文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜金属复合材料＞-
离子电活性聚合物（IEAPs）是一种智能材料，在施加外部电源时有能力改变其形状。
此外，它们还具有传感能力。这些特性的原因是材料内部的离子在电势或机械应力的作用下重新排列。
简而言之，这些材料是电化学机械传感器。
由IEAP材料制成的致动器有几个有益的特点，如高顺应性、轻质、大应变、低电压、生物相容性、高力重比，以及在水环境和露天环境中操作的能力。
接下来，煜捷将为你讲述IPMC金属复合材料在IEAP执行器控制中，是如何克服众多挑战的。
这些材料可以被制造成不同的形状，并且可以被放大到微观尺寸。由于这些优点，IEAP执行器被认为在软体机器人系统领域很有前途。
一些IEAP材料具有生物相容性，在一定程度上具有医疗安全性。
因此，具有较高灵巧性的精确医疗设备和内置驱动的软导管也被认为是具有高潜力的应用。
例如，IEAP执行器被建议应用于人眼内，用于聚焦人工眼内晶状体，通常被植入作为白内障的治疗。
一种无线控制的药物输送装置，旨在向特定的身体组织释放特定数量的药物，从而降低副作用。
在其他各种基于IEAP的潜在应用中，可以提到机器人手术刀，无线供电的软微抓取器，紧凑型无阀泵，双足行走机器人的线性执行器，水下仿生微机器人，双连杆操纵器，三维全向弹性镊子，以及盲文显示器。
软体机器人和软体操纵器的设计通常受到生物系统的启发，这些系统也被软体材料覆盖或由电活性材料驱动。
与传统机器人相比，软体机器人有几个优点。
其中的优点包括人机互动的内在安全性、对医疗和可穿戴技术的适应性、抓取系统设计的简单性。
然而，为了使用下一代的软体机器人，它们应该配备合理的低成本、低能耗的控制系统。
基于物理学或机电学的面向控制的系统模型有几十种。
然而，它们有几个缺点，如需要大量的计算能力或需要难以测量的物理参数。另外，所有这些模型都没有考虑到执行器的老化问题。
我们的目的是回顾各种控制方法是如何用来克服IEAP执行器运行中出现的各种挑战的。
特别是，调查的重点是离子聚合物-金属复合材料（IPMC）。请注意，这个回顾是面向控制的。
-＜控制方法＞-
本节的目的是概述不同的IPMC控制方法，并讨论它们在各种控制任务方面的优点和缺点。
A. PID控制
在比例-积分-导数（PID）控制器的情况下，控制信号u(t)是根据以下规则产生的：
其中e(t)是系统的期望变量和测量变量（输出）之间的差异。非负系数Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和导数增益。
为了实现控制系统的最佳性能，应该找到合适的Kp , Ki , 和Kd值。简单性是PID控制器的主要优点。
然而，它需要测量实际输出作为反馈，以便将其与期望输出进行比较。
对反馈的不可避免的需求可能是一个缺点，因为在实践中并不总是能够使用传感器进行输出测量。
此外，用传统方法调整的PID控制器对时变特性并不稳健，而IPMC执行器拥有这种特性。
B. 基于反转的控制
基于反转的控制意味着一个模型的反转可以作为控制器。这种控制器能够在开环和闭环中工作。
第一种选择对于无传感器的控制是有吸引力的。
然而，在这种情况下，建模的不确定性不能通过反馈进行补偿。因此，一个非常精确的模型是必要的。
三阶传递函数的直接反演伴随着巴特沃斯低通滤波器，在开环中控制IPMC执行器的位移。
然后，为了便于比较，加入了PI反馈控制器来补偿建模的不确定性和反向放松。
实验结果表明，对于参考输入信号的较高频率（如0.1和1赫兹），基于无传感器的反转控制是好的。
然而，对于较低的频率（如阶跃响应），无补偿的开环控制只能在实验开始的短时间内表现出良好的效果，在很长的时间段内积累误差。
因此，作者得出结论，在需要精确控制的应用中，IPMC执行器的无传感器控制是有限的。
采用了类似的方法来跟踪IPMC执行器的力。力和位移跟踪的结果都导致了关于基于反转的无传感器控制的适用性的类似结论。
基于反转的开环控制应用于IPMC执行器的温度依赖模型。更确切地说，该模型被确定为一个三阶系统的传递函数，其零点和极点是温度的二次多项式函数。
这种方法允许人们在环境温度变化的情况下使用一个单一的模型来控制IPMC执行器的整个温度范围。
当然，在这种情况下，一个辅助的温度传感器是必要的。这种方法的挑战是，获得的传递函数是非最小相位的，因此，其逆向是不稳定的。
为了克服这个问题，应用了一种稳定但非因果的反演算法，这需要事先了解所需的轨迹。
C. 最优控制
使用了线性二次调节器（LQR）来消除IPMC执行器对应用电压的阶跃变化的反应的大过冲和减少稳定时间。
为了使用LQR方法，从确定的输入-输出传递函数中开发了IPMC执行器的状态空间模型（没有任何物理意义的状态），然后设计了一个线性观测器来估计这些状态。
在两个不同长度的IPMC执行器上的实验表明，基于LQR的反馈控制大大降低了对外加电压的阶跃变化的反应的过冲和稳定时间。
基于模型的H∞控制器被用于IPMC尖端位移的跟踪控制。
选择这样的控制器是为了确保在不确定的情况下的稳定性，减弱传感噪声的影响，并使控制工作最小化。
H∞控制器的跟踪性能与带有低通滤波器的PI控制器进行了比较。
仿真和实验结果表明，H∞控制下的跟踪误差约为PI控制下误差的一半。此外，H∞控制器所需的控制工作量比PI控制器低。
最佳反馈（基于Hammerstein模型）被用来控制一个线性执行器的位置，该执行器由几个IPMC条带驱动。将LQR与观测器一起用于控制一个三指的IPMC抓手。
-＜IPMC控制中的挑战＞-
A. 反向松弛
背向松弛（也称为应力松弛、反向松弛和蠕变特性）是IPMC的一种固有现象，其特点是在输入信号的固定值下无法保持输出的稳定值。
例如，在持续的直流电压（阶梯式输入信号）下，材料首先在一个特定的方向上弯曲。
然而，在达到一定的最大挠度后，它慢慢向其初始位置放松，而不保持稳定状态。
如果现在取消控制信号，致动器继续向后移动，通常会超额完成其初始位置。IPMC执行器的阻断力表现出类似的行为。
因此，回缩干扰了控制精度，限制了控制频率的范围和有效运行的时间。
反向松弛的影响（与前向位移或力一起）对湿度水平极为敏感：湿度越高，影响越大。
除了在化学分析、材料工程和制造水平上努力减少/消除背弛。
B. 滞后性
滞后特性是由多值非线性函数描述的。例如，IPMC尖端位移的几个值可能对应于同一个输入电压。
这种动态特征是许多智能材料的行为特征，包括IPMC。
在滞后非线性下，系统通常表现出不理想的振荡和不稳定性，这限制了操作速度和精度。
为了克服这些缺点，IPMC的数学模型应该能够充分地描述滞后行为。
通常，为了这个目的，文献中使用了各种滞后模型的识别。在这些模型中，有Preisach算子，Prandtl-Ishlinskii滞后模型和Bouc-Wen滞后模型。
开发了最小二乘支持向量机非线性自回归模型来消除滞后的影响。
此外，一个反向控制器与PID反馈控制相结合，以补偿滞后特性。
除了基于识别的方法，还有基于物理学的机电模型，除了其他非线性因素，还设计了IPMC的滞后效应。
C. 几何可伸缩性
IPMC材料允许人们获得不同形状和尺寸的执行器，以用于广泛的应用。
然而，IPMC致动器的形状和尺寸高度影响其动力学，通常人们必须使用不同的模型来描述形状和尺寸不同的致动器的动力学。
因此，开发一个几何上可扩展的模型是非常有用的，也就是说，一个单一的模型可以充分地描述不同执行器的行为，使用它们的几何参数。
一个灰盒模型，由两部分组成。非线性电学部分描述了施加的电压转化为吸收的电流，并被建模为一个等效电路，而机电部分将吸收的电流转化为产生的尖端偏移或阻断力。
由于该模型的参数具有物理解释，它们可以作为IPMC膜的几何尺寸的函数进行缩放。
一个分布式力模型，它能够模拟任意形状和尺寸的IPMC执行器在其表面任何一点的力输出。
该模型由几个相互联系的子模型组成，指的是一个特定的物理现象：任意形状的电模型、离子迁移模型和力模型。
该模型显示了实验和模拟结果之间的紧密对应。
另一个几何上可扩展的模型是前几节提到的模型。该模型在力和位移之间建立了准确的动态关系，能够预测IPMC传感器的完整驱动响应，只能表达自由位移或阻断力。
将IPMC建模为一个分数阶的传递函数，由膜的长度作为参数。虽然该模型只考虑了长度，但它有简单的优点。
-＜结论＞-
综上所述，如今在文献中可以找到各种用于IPMC控制的方法。然而，没有一种建议的方法是通用的，这意味着如果一种方法被证明对一项任务是好的，那么对另一项任务可能就不是这样。
因此，适当的控制方法的选择经常由具体的目的或潜在的应用决定。
重要的是，IPMC是在恒定还是变化的工作条件下使用，需要什么范围的输出响应（位移/力/曲率），精度或简单性是否更优先，是否可以使用传感器进行反馈。
还有必要考虑到IPMC执行器在特定设备中要执行的运动类型。
对于周期性的振荡运动，可以选择比较简单的控制方法，如重复控制，而精确地保持某个位置或力的水平则需要更先进的自适应方法。
此外，IPMC模型的选择也值得关注。大多数描述的控制方法可以处理相当简单的黑盒模型。
然而，在这种情况下，精度可能会受到影响，需要用感官测量来补偿模型的不确定性。
另一方面，详细的灰盒或白盒模型可能太过复杂，无法用于真实的设备，它们主要还是实验室研究的对象。
此外，单一的控制方法似乎不能克服诸如背弛、滞后、动态变化等困难，而是需要将建模、控制和材料制造的各种方法结合起来。
最后，在文献中几乎没有对各种方法的有效性进行比较分析。
主要是将更先进的方法与PID控制器进行比较，但不同先进方法的比较实际上是没有的。
