新型IPMC人工肌肉五指灵巧手的研究

探索由IPMC人工肌肉构成五指柔性灵巧手及其伺服控制技术。该灵巧手将突破传统驱动模式，集驱动、传动和姿态传感于一体，具有结构简单、低压驱动、动作柔顺等独特特点，开辟灵巧手发展的新途径。主要内容包括：自主研发所需的高性能、多分区IPMC材料；单指的驱动及其姿态检测技术；在单指动力学分析基础上建立其控制模型，并从施加阻尼和选择反馈控制算法等方面抑制手指的低频谐振和残余振动；结合柔性运动分解与合成控制，探讨单指的基本控制规律；以实现尽可能多的人手动作为目标，对灵巧手进行运动学分析和整体结构优化设计，合理安排各手指布局；建立灵巧手机电耦合模型，对其进行动力学性能分析及结构优化，以获得良好的动态性能；设计灵巧手操作轨迹及运动规划算法，结合姿态传感和协调控制策略，实施灵巧手位姿控制，最终构建伺服控制与柔性传动功能兼备的柔性灵巧手。该灵巧手拟人化程度更高且具有微型化前景，有着重要的研究价值。

本项目研究IPMC材料的机电性能，并探索由它构成柔性灵巧手及其伺服控制技术。项目组改进了材料和制备工艺，制备了Pt电极型以及网格基体的IPMC薄膜，其中网格Pt电极型IPMC薄膜在5min内没有发生回弹现象，提高了IPMC的电响应稳定性；测量了IPMC在不同频率的激励电压下电流、末端力和位移的关系，结果表明， IPMC是电学容性负载，在0.5Hz频率的电压激励下能取得较好的综合性效果；基于Nemat-Nasser的耦合分析并利用能量守恒定律，构建了集电学、化学、力学和流体的四场耦合IPMC电响应模型，由此得出IPMC薄膜末端位移响应与其关键参数(根部和自由段内含水量、内部应力和应变、杨氏模量等)之间的关系，仿真精度提高到13%（传统Nemat-Nasser模型对本文中IPMC计算误差为72%）。为简化计算，同时在ANSYS平台上构建了IPMC单指致动模型；研究了PVDF压电薄膜的传感性能，并将之作为传感器与IPMC组合在一起进行了单指驱动及姿态检测技术研究；以机器人位姿描述和齐次变换理论为基础，结合单元IPMC弯曲时端部位姿映射关系，研究了三指多指节柔性机械手的运动学方程，并用抓取力封闭判据探讨了该机械手的抓取稳定性；根据手指操作轨迹设计灵巧手布局，并用ADMAS进行了仿真分析；实际制作IPMC柔性灵巧手，并进行了部分抓取实验，充分体现出该材料高效、柔顺和推重比大的优点。