實驗名稱：介電高彈聚合物疊層彎曲驅(qū)動器的制備與自適應(yīng)控制實驗

　　研究方向：機器人在社會生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用,。由硬質(zhì)材料構(gòu)造的機器人具有動力足,、精度高等優(yōu)點,，但在復(fù)雜場景作業(yè),、醫(yī)療康復(fù)輔助等應(yīng)用場景中其環(huán)境適應(yīng)性與人體親和性方面仍面臨挑戰(zhàn),。軟體機器人的出現(xiàn)為應(yīng)對此類挑戰(zhàn)提供了新的思路,。軟體機器人系統(tǒng)主要由可承受較大變形的軟材料組成,，具有柔順度好,、抗沖擊能力強等優(yōu)點,。不同于由電機-傳動系統(tǒng)等硬質(zhì)結(jié)構(gòu)驅(qū)動的機器人，軟體機器人由類似“人工肌肉”的功能軟材料及結(jié)構(gòu)提供動力,，可在外界激勵下產(chǎn)生變形并實現(xiàn)系統(tǒng)功能,。作為一類典型的電響應(yīng)功能軟材料，介電高彈聚合物(Dielectricelastomer,，DE)具有驅(qū)動應(yīng)變大,、響應(yīng)快速、能量密度高等優(yōu)點,，有望為高性能軟體機器人系統(tǒng)的研制及其在航空航天,、深海探索、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐,。

　　實驗?zāi)康模?/strong>從介電高彈聚合物的力電耦合變形機理分析出發(fā),，構(gòu)造出具備高效柔順變形及穩(wěn)定控制能力的軟體驅(qū)動結(jié)構(gòu),，在軟體驅(qū)動結(jié)構(gòu)建模方面、軟體驅(qū)動器構(gòu)造與控制方面,、復(fù)雜疊層結(jié)構(gòu)驅(qū)動器的成型與應(yīng)用方面,；三方面綜合研究實現(xiàn)其機器人系統(tǒng)在復(fù)雜任務(wù)環(huán)境中的可靠操縱，并利用工藝設(shè)計制造響應(yīng)的軟體驅(qū)動器件進行實驗,。

　　測試設(shè)備：控制板卡設(shè)備,、高壓放大器、激光位移傳感器等,。

　　實驗過程：實驗設(shè)置如圖所示,。一個完整的控制流程如下:激光位移傳感器測量當(dāng)前彎曲驅(qū)動器的垂直位移，并將實時數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板,?？刂瓢鍖ξ灰菩盘栠M行采樣并利用插值計算對采樣信號進行處理，消除驅(qū)動器水平位移的影響,。速度信號則通過對相鄰位移測量值進行差分運算得到,，加速度信號同理?？刂瓢甯鶕?jù)反饋信號計算出控制量后,，將模擬控制信號發(fā)送至高壓放大器。高壓放大器將接收到的控制信號放大,，變成輸出在驅(qū)動器上的電壓,。此外，一臺通用計算機作為上位機與控制板進行通信,，用于控制參數(shù)調(diào)整與數(shù)據(jù)記錄,。該系統(tǒng)的控制頻率設(shè)置為1kHz。

　　實驗結(jié)果：控制率式中有部分動力學(xué)參數(shù)需要進行參數(shù)辨識,。參數(shù)辨識的初始值可以得到，然后進一步在Simulink軟件中用仿真結(jié)果擬合實驗數(shù)據(jù)以調(diào)節(jié)參數(shù),。最終得到的辨識結(jié)果,。圖3.9是輸入電壓信號為峰-峰值700v頻率1Hz的偏置正弦波的參數(shù)識別結(jié)果，可以看出模擬結(jié)果(黑色曲線)與實驗結(jié)果(紅色曲線)吻合較好,。最終標(biāo)定出來的參數(shù)估計值為:M=0.004,，M=0.018,a=[3.571,0.018,17.57,57.46,-1.364]，注意這些數(shù)值會在實際控制過程中通過自適應(yīng)律動態(tài)改變

　　在驗證本節(jié)所提出控制器的性能之前,，不妨先看使用傳統(tǒng)PID控制的效果是怎樣的,。圖3.10為PID控制器的位移跟蹤實驗結(jié)果。跟蹤參考軌跡是一個振幅為0.04,，頻率為1Hz的正弦位移,。零時刻時的跟蹤誤差較大,，表明需要增加PD控40制器的比例系數(shù)。然而,，比例系數(shù)的增加激發(fā)了高頻模態(tài),，反而引起了發(fā)散。這一結(jié)果表明,，沒有模型信息的控制器不能處理這種非線性系統(tǒng),。

　　為了證明自適應(yīng)律的有效性，下面的實驗對比無參數(shù)自適應(yīng)的控制器(C1)和有參數(shù)自適應(yīng)的控制器(C2)的表現(xiàn),。經(jīng)實驗測試,，對于C1控制器，控制參數(shù)[入,k]設(shè)定為[5,2.2],，對于C2控制器則設(shè)為[5,1.7],。為避免自適應(yīng)發(fā)散,設(shè)置參數(shù)變化的邊界為d∈(0.5xd標(biāo)定值,2xd標(biāo)定值]，其中d=M0,M1,à,。

　　圖5-7分別為跟蹤正弦參考軌跡的頻率為1Hz,、15Hz和2Hz時，兩個控制器的控制實驗結(jié)果,?？梢钥吹剑?Hz情況下兩個控制器產(chǎn)生的位移可以很好地跟蹤參考軌跡,，但C2的跟蹤精度高于C1,。而隨著參考軌跡頻率的增加，C2和C之間的性能差距變得更大,。即便C1的反饋增益k比C2更大,，但在誤差、超調(diào)以及相位滯后方面,，C2仍優(yōu)于C1,。

　　圖8為跟蹤一個連續(xù)階躍軌跡的控制實驗結(jié)果。在階躍發(fā)生時,，C1和C2有著類似的響應(yīng)速度,，因為其控制帶寬入相同。從誤差曲線中看,，C2收益于參數(shù)自適應(yīng),，反饋增益k設(shè)定得較小，因而振蕩更平緩

　　綜合來看,，兩個控制器都表現(xiàn)出了不錯的控制效果,，驗證了基于動力學(xué)模型的控制的有效性與魯棒性，而參數(shù)自適應(yīng)進一步改善了控制性能,。

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