ICPF智能材料驅(qū)動(dòng)的仿生微型機(jī)器魚(yú)的研究.pdf

1、仿生微型機(jī)器魚(yú)作為仿生機(jī)器魚(yú)的一種，有著大型機(jī)器魚(yú)不可替代的作用。ICPF(Ionic Conducting Polymer Film離子導(dǎo)電聚合物薄膜)材料的驅(qū)動(dòng)電壓低、具有較高的驅(qū)動(dòng)效率，在交變電壓作用下，會(huì)產(chǎn)生類似于魚(yú)類尾部的左右擺動(dòng)，適于用于微型機(jī)器魚(yú)的尾鰭驅(qū)動(dòng)，而且ICPF重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化?；贗CPF驅(qū)動(dòng)的微型仿生機(jī)器魚(yú)可由3V低電壓驅(qū)動(dòng)，具有體積小、重量輕、常規(guī)探測(cè)儀器難以探測(cè)到的優(yōu)點(diǎn)。這是其他非馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器所不

2、能比擬的。目前ICPF作為仿生魚(yú)驅(qū)動(dòng)器方面的力學(xué)特性、電特性以及控制模型的研究還不完善，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括兩大部分：第一部分是ICPF的基礎(chǔ)研究和面向控制的ICPF驅(qū)動(dòng)模型的研究，第二部分是ICPF驅(qū)動(dòng)的仿生微型機(jī)器魚(yú)的研究和微型機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)模型與效率研究。
　　 首先，論文在ICPF的基礎(chǔ)研究中對(duì)ICPF的形態(tài)特征、驅(qū)動(dòng)特性和傳感特性進(jìn)行了深入的研究和分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了驅(qū)動(dòng)電壓與輸出曲率的關(guān)系

3、、ICPF的驅(qū)動(dòng)電壓與輸出力的關(guān)系、驅(qū)動(dòng)電壓與輸出位移的關(guān)系等。特別是建立了輸出曲率與輸入電壓的關(guān)系，解決了以往ICPF大形變時(shí)采用激光位移傳感器測(cè)量輸出不準(zhǔn)確的問(wèn)題，通過(guò)曲率來(lái)精確測(cè)量ICPF的輸出。對(duì)于ICPF的傳感特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了ICPF擺動(dòng)的最大速度與輸出電壓的關(guān)系的曲線。還對(duì)ICPF的熱力學(xué)效率進(jìn)行了分析，提出了提高熱力學(xué)效率的方法。
　　 在ICPF特性研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種可用于微型機(jī)器魚(yú)實(shí)時(shí)控制的ICP

4、F的驅(qū)動(dòng)模型。模型包括電模型、電機(jī)械耦合模型以及機(jī)械懸臂梁模型三部分。電模型是結(jié)合電荷與輸入電壓的映射關(guān)系以及ICPF的等效電路，描述ICPF非線性電容上的電壓輸入與電荷輸出的關(guān)系。電機(jī)械耦合模型是將電荷在ICPF中的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)ICPF局部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為ICPF內(nèi)部應(yīng)力的過(guò)程。機(jī)械懸臂梁模型是將內(nèi)部應(yīng)力轉(zhuǎn)換為外部彎曲力矩和彎曲曲率的問(wèn)題。該模型明確給出了輸入電壓與輸出電荷之間的映射關(guān)系并適合用于實(shí)時(shí)控制。
　　 隨后，開(kāi)展了IC

5、PF驅(qū)動(dòng)的仿生微型機(jī)器魚(yú)的研究、推進(jìn)模型研究以及提高推進(jìn)效率的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 參考自然界小魚(yú)的生物學(xué)特征，根據(jù)ICPF材料的特性、模型和小型魚(yú)類運(yùn)動(dòng)和受力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度在10cm以下的、能夠三維游動(dòng)、速度更快的微型機(jī)器魚(yú)。采用ICPF作為微型機(jī)器魚(yú)的尾鰭和胸鰭驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器魚(yú)的各種運(yùn)動(dòng)模式。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的微型機(jī)器魚(yú)的相關(guān)性能進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 提出了微型機(jī)器魚(yú)的尾鰭推進(jìn)模型來(lái)描述控制電壓

6、信號(hào)與機(jī)器魚(yú)巡航速度的關(guān)系。通過(guò)解ICPF的歐拉-貝努利懸臂梁4階偏微分方程，采用模態(tài)分析法推導(dǎo)出ICPF尾鰭形狀與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)。模型結(jié)合了尾鰭與水的相互作用，最終推導(dǎo)出ICPF的輸入電壓與機(jī)器魚(yú)巡航速度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明該尾鰭推進(jìn)模型能夠很好地預(yù)測(cè)在不同頻率驅(qū)動(dòng)電壓作用下微型機(jī)器魚(yú)的巡航速度，該模型可以用于指導(dǎo)微型機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)。
　　 為了提高微型機(jī)器魚(yú)的續(xù)航能力，我們重點(diǎn)研究了微型機(jī)器魚(yú)的效率優(yōu)化。提出采用多段ICP