基于IPMC一体化手爪系统的设计与开发

论文摘要

IPMC （Ion-Exchange Polymer Metal Composite,离子交换膜金属复合材料）是一种新型的人工智能材料。它具有质轻、柔韧性强、可切割成任意大小和形状,施加较低的电压可产生较大的位移等特性。相反地,给它一个位移载荷它能产生微弱的感知电压。然而,研究中发现IPMC在实际应用中有两大缺陷：静态感知和蠕变特性,这种两种缺陷大大限制了IPMC在各领域的应用。因此,对IPMC静态感知和蠕变特性的研究在微力控制、生物医学等领域具有重大的意义。本文以分析IPMC的感知特性为出发点,建立了IPMC传感器逆模型,同时又设计了基于LabVIEW逆模型运算系统,开发了一套完整的传感实验平台,用于检测IPMC的静态感知信号。同时,利用LabVIEW逆模型运算系统制作了基于IPMC的力传感器,并利用Matlab对实验数据进行拟合,拟合出了IPMC末端位移与感知电压的关系,又运用建立的感知力学模型求出了力传感器的力传递方程,得到了IPMC力传感器的感知电压与力的关系式,并对其进行了验证。最后得出了IPMC力传感器的性能指标。本文又探讨了IPMC驱动器的蠕变特性成因,介绍了两种常见的蠕变模型,根据其特点选择了适合IPMC驱动器的蠕变模型,并利用离线辨识的方法建立了IPMC驱动器的蠕变模型。同时,设计PID控制算法来实现对驱动器蠕变特性的补偿控制,并进行了Matlab控制算法仿真。从仿真结果来看,IPMC驱动器的蠕变特性可以得到较好的补偿。最后,本文根据力的传递特性,分析了抓取物体时所需要完成的动作,利用IPMC传感器和驱动器设计了IPMC一体化手爪,手爪分成三部分：驱动器、感知器以及夹持器,实现了手爪感知驱动一体化的功能。从实际应用的角度出发,利用LabVIEW、电荷放大器以及功率放大电路完整地搭建了一体化手爪系统,并利用手爪系统完成了抓取细胞实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 IPMC一体化系统的应用研究
• 1.2.3 仿生手爪的应用研究
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 IPMC悬臂梁弯曲力学模型的建立
• 2.1 IPMC材料性能
• 2.1.1 驱动机理
• 2.1.2 感知机理
• 2.2 悬臂梁的挠曲线微分方程
• 2.2.1 小变形的挠曲线近似微分方程
• 2.2.2 大变形的挠曲线近似微分方程
• 2.3 IPMC力学特性建模
• 2.3.1 驱动力学模型
• 2.3.2 感知力学模型
• 第3章 IPMC力传感器的设计
• 3.1 IPMC感知性能研究
• 3.2 基于模拟积分电路的力传感器系统
• 3.3 基于LabVIEW的力传感器系统
• 3.3.1 LabVIEW简介
• 3.3.2 采集卡选择
• 3.3.3 IPMC传感器逆模型建立
• 3.3.4 LabVIEW逆模型运算系统的搭建
• 3.4 IPMC静态力传感器的实现
• 3.5 IPMC力传感器性能指标
• 第4章 IPMC驱动器蠕变模型的补偿控制
• 4.1 IPMC驱动器蠕变特性的建模
• 4.2 驱动器蠕变模型的离线辨识
• 4.2.1 加权最小二乘参数估计递推算法
• 4.2.2 基于MATLAB的IPMC蠕变特性离线辨识仿真
• 4.3 IPMC驱动器的PID控制系统
• 4.3.1 控制系统的阐述
• 4.3.2 PID控制器的设计及仿真
• 第5章 PMC一体化手爪系统的实现
• 5.1 一体化手爪的结构设计
• 5.2 一体化手爪系统的实现
• 5.2.1 基于LabVIEW的手爪控制系统
• 5.2.2 功率放大器
• 5.3 实验
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介