基于IPMC蠕变模型的四指手爪控制系统的设计和研究

论文摘要

随着精密加工技术、微驱动器机械系统、医疗技术和航天航空技术的飞速发展,微操作机械手应用越来越越广泛,世界各国均开展了相关研究。一种基于IPMC （Ion-Exchange Polymer Metal Composite,离子交换膜金属复合材料）新型致动器材的人工智能材料输入电压小,而输出位移大,驱动简便,获得了广泛的关注。.然而,IPMC有一种致命的非线性特性,当输入恒定值电压,IPMC的输出位移并不会一直保持在固定值,而会往回偏置,甚至偏置到初始位置。这种非线性特性大大限制IPMC在各领域的应用。本文以研究及分析IPMC的蠕变特性,并建立IPMC蠕变模型为出发点,通过设计四种控制算法（自适应逆控制、经典PID控制、LQR及周期性输出反馈控制）,并对此四种算法进行MATLAB/SIMULINK仿真,比较和总结四种控制算法,得出一种最适合补偿IPMC蠕变特性的控制算法,使IPMC的蠕变特性能有效地得到补偿。控制器的算法是采用DSP （TMS320F2812）得以实现,设计DSP控制器主要利用要DSP的A/D模块与D/A模块,在设计DSP控制器的硬件设计后,再进行软件设计及软件调试,并分析软件调试结果。从调试结果得知,可以证明IPMC的蠕变特性能得到较好的补偿。最后,在设计控制系统后,利用UG设计基于IPMC四指手爪的结构,IPMC四指手爪的结构设计从功能,力学等出发,设计出IPMC四指手爪的二维及三维结构和实物,进而利用IPMC四指手爪完成抓取细胞实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 IPMC国内外研究现状
• 1.2.1 IPMC的应用研究
• 1.2.2 IPMC的控制研究
• 1.2.3 基于IPMC蠕变特性的控制
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 基于IPMC蠕变特性数学模型的建立
• 2.1 IPMC蠕变特性及其产生的原因
• 2.2 基于IPMC蠕变特性的数学建模
• 2.3 蠕变模型的离线辨识
• 2.3.1 加权最小二乘参数估计递推算法
• 2.3.2 基于MATLAB的IPMC蠕变特性离线辨识仿真
• 2.4 IPMC蠕变模型的MATLAB/SIMULINK仿真
• 2.5 本章小节
• 第3章 基于IPMC蠕变模型的控制算法设计
• 3.1 自适应逆控制算法
• 3.1.1 自适应逆控制算法的阐述
• 3.1.2 自适应逆控制器的设计及其仿真
• 3.2 经典PID控制算法
• 3.2.1 经典PID控制算法的阐述
• 3.2.2 经典PID控制器的设计及其仿真
• 3.3 LQR控制算法
• 3.3.1 LQR控制算法的阐述
• 3.3.2 LQR控制器的设计及其仿真
• 3.4 周期性输出反馈控制算法
• 3.4.1 周期性输出反馈控制算法的阐述
• 3.4.2 周期输出反馈控制器设计及其仿真
• 3.5 四种控制器的比较和总结
• 3.6 本章小节
• 第4章 基于DSP的IPMC的蠕变补偿控制器的实现
• 4.1 DSP（TMS320F2812）概述
• 4.2 系统硬件设计
• 4.2.1 系统硬件结构概述
• 4.2.2 复位与晶振电路设计
• 4.2.3 A/D转换和D/A转换电路设计
• 4.2.4 电源模块电路设计
• 4.2.5 比例运算电路设计
• 4.2.6 激光位移传感器
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 系统软件设计概述
• 4.3.2 系统软件设计
• 4.4 软件的调试
• 4.4.1 仿真器和集成开发调试环境IDE
• 4.4.2 软件的调试步骤与结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于IPMC四指手爪的结构设计
• 5.1 四指手爪的基本技术参数确定
• 5.2 材料选择
• 5.3 四指手爪结构的三维设计
• 5.4 基于IPMC四指手爪的操作控制系统设计
• 5.4.1 控制系统的阐述
• 5.4.2 四指手爪的显微操作
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 个人简介
• 附录1: DSP控制器的原理图
• 附录2: DSP控制器PCB布线图
• 附录3: DSP控制器目标板仿真图
• 附录4: DSP控制器目标板实物图