机器鱼的人工肌肉驱动与控制研究

摘要

经历过亿万年的自然选择进化，鱼类具备了高效快速的游动能力，其在运动过程中机动性强、隐蔽性好且对自身周围环境影响小。随着计算机技术和生物学技术的快速发展，仿生学开始兴起，仿生机器鱼的领域随之得到了广泛的关注和研究。机器鱼的推进模式主要分为身体/尾鳍(BCF)推进模式和中间鳍/对鳍(MPF)推进模式两种。本文研制了一款基于形状记忆合金丝的人工肌肉驱动器，提出了结构和算法相结合的控制思路，实现了人工肌肉驱动器幅度和频率的精确控制。然后以该人工肌肉驱动器为驱动装置设计制作了CARA-Ⅰ和CARA-Ⅱ两款仿鯵科类的BCF游动模式的机器鱼，以CARA-Ⅰ机器鱼为研究对象实验研究了机器鱼的直线游动和转向特性，以CARA-Ⅱ机器鱼为研究对象研究了机器鱼的系统控制问题。主要研究内容如下:
　　(1)设计了一种新型形状记忆合金(SMA)人工肌肉驱动器。通过观察自然界鱼类的运动机制，提出了肌肉-骨骼-脊柱的仿生学结构，以该结构为仿生对象设计制作了人工肌肉驱动器。同时，设计制作出两款用于人工肌肉驱动器控制的PCB电路板。
　　(2)研究了人工肌肉驱动器的特性。基于驱动器的力矩平衡方程和Liang-Rogers的SMA本构方程，建立了驱动器自身的弯曲运动模型。实验分析了驱动器的弯曲幅度特性，同时实验研究了SMA的电阻变化特性，并基于得出的电阻变化规律提出了自适应加热策略对驱动器的弯曲角进行中间态控制。另外，实验分析了驱动器的响应频率和末端输出力。针对SMA热积累对驱动器特性带来的影响，通过COMSOL热力学仿真和驱动器幅度弯曲比实验对比确定了驱动器的控制策略。
　　(3)设计完成了两款机器鱼系统。调研确定了机器鱼的仿生学对象—鯵科类，设计制作出第一代机器鱼CARA-Ⅰ，该机器鱼全长280mm，总重量210g，主要依靠其后1/3的柔软鱼体摆动实现推进。并在CARA-Ⅰ机器鱼的基础上，改进设计出新款机器鱼CARA-Ⅱ，并完成了该机器鱼电控系统的设计以及各传感器的选型。该机器鱼的全长为340mm，重量376g，电源及电控系统全部集成到了鱼体内部。
　　(4)研究了机器鱼的运动控制和游动行为。以CARA-Ⅰ机器鱼为研究对象，研究了机器鱼鱼尾摆动幅度和摆动频率对机器鱼游速的影响。针对高频率下SMA热积累问题带来的影响，提出了一种轮循自反馈加热控制策略，并实验分析了轮循自反馈加热控制策略的优势。从理论上计算比较了两种控制策略下机器鱼的速度功耗比。然后，根据驱动器每侧有四组独立SMA输出通道的特点，提出10种可实现机器鱼转向的加热组合方式，实验验证了这10种组合方式的可行性。最后，以CARA-Ⅱ机器鱼为研究对象，介绍了其手动控制方式以及用9轴姿态传感器结合四元数方法实现机器鱼在运动过程中的姿态解算。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 机器鱼研究现状

1．2．1 电机驱动

1．2．2 液气压驱动

1．2．3 智能材料驱动

1．2．4 不同驱动方式机器鱼性能对比

1．3 SMA人工肌肉驱动器控制策略研究现状

1．4 论文研究内容和章节安排

第二章 SMA人工肌肉驱动器系统设计

2．3 人工肌肉驱动器结构设计与制作

2．3．2 人工肌肉驱动器制作流程

2．3．3 驱动器各种材料的属性

2．4 人工肌肉驱动器控制电路设计及元器件选型

2．4．1 控制电路原理图设计

2．4．2 电子元器件选型

2．4．3 PCB电路板改进

2．5 本章小结

第三章 人工肌肉驱动器的建模与实验分析

3．2 人工肌肉驱动器弯曲运动建模和实验

3．3 人工肌肉驱动器电阻特性分析

3．4 人工肌肉驱动器热力学建模

3．5 本章小结

第四章 仿生机器鱼系统设计

4．2 鱼类游动机理

4．3 CARA-Ⅰ机器鱼系统设计

4．3．2 CARA-Ⅰ机器鱼结构设计及制作流程

4．4 CARA-Ⅱ机器鱼系统设计

4．4．2 CARA-Ⅱ机器鱼电控系统设计

4．4．3 CARA-Ⅱ机器鱼制作流程

4．5 本章小结

第五章 机器鱼的运动控制和游动行为研究

5．2 CARA-Ⅰ机器鱼实验准备

5．3 CARA-Ⅰ机器鱼直游行为研究

5．3．1 机器鱼摆幅与游速关系研究

5．3．2 机器鱼游动频率与游速关系研究

5．4 CARA-Ⅰ机器鱼轮循加热策略研究

5．5 CARA-Ⅰ机器鱼的雷诺数

5．6 CARA-Ⅰ机器鱼转向运动研究

5．7 CARA-Ⅱ机器鱼的电控系统研究

5．8 本章小结

第六章 结论与展望

6．2 未来工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与参与的研究项目

致谢