

1、經(jīng)歷過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇進(jìn)化，魚(yú)類具備了高效快速的游動(dòng)能力，其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性好且對(duì)自身周圍環(huán)境影響小。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，仿生學(xué)開(kāi)始興起，仿生機(jī)器魚(yú)的領(lǐng)域隨之得到了廣泛的關(guān)注和研究。機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)模式主要分為身體/尾鰭(BCF)推進(jìn)模式和中間鰭/對(duì)鰭(MPF)推進(jìn)模式兩種。本文研制了一款基于形狀記憶合金絲的人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，提出了結(jié)構(gòu)和算法相結(jié)合的控制思路，實(shí)現(xiàn)了人工肌肉驅(qū)動(dòng)器幅度和頻率的精確控制。然后以該人工

2、肌肉驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)制作了CARA-Ⅰ和CARA-Ⅱ兩款仿鯵科類的BCF游動(dòng)模式的機(jī)器魚(yú)，以CARA-Ⅰ機(jī)器魚(yú)為研究對(duì)象實(shí)驗(yàn)研究了機(jī)器魚(yú)的直線游動(dòng)和轉(zhuǎn)向特性，以CARA-Ⅱ機(jī)器魚(yú)為研究對(duì)象研究了機(jī)器魚(yú)的系統(tǒng)控制問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)設(shè)計(jì)了一種新型形狀記憶合金(SMA)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)觀察自然界魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，提出了肌肉-骨骼-脊柱的仿生學(xué)結(jié)構(gòu)，以該結(jié)構(gòu)為仿生對(duì)象設(shè)計(jì)制作了人工肌肉驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，設(shè)計(jì)制作出兩款用

3、于人工肌肉驅(qū)動(dòng)器控制的PCB電路板。
　　(2)研究了人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的特性?；隍?qū)動(dòng)器的力矩平衡方程和Liang-Rogers的SMA本構(gòu)方程，建立了驅(qū)動(dòng)器自身的彎曲運(yùn)動(dòng)模型。實(shí)驗(yàn)分析了驅(qū)動(dòng)器的彎曲幅度特性，同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了SMA的電阻變化特性，并基于得出的電阻變化規(guī)律提出了自適應(yīng)加熱策略對(duì)驅(qū)動(dòng)器的彎曲角進(jìn)行中間態(tài)控制。另外，實(shí)驗(yàn)分析了驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)頻率和末端輸出力。針對(duì)SMA熱積累對(duì)驅(qū)動(dòng)器特性帶來(lái)的影響，通過(guò)COMSOL熱力學(xué)仿真和

4、驅(qū)動(dòng)器幅度彎曲比實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定了驅(qū)動(dòng)器的控制策略。
　　(3)設(shè)計(jì)完成了兩款機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)。調(diào)研確定了機(jī)器魚(yú)的仿生學(xué)對(duì)象—鯵科類，設(shè)計(jì)制作出第一代機(jī)器魚(yú)CARA-Ⅰ，該機(jī)器魚(yú)全長(zhǎng)280mm，總重量210g，主要依靠其后1/3的柔軟魚(yú)體擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。并在CARA-Ⅰ機(jī)器魚(yú)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)出新款機(jī)器魚(yú)CARA-Ⅱ，并完成了該機(jī)器魚(yú)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及各傳感器的選型。該機(jī)器魚(yú)的全長(zhǎng)為340mm，重量376g，電源及電控系統(tǒng)全部集成到了魚(yú)體內(nèi)部

5、。
　　(4)研究了機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制和游動(dòng)行為。以CARA-Ⅰ機(jī)器魚(yú)為研究對(duì)象，研究了機(jī)器魚(yú)魚(yú)尾擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率對(duì)機(jī)器魚(yú)游速的影響。針對(duì)高頻率下SMA熱積累問(wèn)題帶來(lái)的影響，提出了一種輪循自反饋加熱控制策略，并實(shí)驗(yàn)分析了輪循自反饋加熱控制策略的優(yōu)勢(shì)。從理論上計(jì)算比較了兩種控制策略下機(jī)器魚(yú)的速度功耗比。然后，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器每側(cè)有四組獨(dú)立SMA輸出通道的特點(diǎn)，提出10種可實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)轉(zhuǎn)向的加熱組合方式，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這10種組合方式的可行性。最