ICPF智能材料驅動的仿生微型機器魚的研究.pdf

1、仿生微型機器魚作為仿生機器魚的一種，有著大型機器魚不可替代的作用。ICPF(Ionic Conducting Polymer Film離子導電聚合物薄膜)材料的驅動電壓低、具有較高的驅動效率，在交變電壓作用下，會產(chǎn)生類似于魚類尾部的左右擺動，適于用于微型機器魚的尾鰭驅動，而且ICPF重量輕、結構簡單、易于小型化。基于ICPF驅動的微型仿生機器魚可由3V低電壓驅動，具有體積小、重量輕、常規(guī)探測儀器難以探測到的優(yōu)點。這是其他非馬達驅動器所不

2、能比擬的。目前ICPF作為仿生魚驅動器方面的力學特性、電特性以及控制模型的研究還不完善，有必要對其進行深入研究。本文的研究內(nèi)容主要包括兩大部分：第一部分是ICPF的基礎研究和面向控制的ICPF驅動模型的研究，第二部分是ICPF驅動的仿生微型機器魚的研究和微型機器魚的推進模型與效率研究。
　　 首先，論文在ICPF的基礎研究中對ICPF的形態(tài)特征、驅動特性和傳感特性進行了深入的研究和分析。通過實驗重點研究了驅動電壓與輸出曲率的關系

3、、ICPF的驅動電壓與輸出力的關系、驅動電壓與輸出位移的關系等。特別是建立了輸出曲率與輸入電壓的關系，解決了以往ICPF大形變時采用激光位移傳感器測量輸出不準確的問題，通過曲率來精確測量ICPF的輸出。對于ICPF的傳感特性，通過實驗獲得了ICPF擺動的最大速度與輸出電壓的關系的曲線。還對ICPF的熱力學效率進行了分析，提出了提高熱力學效率的方法。
　　 在ICPF特性研究的基礎上，本文提出了一種可用于微型機器魚實時控制的ICP

4、F的驅動模型。模型包括電模型、電機械耦合模型以及機械懸臂梁模型三部分。電模型是結合電荷與輸入電壓的映射關系以及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系。電機械耦合模型是將電荷在ICPF中的運動帶動ICPF局部結構運動，轉化為ICPF內(nèi)部應力的過程。機械懸臂梁模型是將內(nèi)部應力轉換為外部彎曲力矩和彎曲曲率的問題。該模型明確給出了輸入電壓與輸出電荷之間的映射關系并適合用于實時控制。
　　 隨后，開展了IC

5、PF驅動的仿生微型機器魚的研究、推進模型研究以及提高推進效率的研究，主要研究內(nèi)容包括：
　　 參考自然界小魚的生物學特征，根據(jù)ICPF材料的特性、模型和小型魚類運動和受力的特點，設計了長度在10cm以下的、能夠三維游動、速度更快的微型機器魚。采用ICPF作為微型機器魚的尾鰭和胸鰭驅動器來實現(xiàn)微型機器魚的各種運動模式。通過一系列實驗，對設計的微型機器魚的相關性能進行驗證。
　　 提出了微型機器魚的尾鰭推進模型來描述控制電壓

6、信號與機器魚巡航速度的關系。通過解ICPF的歐拉-貝努利懸臂梁4階偏微分方程，采用模態(tài)分析法推導出ICPF尾鰭形狀與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)。模型結合了尾鰭與水的相互作用，最終推導出ICPF的輸入電壓與機器魚巡航速度的關系。實驗證明該尾鰭推進模型能夠很好地預測在不同頻率驅動電壓作用下微型機器魚的巡航速度，該模型可以用于指導微型機器魚的設計。
　　 為了提高微型機器魚的續(xù)航能力，我們重點研究了微型機器魚的效率優(yōu)化。提出采用多段ICP