【硕士论文】基于ICPF驱动的微型机器人研究.pdf

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1、摘要微型机器人作为典型的微机电系统，具有体积小、运动灵活、能够进入一般机械系统无法进入的狭窄作业空间进行检测和维护等特点从而在工业、国防、医学等领域有着广泛的应用前景，已成为国内外诸多公司、研究机构、大学的一个新的研究热点。开发新型驱动器对微型机器人有很重要的意义，ICPF驱动器是新型智能材料驱动器的一种，ICPF直接将电能转变成机械能，不需要传统的机械零件，从这一角度上看，它接近于人与动物的肌肉，成为具有仿生意义的驱动器。本文研究的就是ICPF驱动器及其在微机器人中的应用。本论文主要借鉴鱼类运动的推进机理，致力于研究在液体中通过

2、游泳方式运动的微机器人。随着本研究的进一步深入，它可以实现微小化从而能进入充满液体的狭小空间开展工作，例如进入核工业管道进行检测、修理等。本论文得到北京市先进制造技术重点实验室项目基会(05001790200705)的资助，主要对在液体中运动的微机器人国内外研究现状、鱼类推进机理及其对微机器人研究的借鉴和启发作用、微机器人的设计、微机器人动力学模型的建立与分析、微机器人的运动控制等方面进行了大量的理论与实验研究。首先，本文对在液体中运动的微机器人研究现状和主要研究问题进行了深入分析，为微机器人的进一步研究奠定了坚实的基础。本文阐述

3、了鱼类推进模式的分类及特点、鱼的形态描述及受力分析、鱼类波状推进机理，分析了鱼类游动过程中鱼体和尾鳍的运动，并且总结了鱼类对微机器人设计和理论研究的借鉴和启发作用。其次，阐述了ICPF的制造原理，结合ICPF的微观机制，初步给出了在电场作用下ICPF变形的理论解释。在ICPF变形微观机理和宏观模型方面，根据Flory的凝胶溶胀理论，从化学势、渗透压的角度导出了ICPF弯曲的表达式，定性解释了ICPF的弯曲行为，得到了在电场作用下ICPF弯曲变形的曲率表达公式。再次，根据仿生学原理，设计了一种简单形式的、用ICPF驱动的微型机器人，

4、它丰富了微型机器人的类型；鱼类摆动鳍推进模式具有流体扰动小、可产生矢量推力并且易于向水下机器人移植等显著优点。本文以尾鳍推进模式为研究对象，提出将模仿鱼类尾鳍结构、运动特征及推进功能的仿生尾鳍作为基本推进单元来设计水中微机器人推进控制系统的基本思想。并基于流体力学中的阻力模型，建立了尾鳍动力学模型，并分析其推进速度与推进效率。然后，基于尾鳍推进控制系统设计方案在原理上能够通过尾鳍的摆动主动产生沿主体轴向的推进力和用于姿态控制的偏航力矩，并且推进力与操控力矩的大小与方向可以通过改变尾鳍摆动参数进行控制。这种不依赖于任何舵翼装置主动产

5、生推进力与操控力矩的能力不仅能够用于水中微型机器人的推进与姿态控制，而且有利于增强微机器人主体的稳定性和机动能力。针对微机器人推进系统与控制系统一体化设计的技术特点，提出了尾鳍推进模式用于微机器人推进与姿念控制的方法。由于尾鳍推进控制系统只能主动产生推进力、偏航力矩，因此将航速、航向控制作为基本控制通道，其控制器采用模糊自适应PID控制策略进行非耦合分离设计，控制量的转化策略采用专家PID控制策略。在此基础上，根据尾鳍推进控制系统动力学模型，提出相应的航速通道前馈补偿算法。通过在微机器人仿真系统上进行航速、航向控制系统的阶跃响应、

6、抗干扰性能和跟踪性能仿真，初步验证了尾鳍摆动推进控制方法用于微机器人推进与姿态控制的有效性。最后，本文以微型机器人设计智能化的实时视觉伺服系统为主线、以利用视觉来指导微型机器人自主进行运动为目的，展开课题研究。首先对微机器人的控制结构进行了简要描述。全局视觉系统监控机器人运动空间、实时提取机器人位姿参数并引导机器人在水中进行快速、大范围运动。针对微型机器人的全局视觉伺服控制问题，提出了基于标识的机器人位姿参数实时测量方法；设计了微机器人尾鳍摆动控制器即波形发生器。视觉系统的主要作用是分析场景图像后，测量微机器人和目标对象的相对位置

7、关系，进而控制微机器人向目标运动。图像分割和图像伺服是实现这一目的关键问题。在图像分割方面，设计了基于改进的Hough变换算法来提取微机器人标识参数，并对Hough变换存在计算量大、精度低的缺陷进行了有效改进；在微型机器人的视觉控制方面，从动态的角度出发实现了微机器人运动姿态的测量，通过调整波形发生器的频率和电压幅值来引导机器人向目标运动。最后，从实时视觉伺服系统的实现角度，设计了基于视觉的计算系统软件。然后以视觉引导微型机器人完成任务为背景展丌实验研究。本文设计了ICPF驱动的微机器人并开展研究，填补了国内该领域的空白，成果接近

8、国际先进水平。关键词微型机器人；ICPF微驱动器；图像处理；实时视觉伺服AbstractAbstractAsatypicalmicroelectro—mechanicalsystem(MEMS)device，micro—robothasthecha