离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是一种电致动智能材料,具有驱动电压低、变形位移大、柔性好、可以在充水环境下工作等优点。当沿厚度方向给IPMC施加电压,IPMC会产生较大的弯曲变形,可用作驱动器。本文针对临床应用的胶囊内窥镜不能自主控制位置和姿态的问题,设计了一种基于IPMC驱动的可主动运动的胶囊机器人及其控制系统,实现了对胶囊机器人前进、转弯、钳位的运动控制。主要内容包括:1、设计加工胶囊壳体结构,结合仿生学对胶囊尾鳍进行设计;确定胶囊机器人驱动方案,包括在消化道内的前进、转弯和定点钳位功能的实现;对胶囊机器人的前进和转弯模式进行力学计算,分析影响胶囊游动和转弯的参数,为实验寻找最优参数奠定基础。2、设计了胶囊机器人控制系统,可输出4通道双极性大电流的正弦波、方波和组合波形,并且各通道输出信号的幅值、频率和占空比可调。通过示波器对控制系统的输出波形进行检测,验证了信号输出的正确性。3、提出了一种用于IPMC的开环控制方法,通过改变控制信号的幅值、占空比和频率,实现了IPMC在初始平衡位置单侧摆动和弯曲变形后相对保持位移。研究结果表明,通过使用非对称幅值信号和改变占空比,可以实现IPMC单侧摆动;通过施加直流电压使IPMC弯曲后再施加高频信号,IPMC可以相对保持弯曲状态。4、利用本文设计的控制系统和控制信号控制胶囊完成了前进、转弯和定点钳位运动,并研究了控制信号参数对胶囊游动速度和转弯角度的影响。实验结果表明,胶囊的游速可达4.83mm/s,转弯角度可达45°,通过改变控制信号的幅值、占空比和频率,可以调节游速和转弯角度。