《IPMC人工肌肉致動性能改進方法與理論研究》是依託東北大學，由郝麗娜擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：IPMC人工肌肉致動性能改進方法與理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：郝麗娜
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
項目主要目標是改進和提高離子交換聚合物金屬複合結構（IPMC）人工肌肉致動性能，基於數據建模、線上辨識和機理建模，建立三類致動器的機電性能模型和控制模型，提高它們的輸出力和輸出位移,探索IPMC致動器設計的理論與方法。本項目核心內容有：(1)針對IPMC的時變、非線性動力學特性，建立單片板狀IPMC致動器的控制模型和仿真模型；(2)利用摩擦耗能和剪下耗能理論，建立多層IPMC並聯致動器輸出力和輸出位移模型；（3）利用單片IPMC模型和線上辨識方法，建立多片IPMC串聯致動器的輸出力和輸出位移模型；（4）開發單片板狀IPMC和多層並聯IPMC的自適應逆控制和多片串聯IPMC的協調控制方案；(5)實現三類致動器的虛擬樣機系統及實物樣機製作，驗證所提出的建模和控制方法的有效性。研究意義：本項目將解決推廣IPMC人工肌肉致動器套用的關鍵問題，推動其在微驅動器、微機器人等領域的套用。
結題摘要
離子交換聚合物金屬複合結構(IPMC：Ionic Polymer Metal Composite) 的機電特性與生物肌肉相似，被稱為人工肌肉材料。套用IPMC致動性能開發的執行器適用於仿生機構和微機電系統，在生物醫學領域也具有廣闊的套用前景。本項目主要目標是研究改進IPMC人工肌肉的機電性能建模和控制方法提高致動性能。本項目組取得了以下研究成果。 (1)針對IPMC的蠕變和磁滯等時變、非線性動力學特性，建立了單片板狀方形IPMC致動器的三階自回歸輸出位移模型，以及帶遺忘運算元的遞歸最小二乘法(RLS)的輸出力模型；實驗結果證明了IPMC的蠕變起主要作用，以及兩種模型的有效性；研究了單片板狀方形IPMC致動器的自適應逆控制和自適應積分周期性輸出反饋(AIPOF)控制方法；開發了基於xPC的單片板狀方形IPMC致動器的半實物控制系統仿真平台，實現了兩種控制器的實驗驗證。 (2)利用數據建模和線上辨識方法，建立了多片IPMC串聯致動器的輸出位移和輸出力模型；考慮磨擦耗能和剪下耗能理論，借鑑層合板理論，建立了多片IPMC串聯致動器輸出力特性的機理模型。首次研究了多片IPMC串聯致動器的輸出位移和輸出力的自抗擾控制(ADRC)方法；利用單板仿真機AD7011-EVA搭建了半實物仿真平台，對控制算法的有效性進行了驗證。運用滑模控制(SMC)算法實現了對多片IPMC串聯致動器輸出位移特性的控制實驗驗證；製作了多片IPMC串聯一體化手爪，運用自行開發的LabVIEW數據處理和控制平台實現了多片IPMC串聯致動器的協調控制。利用ANSYS分析軟體搭建了多片IPMC串聯致動器虛擬樣機系統，並對其力位關係進行了仿真分析。 (3)利用LabVIEW線上辨識系統和數據建模機理建立了多層IPMC並聯致動器的輸出位移和輸出力模型；並且實現了多層IPMC並聯致動器的自抗擾控制算法及其實驗驗證。 (4)完成了單片板狀方形IPMC致動器、多片IPMC串聯致動器和多層IPMC並聯致動器的試製和改性研究。完善了基於LabVIEW IPMC控制辨識平台，開發了xPC半實物仿真平台和基於單板仿真機AD7011-EVA半實物仿真平台，完善了人工肌肉微作業系統綜合實驗室。 以上研究成果在國內外相關雜誌和會議上發表論文13篇，完成了預期研究計畫。
