IPMC驱动器及在仿人手指设计中的应用研究

发布时间：2017-05-28 14:05

  本文关键词：IPMC驱动器及在仿人手指设计中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离子交换聚合物金属复合结构IPMC(Ionic Polymer Metal Composite)的机电特性与生物肌肉相似,被称为人工肌肉材料。应用IPMC致动性能开发的执行器适用于仿生机构和微机电系统,在生物医学领域也具有广阔的应用前景。本文针对IPMC驱动器及其在仿人手指设计中的应用研究主要完成了以下工作内容：首先,选取悬臂梁状和方形板状IPMC致动器作为研究对象。基于数据建模和在线辨识理论,选择SISO系统的自回归模型作为悬臂梁状和方形板状IPMC致动器输出位移模型,采用最小二乘算法对模型中未知参数进行更新,得到三阶IPMC致动器输出位移自回归模型,并对该模型进行了简化处理。利用LabVIEW在线辨识系统,基于带遗忘算子递归最小二乘辨识算法,建立了方形板状IPMC致动器输出力离散状态空间模型。其次,应用滑模控制算法对PMC致动器输出位移和输出力模型的状态空间表达式设计了滑模控制率,完成了MATLAB/Simulink仿真实验和半实物系统实验。针对IPMC致动器输出力滑模控制实验,选取四片尺寸和形状不同的IPMC致动器作为研究对象,完成了相应的滑模控制半实物系统实验,并且,在没有改变滑模控制率中设计参数值的情况下,实现了对上述IPMC致动器输出力跟踪的滑模控制,验证了滑模控制算法具有对外界参数不敏感性。最后,通过对人类手指抓取行为和运动范围的分析,根据身体智能理论和人机工程学思想,设计了一款IPMC驱动指关节的仿人欠驱动两关节中指,对其中的关键部件进行了静力分析。研究了仿人中指的正运动学、逆运动学和手指末端雅克比矩阵。然后,对IPMC致动器末端输出位移进行了ANSYS仿真分析。建立了仿人中指的MATLAB/SimMechanics模型,对其进行了动力学分析,验证了IPMC致动器作为关节驱动器的有效性,并且满足仿人手指的设计指标。最后,验证了滑模控制IPMC致动器驱动仿人手指MATLAB/SimMechanics模型的运动满足设计要求。
【关键词】：IPMC驱动器 滑模控制 仿人手指 驱动力/力矩
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 IPMC简介11-12
• 1.2 课题的背景及意义12-13
• 1.3 IPMC在仿生手指驱动关节的应用研究现状13-16
• 1.3.1 国外研究现状13-15
• 1.3.2 国内研究现状15-16
• 1.4 本文组织结构16-17
• 第2章 IPMC致动器建模17-29
• 2.1 IPMC致动器形式简介17-18
• 2.2 IPMC建模研究现状18-19
• 2.3 IPMC输出位移建模19-25
• 2.3.1 IPMC输出位移模型选取19-20
• 2.3.2 IPMC输出位移模型结果20-22
• 2.3.3 IPMC输出位移模型简化22-25
• 2.4 IPMC输出力建模25-29
• 2.4.1 微力传感器调零和标定25-26
• 2.4.2 IPMC输出力模型选取26-27
• 2.4.3 IPMC输出力模型结果27-29
• 第3章 IPMC致动器滑模控制设计29-41
• 3.1 滑模控制简介29-32
• 3.1.1 滑模变结构控制定义29-30
• 3.1.2 指数趋近律简介30-31
• 3.1.3 滑模面参数设计31
• 3.1.4 滑模控制率设计31
• 3.1.5 控制系统的收敛性证明31-32
• 3.2 IPMC输出位移滑模控制实验32-36
• 3.2.1 IPMC输出位移蠕变特性32-33
• 3.2.2 IPMC输出位移滑模控制实验验证33-36
• 3.3 IPMC输出力滑模控制实验36-41
• 3.3.1 IPMC输出力蠕变特性36
• 3.3.2 IPMC输出力滑模控制实验验证36-41
• 第4章 基于IPMC驱动关节仿人手指设计41-49
• 4.1 人的手指抓取行为与运动分析41-42
• 4.2 仿人手指设计思想42-44
• 4.2.1 基于身体智能理论的设计方法42-43
• 4.2.2 基于人机工程学的设计方法43-44
• 4.3 仿人欠驱动手指设计44-46
• 4.4 仿人手指关键部件的静力分析46-49
• 第5章 基于IPMC驱动关节仿人手指分析49-61
• 5.1 手指正运动学分析49-51
• 5.2 手指逆运动学分析51-53
• 5.3 手指末端雅克比矩阵分析53-54
• 5.4 手指关节IPMC致动器输出位移ANSYS仿真分析54-56
• 5.5 近指关节的MATLAB/SimMechanics仿真分析56-61
• 5.5.1 MATLAB/SimMechanics模块简介56
• 5.5.2 仿人手指的MATLAB/SimMechanics动力学分析56-58
• 5.5.3 滑模控制IPMC致动器驱动仿人手指的运动验证58-61
• 第6章 总结与展望61-63
• 6.1 工作总结61
• 6.2 研究展望61-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69-71
• 个人简历71

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本文编号：402773