常龍飛, 李超群, 牛清正, 楊 倩, 胡小品, 何青松, 吳玉程,3,4

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IPMC驅(qū)動柔性機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)功能材料與器件安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥, 230009)

柔性機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人受自身剛性機(jī)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(jī)器人憑借對外部環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢成為機(jī)器人發(fā)展的重要方向之一[1-3]。柔性機(jī)器魚作為柔性機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器魚, 總長為96 mm, 質(zhì)量僅為16.2 g, 游動速度最快可達(dá)23.6 mm/s; Guo[18]、Ye[19]、Aureli[20]、Shen[21]等對柔性機(jī)器魚驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)機(jī)器魚游動; Guo[22]、蘇玉東[23]、Hubbard[24]等在柔性機(jī)器魚單獨(dú)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(shí)現(xiàn)了柔性機(jī)器魚的多方向游動。除此之外還有其他結(jié)構(gòu)的柔性機(jī)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(jī)器魚均沒有涉及到對機(jī)器魚的運(yùn)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(jī)器魚游動。其行進(jìn)速度很難掌控, 在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性。Mojarrad[16]、Guo[30]等研發(fā)的柔性機(jī)器魚采取了簡單的開環(huán)控制, 可以實(shí)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(jī)器魚搭載了全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)、ZigBee等模塊, 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器魚進(jìn)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(jī)器魚的游動性能和IPMC驅(qū)動器的推進(jìn)效率。這些少有的控制研究雖然實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器魚的運(yùn)動控制但是都依托于外部固定的實(shí)驗(yàn)裝置或傳感儀器, 尚未實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的獨(dú)立運(yùn)動反饋及控制。

在機(jī)器魚的實(shí)際應(yīng)用中, 實(shí)現(xiàn)獨(dú)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(jī)器魚游速難以形成確定的對應(yīng)關(guān)系, 基于IPMC的機(jī)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(jī)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(shí)時調(diào)節(jié)幅值和頻率, 從而使機(jī)器魚在運(yùn)動中保持較高的游動效率, 但是由于機(jī)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(jī)器魚機(jī)體上安裝慣性測量單元, 實(shí)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(jī)器魚機(jī)體內(nèi), 還需要與固定于外部的微控制器連接, 文章驗(yàn)證了閉環(huán)控制對速度調(diào)節(jié)的可行性, 但是并未實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚整體的獨(dú)立運(yùn)動。

PID控制器作為最早實(shí)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(diǎn), 對于精確系統(tǒng)模型很難獲取的IPMC型機(jī)器魚的速度控制極為適合?；诖? 文中設(shè)計了一種PID反饋控制系統(tǒng), 使用MPU6050陀螺儀實(shí)時計算機(jī)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(shí)現(xiàn)了控制機(jī)器魚按預(yù)設(shè)速度游動。研究成果將對該類柔性水下機(jī)器魚的控制提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 IPMC驅(qū)動機(jī)器魚結(jié)構(gòu)

目前, IPMC驅(qū)動機(jī)器魚的推進(jìn)方式主要有身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進(jìn)模式、中央鰭/對鰭(median and/or paired fin, MPF)模式和混合鰭推進(jìn)模式[34]。其中, BCF推進(jìn)模式主要借助魚體波動或尾鰭擺動運(yùn)動提供推進(jìn)力, MPF推進(jìn)模式以胸鰭或腹鰭力為推進(jìn)力的主要來源, 混合鰭推進(jìn)模式是以上兩者的綜合。綜合對比現(xiàn)有不同推進(jìn)方式IPMC驅(qū)動的機(jī)器魚, BCF推進(jìn)模式的機(jī)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(jìn)模式的機(jī)器魚[25-26]游動能力相對較差, 但是具有較高的機(jī)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(jī)器魚游動速度的反饋控制, 故機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計采用BCF推進(jìn)模式, 使用單片尾鰭推進(jìn), 機(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(yàn), 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(xiàn)[32]可知, 柔性機(jī)器魚的IPMC尾部驅(qū)動器所產(chǎn)生的平均推進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器魚的游動速度最快, 可達(dá)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(diǎn)。Chen[13]根據(jù)萊特希爾細(xì)長體推進(jìn)理論與IPMC梁模型理論, 建立機(jī)器魚的物理模型, 利用該物理模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證, 確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及實(shí)驗(yàn)環(huán)境對機(jī)器魚游動速度的影響在誤差范圍內(nèi)。

采用3次多項(xiàng)式模型

對3.3 V電壓下頻率-速度數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)證了上述3次多項(xiàng)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(jī)器魚的控制研究中, 控制變量通常是與機(jī)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(dá)到所需的速度。PID控制器的離散化表達(dá)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(shí)際速度之間的差值來調(diào)節(jié)頻率,從而控制機(jī)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(jìn)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(dá)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(shí)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(jī)器魚的游動速度。MPU6050是一款6軸運(yùn)動處理組件, 包括三軸陀螺儀和三軸加速度計。由于機(jī)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(jī)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(bǔ)濾波的方法以彌補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)偏移值。三軸陀螺儀響應(yīng)快, 由于溫度漂移和零點(diǎn)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(bǔ)濾波處理過的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行求積分運(yùn)算, 便可得到機(jī)器魚的實(shí)際運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。

在硬件電路的基礎(chǔ)上根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)及仿真獲得的擬合多項(xiàng)式和PID控制器參數(shù), 設(shè)計機(jī)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(jìn)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(jìn)MCU, 以備制作機(jī)器魚樣機(jī)時使用。

3 柔性機(jī)器魚原型及實(shí)驗(yàn)

機(jī)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(jī)器魚在游動時水滲入到電子器件內(nèi)。機(jī)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(jī)器魚在運(yùn)動時受到外力影響, 致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確, 測量機(jī)器魚游動速度時采用攝像機(jī)拍攝視頻的方式, 通過對視頻的數(shù)據(jù)處理, 從而得到機(jī)器魚游動的速度, 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖10 柔性機(jī)器魚

圖11 機(jī)器魚游動速度測試結(jié)果

4 結(jié)束語

文中在機(jī)器魚游動模型的基礎(chǔ)上, 設(shè)計了針對IPMC驅(qū)動的機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器魚獨(dú)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(shí)際速度作為控制系統(tǒng)的輸出, 預(yù)設(shè)速度與實(shí)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(shí)現(xiàn)控制機(jī)器魚按照預(yù)設(shè)速度運(yùn)動。利用MATLAB/Simulink對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真, 使用STC15單片機(jī)、MPU6050陀螺儀等電子器件制作了PCB電路, 設(shè)計制作了機(jī)器魚樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 在PID閉環(huán)反饋控制的調(diào)節(jié)下, 機(jī)器魚可以快速達(dá)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(jī)器魚采用單尾鰭驅(qū)動結(jié)構(gòu), 在游動過程中前進(jìn)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。

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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

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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(xiàng)目(1608085QE100).

常龍飛(1988-), 女, 博士, 講師, 主要研究方向?yàn)橹悄懿牧吓c結(jié)構(gòu).

(責(zé)任編輯: 許 妍)