機(jī)器魚的人工肌肉驅(qū)動與控制研究.pdf

1、經(jīng)歷過億萬年的自然選擇進(jìn)化，魚類具備了高效快速的游動能力，其在運動過程中機(jī)動性強、隱蔽性好且對自身周圍環(huán)境影響小。隨著計算機(jī)技術(shù)和生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，仿生學(xué)開始興起，仿生機(jī)器魚的領(lǐng)域隨之得到了廣泛的關(guān)注和研究。機(jī)器魚的推進(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)動器，提出了結(jié)構(gòu)和算法相結(jié)合的控制思路，實現(xiàn)了人工肌肉驅(qū)動器幅度和頻率的精確控制。然后以該人工

2、肌肉驅(qū)動器為驅(qū)動裝置設(shè)計制作了CARA-Ⅰ和CARA-Ⅱ兩款仿鯵科類的BCF游動模式的機(jī)器魚，以CARA-Ⅰ機(jī)器魚為研究對象實驗研究了機(jī)器魚的直線游動和轉(zhuǎn)向特性，以CARA-Ⅱ機(jī)器魚為研究對象研究了機(jī)器魚的系統(tǒng)控制問題。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)設(shè)計了一種新型形狀記憶合金(SMA)人工肌肉驅(qū)動器。通過觀察自然界魚類的運動機(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)為仿生對象設(shè)計制作了人工肌肉驅(qū)動器。同時，設(shè)計制作出兩款用

3、于人工肌肉驅(qū)動器控制的PCB電路板。
　　(2)研究了人工肌肉驅(qū)動器的特性?；隍?qū)動器的力矩平衡方程和Liang-Rogers的SMA本構(gòu)方程，建立了驅(qū)動器自身的彎曲運動模型。實驗分析了驅(qū)動器的彎曲幅度特性，同時實驗研究了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)加熱策略對驅(qū)動器的彎曲角進(jìn)行中間態(tài)控制。另外，實驗分析了驅(qū)動器的響應(yīng)頻率和末端輸出力。針對SMA熱積累對驅(qū)動器特性帶來的影響，通過COMSOL熱力學(xué)仿真和

4、驅(qū)動器幅度彎曲比實驗對比確定了驅(qū)動器的控制策略。
　　(3)設(shè)計完成了兩款機(jī)器魚系統(tǒng)。調(diào)研確定了機(jī)器魚的仿生學(xué)對象—鯵科類，設(shè)計制作出第一代機(jī)器魚CARA-Ⅰ，該機(jī)器魚全長280mm，總重量210g，主要依靠其后1/3的柔軟魚體擺動實現(xiàn)推進(jìn)。并在CARA-Ⅰ機(jī)器魚的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計出新款機(jī)器魚CARA-Ⅱ，并完成了該機(jī)器魚電控系統(tǒng)的設(shè)計以及各傳感器的選型。該機(jī)器魚的全長為340mm，重量376g，電源及電控系統(tǒng)全部集成到了魚體內(nèi)部

5、。
　　(4)研究了機(jī)器魚的運動控制和游動行為。以CARA-Ⅰ機(jī)器魚為研究對象，研究了機(jī)器魚魚尾擺動幅度和擺動頻率對機(jī)器魚游速的影響。針對高頻率下SMA熱積累問題帶來的影響，提出了一種輪循自反饋加熱控制策略，并實驗分析了輪循自反饋加熱控制策略的優(yōu)勢。從理論上計算比較了兩種控制策略下機(jī)器魚的速度功耗比。然后，根據(jù)驅(qū)動器每側(cè)有四組獨立SMA輸出通道的特點，提出10種可實現(xiàn)機(jī)器魚轉(zhuǎn)向的加熱組合方式，實驗驗證了這10種組合方式的可行性。最