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高聚物凝胶驱动器及其在机器人中的应用

卢普生  
【摘要】:开发新型驱动器对机器人特别是微型机器人有很重要的意义,高聚物凝胶驱动器是新型智能材料驱动器的一种。高分子凝胶直接将化学能转变成机械能,从这一角度上看,它最接近于人与动物的肌肉,成为最具有仿生意义的驱动器。本文研究的就是高聚物凝胶驱动器及其在机器人中的应用。研究工作包括以下四个方面内容。 首先,在聚丙烯腈(PAN)凝胶筋肌制备方面:PAN凝胶制备有交联和皂化两大步骤。以凝胶的收缩率最大为目标,通过大量试验,比较得到了理想的制备条件;为了建立动力学模型,进行了动态参数(储能模量E′,耗能模量E″,内耗正切tanδ)的测定,得到了E′,E″与激振频率的关系,总结得出低频时不同pH值下筋肌的E′,E″,并用多项式进行了数据拟合;为了得到负载条件下机械性能更好的筋肌,以负载下凝胶筋肌收缩率最大为目标,通过大量试验,结合理论分析,进一步优化了皂化时间;输出机械功的大小是凝胶筋肌驱动器的重要指标,从最大化筋肌输出机械功的角度,实验得出肌筋承受的单位面积最佳负载;得到了最佳负载条件下,pH值与筋肌伸缩率的关系曲线,该曲线可以用于基于pH值的驱动器位置和速度控制。结合凝胶变形的微观机制,初步给出了理论解释。 其次,在凝胶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凝胶溶胀的表达式,定性解释了PAN凝胶的膨胀和收缩行为,与观察到的凝胶 2001年上海大学博士学位论文 伸长和收缩现象一致;得到了离子型高分子凝胶体积应变与pH 值的关系表达式以及对应曲线表示,理论上证实了PAN在酸中 收缩,在碱中膨胀的道理。通过调节高分子溶液中的离子强度, 能得到凝胶的体积应变与pH值呈单调关系的PAN凝胶,大大提 高了PAN凝胶的控制性能;利用凝胶电收缩一维毛细管模型, 求出了EMC(电一机械一化学)凝胶溶胀过程中的凝胶重量随时间 变化的关系;用大变形理论得到了该凝胶弯曲变形曲率的表达 式,包括PH值和电场作用的机制;从宏观角度考察,交联的高 聚物的应力松弛不会到零,所以可以用三元粘弹性模型模拟PAN 凝胶筋肌。 然后,在凝胶驱动器于机器人上的应用方面:根据仿生学原 理,设计了两种简单并联形式的、用凝胶筋肌驱动的手腕机构, 它丰富了并联机器人的类型,可供结构类型优选的进一步研究; 迄今为止,研究人员还没有得到一般形式Stewart并联机构正运 动学的解析解,这里通过适当的简化,解决了一类简单的串并联 机构的位移正问题,得到了完全的解析解,便于串并联机器人的 实时控制;用拉格朗日方法对手腕并联机构进行了动力学分析, 导出了不含约束反力的封闭动力学完整方程,结合凝胶筋肌本身 的动力学模型,就得到了整个系统的用于实时控制的动力学模 型;用8031单片机简单扩展系统实现了为手腕机构系统自动送 酸碱的功能,替代了原来的手动操作,为将来的速度或位置伺服 系统做了基本准备。将凝胶驱动器与工业应用结合在一起,探讨 了面向工业管道的管内移动机器人的可能性;由于采用了蠕动方 式,本爬行机器人系统实际上是一个可移动的驱动器,进一步研 究后可用于机器人操作手。 最后,在凝胶驱动器控制方面:给出了爬管机器人速度控制 高聚物凝胶驱动器及其在机器人中的应用 系统布置图,为后续研究工作提供了基础;对爬管机器人系统的 数学建模进行了初步的分析,并得到了基于PH值的速度控制方 程;提出了几种适宜的控制方案,包括数字PID控制(或改进 PID算法)、智能控制方法(模糊逻辑神经网络)、鲁棒控制方法 (变结构控制方法)。 国际上首次发现高聚物凝胶的驱动效应已有50年的历史,但 由于种种原因,进展并不快。而在国内,主要限于对高分子材料 结构、变形机理等方面的理论研究,本文首次从高聚物凝胶驱动 器及其驱动机构的角度开展研究,通过了国家863计划和上海市 科委组织的验收和鉴定,填补了国内该领域的空白,成果接近国 际先进水平。


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