IPMC驅(qū)動柔性機器魚速度控制系統(tǒng)

常龍飛, 李超群, 牛清正, 楊 倩, 胡小品, 何青松, 吳玉程,3,4

?

IPMC驅(qū)動柔性機器魚速度控制系統(tǒng)

常龍飛1, 李超群1, 牛清正1, 楊 倩1, 胡小品1, 何青松2, 吳玉程1,3,4

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院, 安徽 合肥, 230009; 2. 南京航空航天大學(xué) 江蘇省仿生功能材料重點實驗室, 江蘇 南京, 210016; 3. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院, 安徽 合肥, 230009; 4. 合肥工業(yè)大學(xué) 先進功能材料與器件安徽省重點實驗室, 安徽 合肥, 230009)

柔性機器魚; 離子聚合物金屬復(fù)合材料; 閉環(huán)控制; 速度反饋

0 引言

機器人給人類的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 機器人的應(yīng)用愈加廣泛。由于其工作環(huán)境日益復(fù)雜, 傳統(tǒng)剛性機器人受自身剛性機械結(jié)構(gòu)的限制, 難以滿足一些特殊環(huán)境的工作(例如狹小空間、水下環(huán)境等)需求。而柔性機器人憑借對外部環(huán)境適應(yīng)能力強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢成為機器人發(fā)展的重要方向之一[1-3]。柔性機器魚作為柔性機器人中的一類, 具有可觀的應(yīng)用前景, 引起了國內(nèi)外學(xué)者的爭相研究[4-5]。電致動聚合物(electroactive polymer, EAP)作為一種新型柔性智能材料, 為柔性機器魚的設(shè)計開發(fā)提供了重要技術(shù)基礎(chǔ)。特別是離子型EAP材料, 如離子聚合物金屬復(fù)合材料(ionic polymer-metal composite, IPMC)[6], 導(dǎo)電聚合物(conducting po- lymer, CP)[7], 巴基凝膠[8]和離子凝膠(ionic gels, IG)[9]等, 可在低電壓下(1~10 V)產(chǎn)生大的柔性變形, 柔韌性好, 且其內(nèi)部為液固二相組合, 材料可適應(yīng)液體環(huán)境工作, 因此在設(shè)計柔性水下機器人方向具有突出的優(yōu)勢[10-11]。其中, 對于IPMC材料的研究最早也最為成熟。

目前, 國內(nèi)外對IPMC驅(qū)動的柔性機器魚已有一定的研究基礎(chǔ), 研究內(nèi)容由IPMC致動器驅(qū)動特性[12]逐步深入到關(guān)于IPMC驅(qū)動器的理論分析[13-14]和IPMC驅(qū)動的水下柔性機器人[15]。Mojarrad等[16]率先開發(fā)出蝌蚪形狀單片矩形IPMC驅(qū)動的柔性機器魚, 隨后, Byungkyu[17]設(shè)計出結(jié)構(gòu)與之類似外觀更為精美的機器魚, 總長為96 mm, 質(zhì)量僅為16.2 g, 游動速度最快可達23.6 mm/s; Guo[18]、Ye[19]、Aureli[20]、Shen[21]等對柔性機器魚驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)進行了改變, 在矩形IPMC的末端連接一片魚尾鰭形狀的聚氯乙烯薄膜, 通過IPMC的彎曲帶動尾鰭狀薄膜推進機器魚游動; Guo[22]、蘇玉東[23]、Hubbard[24]等在柔性機器魚單獨尾部驅(qū)動器的基礎(chǔ)上在魚體兩側(cè)增加胸鰭驅(qū)動器, 實現(xiàn)了柔性機器魚的多方向游動。除此之外還有其他結(jié)構(gòu)的柔性機器魚, 如仿鰩魚[25-26]、仿水母[27-28]、仿蛇形[29]等。上述基于IPMC的水下機器魚均沒有涉及到對機器魚的運動控制, 僅以預(yù)設(shè)的電壓信號驅(qū)動IPMC材料擺動, 從而使機器魚游動。其行進速度很難掌控, 在實際應(yīng)用中有很大的局限性。Mojarrad[16]、Guo[30]等研發(fā)的柔性機器魚采取了簡單的開環(huán)控制, 可以實現(xiàn)一維線性游動。在此基礎(chǔ)上, Tan等[31]研發(fā)的自主仿生機器魚搭載了全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)、ZigBee等模塊, 可以實現(xiàn)機器魚的自主導(dǎo)航和游動以及與外界的信息通信, 功能較為完善。2013年, Shen等[32]結(jié)合IPMC尾部的流體動力學(xué)和驅(qū)動動力學(xué)對柔性機器魚進行物理建模分析, 并采用比例-積分-微分(proportion integration differentiation, PID)反饋控制方法調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的幅值和頻率, 提高了機器魚的游動性能和IPMC驅(qū)動器的推進效率。這些少有的控制研究雖然實現(xiàn)了對機器魚的運動控制但是都依托于外部固定的實驗裝置或傳感儀器, 尚未實現(xiàn)機器魚的獨立運動反饋及控制。

在機器魚的實際應(yīng)用中, 實現(xiàn)獨立的速度控制至關(guān)重要。然而到目前為止, 由于速度參數(shù)難以獲取, IPMC驅(qū)動器產(chǎn)生推力或變形位移與機器魚游速難以形成確定的對應(yīng)關(guān)系, 基于IPMC的機器魚控制系統(tǒng)以及游動參數(shù)調(diào)控仍鮮有研究, 少數(shù)工作僅僅是基于理論仿真或者要利用外接儀器和傳感器[32-33]。Shen等[32]通過建模理論推導(dǎo)出機器魚游動速度和驅(qū)動信號幅值及頻率之間的關(guān)系, 并搭建反饋控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)幅值和頻率, 從而使機器魚在運動中保持較高的游動效率, 但是由于機器魚的游動速度參數(shù)較難獲得, 所以控制系統(tǒng)并未對游動速度反饋調(diào)節(jié)。Rosly等[33]通過在機器魚機體上安裝慣性測量單元, 實現(xiàn)了對游動速度的閉環(huán)控制, 由于系統(tǒng)的微控制器體積較大, 所以控制系統(tǒng)并未完全集成于機器魚機體內(nèi), 還需要與固定于外部的微控制器連接, 文章驗證了閉環(huán)控制對速度調(diào)節(jié)的可行性, 但是并未實現(xiàn)機器魚整體的獨立運動。

PID控制器作為最早實用化的控制器已有近百年歷史, 現(xiàn)在仍然是最為經(jīng)典和應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、容易操作、使用中不需精確的系統(tǒng)模型等優(yōu)點, 對于精確系統(tǒng)模型很難獲取的IPMC型機器魚的速度控制極為適合。基于此, 文中設(shè)計了一種PID反饋控制系統(tǒng), 使用MPU6050陀螺儀實時計算機器魚的游動速度作為反饋參數(shù), 通過改變驅(qū)動信號的頻率從而實現(xiàn)了控制機器魚按預(yù)設(shè)速度游動。研究成果將對該類柔性水下機器魚的控制提供重要的理論和實驗依據(jù)。

1 IPMC驅(qū)動機器魚結(jié)構(gòu)

目前, IPMC驅(qū)動機器魚的推進方式主要有身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進模式、中央鰭/對鰭(median and/or paired fin, MPF)模式和混合鰭推進模式[34]。其中, BCF推進模式主要借助魚體波動或尾鰭擺動運動提供推進力, MPF推進模式以胸鰭或腹鰭力為推進力的主要來源, 混合鰭推進模式是以上兩者的綜合。綜合對比現(xiàn)有不同推進方式IPMC驅(qū)動的機器魚, BCF推進模式的機器魚[17-18, 22-24]能夠?qū)崿F(xiàn)較高的游速, 且游動能力范圍分布較廣(0.016~0.526 BL/s), 而MPF推進模式的機器魚[25-26]游動能力相對較差, 但是具有較高的機動性和游動效率。由于IPMC材料自身特性的影響, 致使尾鰭加胸鰭式驅(qū)動結(jié)構(gòu)較單尾鰭式驅(qū)動結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)復(fù)雜度大為提升。文中主要研究對機器魚游動速度的反饋控制, 故機器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計采用BCF推進模式, 使用單片尾鰭推進, 機器魚總長度15.4 cm, 其中魚體長8.4 cm, 寬4.9 cm, 總質(zhì)量42.7 g。

1.1 IPMC驅(qū)動器

如前所述, IPMC是一種離子型EAP材料。在0.5~10 V電壓作用下, 其內(nèi)部離子和溶劑會產(chǎn)生定向移向, 內(nèi)部質(zhì)量的不平衡分布會進而使其在宏觀上產(chǎn)生厘米級彎曲變形, 如圖1所示。作者在前期的實驗中發(fā)現(xiàn), 對懸臂梁固定方式下的IPMC施加方波電壓信號在水環(huán)境中擺動時, IPMC擺動幅度隨著樣片寬度的增加而降低, 阻滯力隨著寬度的增加而增加; 當(dāng)寬度過寬時, 矩形IPMC沿寬度方向也會產(chǎn)生彎曲變形, 從而削弱了沿長度方向的彎曲變形幅度。綜合考慮, 文中在設(shè)計IPMC驅(qū)動器時, 根據(jù)經(jīng)驗, 材料尺寸取60 mm×7 mm, 尾部固定夾持長度為10 mm。

圖1 離子聚合物金屬復(fù)合材料功能特性

1.2 驅(qū)動器模型分析

圖2 IPMC懸臂梁模型

由文獻[32]可知, 柔性機器魚的IPMC尾部驅(qū)動器所產(chǎn)生的平均推進力為

為了確定閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓驅(qū)動信號的具體參數(shù), 設(shè)計了柔性機器魚模型, 將模型放于玻璃水箱中, 在水箱底部放置坐標(biāo)紙, 并將攝像機置于水箱的正上方以測量模型的游動速度。具體測量裝置如圖3所示。

采用數(shù)字源表提供驅(qū)動電壓, 測試了不同電壓(2.5 V、3.3 V、4 V)、不同頻率下的游動速度, 如圖4所示。同一電壓下, 隨著頻率的增加游動速度先增大后減小, 同一頻率下, 游動速度隨著電壓的增大而增大(由于水解作用, 電壓存在上限, 通常不應(yīng)高于4 V)。

圖3 機器魚速度測量裝置

Figure. 4 Swimming speed of a robotic fish at different voltages and frequencies

4 V電壓下機器魚的游動速度最快, 可達到15 mm/s, 但此時由于電解作用, IPMC驅(qū)動器表面有明顯的氣泡產(chǎn)生, 故閉環(huán)控制驅(qū)動信號電壓采用3.3 V, 為提高模型的準(zhǔn)確性, 將3.3 V電壓下的頻率與速度關(guān)系增加為13個數(shù)據(jù)點。Chen[13]根據(jù)萊特希爾細長體推進理論與IPMC梁模型理論, 建立機器魚的物理模型, 利用該物理模型對實驗數(shù)據(jù)進行驗證, 確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及實驗環(huán)境對機器魚游動速度的影響在誤差范圍內(nèi)。

采用3次多項式模型

對3.3 V電壓下頻率-速度數(shù)據(jù)進行曲線擬合, 結(jié)果如圖5所示, 擬合度因子2為0.989 3, 與式(4)相比具有良好的準(zhǔn)確性, 并驗證了上述3次多項式模型的可靠性。后文將采用該函數(shù)模型設(shè)計PID控制電路。

2 控制系統(tǒng)

2.1 PID反饋系統(tǒng)搭建

圖5 速度擬合曲線

圖6 閉環(huán)速度控制原理圖

現(xiàn)有關(guān)于IPMC驅(qū)動機器魚的控制研究中, 控制變量通常是與機體成固定角度安裝的IPMC驅(qū)動器的擺動頻率[32]。在文中的PID控制器中, 方波電壓幅值固定在3.3 V, 通過改變頻率來達到所需的速度。PID控制器的離散化表達為

根據(jù)式(5)、(6)和式(9)可以確定預(yù)設(shè)速度下所對應(yīng)的頻率, 并通過對比預(yù)設(shè)速度與實際速度之間的差值來調(diào)節(jié)頻率,從而控制機器魚按照預(yù)設(shè)速度游動。

以圖5中的函數(shù)擬合模型為基礎(chǔ), 在MATLAB軟件中搭建Simulink控制仿真模型, 如圖7所示。以正弦函數(shù)代表變化的預(yù)設(shè)速度作為模型輸入進行系統(tǒng)仿真, 對比輸出信號與輸入信號之間波形及相位之間的差別。

圖7 閉環(huán)速度控制Simulink模型

在MATLAB軟件中的PID TUNER窗口界面里調(diào)節(jié)Response Time和Transient Behavior 2個參數(shù)值, 從而獲得一個較好的PID單位階躍響應(yīng)曲線; 在文中, 2個參數(shù)分別取為0.348 9和0.39, 與之對應(yīng)的PID控制器參數(shù)為: 比例增益系數(shù)k=11.94、微分增益系數(shù)k=4.79、積分增益系數(shù)k=5.732。

在上述參數(shù)下, 系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8所示。圖8(a)為PID閉環(huán)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線, 當(dāng)輸入速度信號為6 mm/s時, PID閉環(huán)控制系統(tǒng)超調(diào)量約為23.3%, 系統(tǒng)達到穩(wěn)定時間較短, 約為0.5 s, 且穩(wěn)定之后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較小。圖8(b)為模擬PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的跟隨特性, 其中位于上側(cè)的波形為系統(tǒng)輸入信號, 代表預(yù)設(shè)游動速度1, 位于下側(cè)的波形為系統(tǒng)輸出信號, 代表實際游動速度2, 可以看出1和2在波形上具有很好的一致性,2較1在相位上約有0.3 s的延遲, 為系統(tǒng)正常響應(yīng)時間。該模型能很好的滿足控制系統(tǒng)要求。

2.2 速度測量單元

文中選用MPU6050傳感器來測量機器魚的游動速度。MPU6050是一款6軸運動處理組件, 包括三軸陀螺儀和三軸加速度計。由于機器魚僅在水平面上游動, 并未涉及到下潛和上浮動作, 故只采用、兩軸的測量數(shù)據(jù)。MPU6050傳感器加速度計對機器魚游動時的加速度較為敏感, 而利用陀螺儀積分計算角度時不受游動加速度影響, 但隨著時間的增加, 積分漂移和溫度漂移帶來的誤差較大。故在計算角度時采用互補濾波的方法以彌補2個傳感器相互的不足, 即短時間內(nèi)以陀螺儀采樣值計算出的角度為準(zhǔn), 定時以加速度計采樣值計算出的角度對陀螺儀得到的角度進行校準(zhǔn)。加速度測量量程選用±2g, 此量程下傳感器靈敏度為16 384 LSB/g, 采樣頻率為125 Hz。在測量之前, 首先對陀螺儀進行校準(zhǔn), 排除系統(tǒng)自身對測量值的影響, 將陀螺儀敏感軸水平放置時的讀數(shù)取平均值作為陀螺儀的零點偏移值。三軸陀螺儀響應(yīng)快, 由于溫度漂移和零點漂移導(dǎo)致低頻信號較差故采用高通濾波器濾除其低頻信號, 加速度計測量傾角時動態(tài)響應(yīng)較慢, 故采用低通濾波抑制其高頻信號。將傳感器通過互補濾波處理過的有效數(shù)據(jù)進行求積分運算, 便可得到機器魚的實際運動速度和角度, 其具體計算方式為

圖8 比例-積分-微分(PID)閉環(huán)控制統(tǒng)仿真結(jié)果

2.3 控制電路

在上述實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計控制電路, 印制電路板(printed circuit board, PCB)電路主要由穩(wěn)壓模塊、微控制單元(microcontroller unit, MCU)模塊、驅(qū)動模塊、測速模塊、程序下載模塊和集成電路總線(inter-integrated circuit, IIC)模塊等組成, 具體如圖9所示, 其中圖9(a)為系統(tǒng)主控部分原理圖, 圖9(b)為控制系統(tǒng)PCB電路。采用2塊3.7 V鋰電池串聯(lián)供電, 經(jīng)穩(wěn)壓后分別供給MCU模塊(型號STC15F2K60S2)和驅(qū)動模塊(型號L9110); 測速模塊通過IIC總線協(xié)議與MCU通信, 驅(qū)動模塊輸出幅值3.3 V頻率可調(diào)的方波電壓信號, 由測試程序下載模塊將驅(qū)動程序燒錄到MCU中, 經(jīng)測試該電路能很好的實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。

在硬件電路的基礎(chǔ)上根據(jù)上述實驗及仿真獲得的擬合多項式和PID控制器參數(shù), 設(shè)計機器魚驅(qū)動程序, 控制程序采用C語言編寫, 由3個主要部分組成: 主程序、PID算法程序和傳感器采集程序。主程序主要對函數(shù)、參數(shù)、變量等進行定義, 以及系統(tǒng)的基本輸入輸出和延時程序等; PID算法程序是將PID反饋系統(tǒng)編寫為程序C代碼, 包含速度比較、頻率調(diào)節(jié)和微分積分等; 傳感器采集程序則是關(guān)于陀螺儀的參數(shù)配置、采集數(shù)據(jù)的濾波處理、調(diào)用和計算等。通過Keil編寫控制并使用STC-ISP軟件將編寫好的程序燒錄進MCU, 以備制作機器魚樣機時使用。

3 柔性機器魚原型及實驗

機器人殼體在solidworks軟件中設(shè)計完成后, 使用聚乳酸材料直接3D打印而成; 將PCB電路與IPMC驅(qū)動器安裝到3D打印的殼體上, 如圖10所示。驅(qū)動器與殼體連接處采用防水膠帶密封, 且殼體內(nèi)部設(shè)計有防水隔板, 以防止機器魚在游動時水滲入到電子器件內(nèi)。機器魚長15.4 cm, 其中魚體長8.4 cm, 寬4.9 cm, 總質(zhì)量42.7 g。為了避免機器魚在運動時受到外力影響, 致使實驗結(jié)果不準(zhǔn)確, 測量機器魚游動速度時采用攝像機拍攝視頻的方式, 通過對視頻的數(shù)據(jù)處理, 從而得到機器魚游動的速度, 進行實驗驗證。

圖10 柔性機器魚

圖11 機器魚游動速度測試結(jié)果

4 結(jié)束語

文中在機器魚游動模型的基礎(chǔ)上, 設(shè)計了針對IPMC驅(qū)動的機器魚PID閉環(huán)反饋控制系統(tǒng), 選用MPU6050陀螺儀, 無需外接測試儀器, 可以實現(xiàn)機器魚獨立游動時的速度控制。以預(yù)設(shè)速度作為控制系統(tǒng)的輸入, 實際速度作為控制系統(tǒng)的輸出, 預(yù)設(shè)速度與實際速度之間的差值作為PID控制器的輸入, 通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的頻率, 從而實現(xiàn)控制機器魚按照預(yù)設(shè)速度運動。利用MATLAB/Simulink對控制系統(tǒng)進行了仿真, 使用STC15單片機、MPU6050陀螺儀等電子器件制作了PCB電路, 設(shè)計制作了機器魚樣機并進行了實驗, 實驗結(jié)果表明: 在PID閉環(huán)反饋控制的調(diào)節(jié)下, 機器魚可以快速達到預(yù)設(shè)速度并且很好地按照預(yù)設(shè)速度游動。文中研究過程中機器魚采用單尾鰭驅(qū)動結(jié)構(gòu), 在游動過程中前進方向易受到干擾, 在后續(xù)工作中將研究胸鰭和尾鰭混合驅(qū)動下的速度控制、不同驅(qū)動信號波形對速度控制系統(tǒng)精度的影響等。

[1] Rus D, Tolley M T. Design, Fabrication and Control of Soft Robots[J]. Nature, 2015, 521(7553): 467-475.

[2] Kim S, Laschi C, Trimmer B. Soft Robotics: a Bioinspired Evolution in Robotics[J]. Trends in Biotechnology, 2013, 31(5): 287.

[3] Deepak T, Christopher D R, William M K, et al. Soft Robotics: Biological Inspiration, State of the Art, and Future Research[J]. Applied Bionics & Biomechanics, 2014, 5(3): 99-117.

[4] Chu W S, Lee K T, Song S H, et al. Review of Biomimetic Underwater Robots Using Smart Actuators[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2012, 13(7): 1281-1292.

[5] 李鐵風(fēng), 李國瑞, 梁藝鳴, 等. 軟體機器人結(jié)構(gòu)機理與驅(qū)動材料研究綜述[J]. 力學(xué)學(xué)報, 2016, 48(4): 756-766.

Li Tie-feng, Li Guo-rui, Liang Yi-ming, et al. Research Review of Structural Mechanism and Driving Materials of Software Robots[J]. Journal of Mechanics, 2016, 48(4): 756-766.

[6] Asaka K, Oguro K, Nishimura Y, et al. Bending of Polyelectrolyte Membraneplatinum Composites by Electric Stimuli I. Response Characteristics to Various Waveforms[J]. Polymer Journal, 1995, 27: 436-440.

[7] Baughman R H. Conducting Polymer Artificial Muscles[J]. Synthetic Metals, 1996, 78: 339-353.

[8] Fukushima T, Asaka K, Kosaka A, et al. Fully Plastic Actuator through Layer-By-Layer Casting With Ionic-Liquid-Based Bucky Gel[J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2005, 44(16): 2410-2413.

[9] Tanaka T, Nishio I, Sun S T, et al. Collapse of Gels in an Electric Field[J]. Science, 1982, 218(4571): 467-469.

[10] Kalia S, Avérous L. Biopolymers: Biomedical and Environmental Applications[M]. USA: Wiley, 2011.

[11] Shahinpoor M. Potential Applications of Electroactive Polymer Sensors and Actuators in MEMS Technologies[J]. Proceedings of SPIE-the International Society for Optical Engineering, 2001, 4234: 203-214.

[12] Jung K, Nam J, Choi H. Investigations on Actuation Characteristics of IPMC Artificial Muscle Actuator[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2003, 107(2): 183-192.

[13] Chen Z, Shatara S, Tan X. Modeling of Biomimetic Robotic Fish Propelled by An Ionic Polymer-Metal Composite Caudal Fin[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2009, 15(3): 448-459.

[14] Mbemmo E, Chen Z, Shatara S, et al. Modeling of Biomimetic Robotic Fish Propelled by an Ionic Polymer-metal Composite Actuator[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Pasadena, CA, USA: IEEE, 2008: 689-694.

[15] Chen Z. A Review on Robotic Fish Enabled by Ionic Polymer-metal Composite Artificial Muscles[J]. Robotics & Biomimetics, 2017, 4(1): 24.

[16] Mojarrad M, Shahinpoor M. Biomimetic Robotic Propulsion Using Polymeric Artificial Muscles[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Albuquerque, NM, USA: IEEE, 1997: 2152-2157.

[17] Byungkyu K, Deok-Ho K, Jaehoon J, et al. A Biomimetic Undulatory Tadpole Robot Using Ionic Polymer Metal Composite Actuators[J]. Smart Materials & Structures, 2005, 14(6): 1-7.

[18] Guo S, Ge Y, Li L, et al. Underwater Swimming Micro Robot Using IPMC Actuator[C]//IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Luoyang, Henan, China: IEEE, 2006: 249-254.

[19] Ye X, Su Y, Guo S. A Centimeter-scale Autonomous Robotic Fish Actuated by IPMC Actuator[C]//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Sanya, China: IEEE, 2007: 262-267.

[20] Aureli M, Kopman V, Porfiri M. Free-Locomotion of Underwater Vehicles Actuated by Ionic Polymer Metal Composites[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2010, 15(4): 603-614.

[21] Shen Q, Wang T, Liang J, et al. Hydrodynamic Performance of a Biomimetic Robotic Swimmer Actuated by Ionic Polymer-metal Composite[J]. Smart Materials & Structures, 2013, 22(7): 075035.

[22] Guo S, Fukuda T, Asaka K. A New Type of Fish-like Underwater Microrobot[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2003, 8(1): 136-141.

[23] 蘇玉東, 葉秀芬, 郭書祥. 基于IPMC驅(qū)動的自主微型機器魚[J]. 機器人, 2010, 32(2): 262-270.

Su Yu-dong, Ye Xiu-fen, Guo Shu-xiang. Autonomous Micro-robot Fish Based on IPMC Drive[J]. Robot, 2010, 32(2): 262-270.

[24] Hubbard J J, Fleming M, Palmre V, et al. Monolithic IPMC Fins for Propulsion and Maneuvering in Bioinspired Underwater Robotics[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2014, 39(3): 540-551.

[25] Chen Z, Um T I, Bart-Smith H. A Novel Fabrication of Ionic Polymer–metal Composite Membrane Actuator Capable of 3-dimensional Kinematic Motions[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2011, 168(1): 131-139.

[26] Takagi K, Yamamura M, Luo Z W, et al. Development of a Rajiform Swimming Robot using Ionic Polymer Artificial Muscles[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Beijing, China: IEEE, 2006: 1861-1866.

[27] Yeom S W, Oh I K. A Biomimetic Jellyfish Robot Based on Ionic Polymer Metal Composite Actuators[J]. Smart Material Structures, 2009, 18(8): 085002.

[28] Najem J, Sarles S A, Akle B, et al. Biomimetic jellyfish-inspired Underwater Vehicle Actuated by Ionic Polymer Metal Composite Actuators[J]. Smart Material Structures, 2012, 21(9): 299-312.

[29] Kamamichi N, Yamakita M, Asaka K, et al. A Snake-like Swimming Robot Using IPMC Actuator/sensor[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Orlando, FL, USA: IEEE, 2006: 1812-1817.

[30] Guo S, Fukuda T, Kato N, et al. Development of Underwater Microrobot Using ICPF Actuator[C]//Proceedings. 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Leuven, Belgium: IEEE, 1998: 1829-1834.

[31] Tan X, Drew K, Nathan U, et al. An Autonomous Robotic Fish for Mobile Sensing[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Beijing, China: IEEE, 2006: 5424-5429.

[32] Shen Q, Wang T, Wen L, et al. Modelling and Fuzzy Control of an Efficient Swimming Ionic Polymer-metal Composite Actuated Robot[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2013, 10(4): 1.

[33] Rosly M A, Yussof H, Shaari M F, et al. Speed Control Mechanism for IPMC Based Biomimetic Flapping Thruster[C]//IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors. Ottawa: IEEE, 2017: 218-223.

[34] Webb B P W, Weihs D. Fish Biomechanics[M]. NewYork, America: Praeger Publishers, 1983: 312-338．

Speed Control System of Soft Robotic Fish Actuated by IPMC

CHANG Long-fei1, 2, 3, LI Chao-qun1, NIU Qing-zheng1, YANG Qian1, HU Xiao-pin1, HE Qing-song2, WU Yu-cheng1, 3, 4

(1. Institute of Industry and Equipment Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Key Laboratory of Bionic Functional Materials in Jiangsu Province, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 4. Key Laboratory of Advanced Functional Materials and Devices of Anhui Province, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

soft robotic fish; ionic polymer-metal composite(IPMC); closed-loop control; feedback of speed

TP242; TB381

A

2096-3920(2019)02-0157-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.006

常龍飛, 李超群, 牛清正, 等. IPMC驅(qū)動柔性機器魚速度控制系統(tǒng)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(2): 157-165.

2016-11-19;

2016-12-18.

國家自然科學(xué)基金(51605131); 安徽省自然科學(xué)基金青年項目(1608085QE100).

常龍飛(1988-), 女, 博士, 講師, 主要研究方向為智能材料與結(jié)構(gòu).

(責(zé)任編輯: 許 妍)