機器魚的人工肌肉驅動與控制研究.pdf

1、經(jīng)歷過億萬年的自然選擇進化，魚類具備了高效快速的游動能力，其在運動過程中機動性強、隱蔽性好且對自身周圍環(huán)境影響小。隨著計算機技術和生物學技術的快速發(fā)展，仿生學開始興起，仿生機器魚的領域隨之得到了廣泛的關注和研究。機器魚的推進模式主要分為身體/尾鰭(BCF)推進模式和中間鰭/對鰭(MPF)推進模式兩種。本文研制了一款基于形狀記憶合金絲的人工肌肉驅動器，提出了結構和算法相結合的控制思路，實現(xiàn)了人工肌肉驅動器幅度和頻率的精確控制。然后以該人工

2、肌肉驅動器為驅動裝置設計制作了CARA-Ⅰ和CARA-Ⅱ兩款仿鯵科類的BCF游動模式的機器魚，以CARA-Ⅰ機器魚為研究對象實驗研究了機器魚的直線游動和轉向特性，以CARA-Ⅱ機器魚為研究對象研究了機器魚的系統(tǒng)控制問題。主要研究內容如下:
　　(1)設計了一種新型形狀記憶合金(SMA)人工肌肉驅動器。通過觀察自然界魚類的運動機制，提出了肌肉-骨骼-脊柱的仿生學結構，以該結構為仿生對象設計制作了人工肌肉驅動器。同時，設計制作出兩款用

3、于人工肌肉驅動器控制的PCB電路板。
　　(2)研究了人工肌肉驅動器的特性。基于驅動器的力矩平衡方程和Liang-Rogers的SMA本構方程，建立了驅動器自身的彎曲運動模型。實驗分析了驅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)律提出了自適應加熱策略對驅動器的彎曲角進行中間態(tài)控制。另外，實驗分析了驅動器的響應頻率和末端輸出力。針對SMA熱積累對驅動器特性帶來的影響，通過COMSOL熱力學仿真和

4、驅動器幅度彎曲比實驗對比確定了驅動器的控制策略。
　　(3)設計完成了兩款機器魚系統(tǒng)。調研確定了機器魚的仿生學對象—鯵科類，設計制作出第一代機器魚CARA-Ⅰ，該機器魚全長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。并在CARA-Ⅰ機器魚的基礎上，改進設計出新款機器魚CARA-Ⅱ，并完成了該機器魚電控系統(tǒng)的設計以及各傳感器的選型。該機器魚的全長為340mm，重量376g，電源及電控系統(tǒng)全部集成到了魚體內部

5、。
　　(4)研究了機器魚的運動控制和游動行為。以CARA-Ⅰ機器魚為研究對象，研究了機器魚魚尾擺動幅度和擺動頻率對機器魚游速的影響。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器魚的速度功耗比。然后，根據(jù)驅動器每側有四組獨立SMA輸出通道的特點，提出10種可實現(xiàn)機器魚轉向的加熱組合方式，實驗驗證了這10種組合方式的可行性。最