IPMC人工肌肉致动性能改进方法与理论研究

项目主要目标是改进和提高离子交换聚合物金属复合结构（IPMC）人工肌肉致动性能，基于数据建模、在线辨识和机理建模，建立三类致动器的机电性能模型和控制模型，提高它们的输出力和输出位移,探索IPMC致动器设计的理论与方法。本项目核心内容有：1)针对IPMC的时变、非线性动力学特性，建立单片板状IPMC致动器的控制模型和仿真模型；2)利用摩擦耗能和剪切耗能理论，建立多层IPMC并联致动器输出力和输出位移模型；3）利用单片IPMC模型和在线辨识方法，建立多片IPMC串联致动器的输出力和输出位移模型；4）开发单片板状IPMC和多层并联IPMC的自适应逆控制和多片串联IPMC的协调控制方案；5)实现三类致动器的虚拟样机系统及实物样机制作，验证所提出的建模和控制方法的有效性。研究意义：本项目将解决推广IPMC人工肌肉致动器应用的关键问题，推动其在微驱动器、微机器人等领域的应用。

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。本项目主要目标是研究改进IPMC人工肌肉的机电性能建模和控制方法提高致动性能。本项目组取得了以下研究成果。.(1)针对IPMC的蠕变和磁滞等时变、非线性动力学特性，建立了单片板状方形IPMC致动器的三阶自回归输出位移模型，以及带遗忘算子的递归最小二乘法(RLS)的输出力模型；实验结果证明了IPMC的蠕变起主要作用，以及两种模型的有效性；研究了单片板状方形IPMC致动器的自适应逆控制和自适应积分周期性输出反馈(AIPOF)控制方法；开发了基于xPC的单片板状方形IPMC致动器的半实物控制系统仿真平台，实现了两种控制器的实验验证。.(2)利用数据建模和在线辨识方法，建立了多片IPMC串联致动器的输出位移和输出力模型；考虑磨擦耗能和剪切耗能理论，借鉴层合板理论，建立了多片IPMC串联致动器输出力特性的机理模型。首次研究了多片IPMC串联致动器的输出位移和输出力的自抗扰控制(ADRC)方法；利用单板仿真机AD7011-EVA搭建了半实物仿真平台，对控制算法的有效性进行了验证。运用滑模控制(SMC)算法实现了对多片IPMC串联致动器输出位移特性的控制实验验证；制作了多片IPMC串联一体化手爪，运用自行开发的LabVIEW数据处理和控制平台实现了多片IPMC串联致动器的协调控制。利用ANSYS分析软件搭建了多片IPMC串联致动器虚拟样机系统，并对其力位关系进行了仿真分析。.(3)利用LabVIEW在线辨识系统和数据建模机理建立了多层IPMC并联致动器的输出位移和输出力模型；并且实现了多层IPMC并联致动器的自抗扰控制算法及其实验验证。.(4)完成了单片板状方形IPMC致动器、多片IPMC串联致动器和多层IPMC并联致动器的试制和改性研究。完善了基于LabVIEW IPMC控制辨识平台，开发了xPC半实物仿真平台和基于单板仿真机AD7011-EVA半实物仿真平台，完善了人工肌肉微操作系统综合实验室。.以上研究成果在国内外相关杂志和会议上发表论文13篇，完成了预期研究计划。