CN102372041B - 基于ipmc的仿壁虎主驱动式脚掌及驱动方式 - Google Patents
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Abstract
本发明基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌及驱动方式，属仿壁虎脚掌主动驱动技术领域。它包括弧状上、下夹持片、IPMC材料件（1），还包括上电极（3-1）、下电极（3-2）等；上述IPMC材料件（1）上表面还贴有注水膜（5），下表面贴有人造刚毛粘附阵列（2）。上述IPMC智能材料件（1）在其基底膜的表面处理环节中使用目数在200-1800范围的超细研磨剂均匀直线定向打磨，且定向打磨方向平行或垂直于IPMC长度方向。通过电源控制单元激励IPMC材料件，使其产生类似生物活体的形变，主动驱动人造刚毛粘附阵列，模仿壁虎脚掌脚趾外翻、内抓的动作，从而实现驱动-结构一体化的主动驱动方式，IPMC的输出力较大，输出位移较小。
Description
技术领域
本发明涉及基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌及驱动方式实现了结构-驱动的一体化，属于仿壁虎机器人技术领域。
背景技术
IPMC（Ion-exchange polymer-metal composites）是一种离子型EAP，它是由高分子离子交换树脂与惰性金属纳米电极所组成的复合材料，其特性是在外界电场作用下，材料会随着外加电场的大小产生不同程度的变形。IPMC材料质地比较柔韧，有弹性，较小的驱动电压即可产生较大的变形，响应迅速，可在潮湿环境下工作，而且具有较好的生物相容性，是一种极有发展潜力的智能材料。IPMC可用于制造可控微小部件，在微致动器件、传感器、人工肌肉和医用高分子材料等方面有广泛的应用前景。（M. Shahinpoor and K. L.
Kim. Ionic polymer-metal composite: Fundamentals. Smart Materials and
Structures, 2001, 10: 1-15）
壁虎在运动过程中，脚掌主要是由脚趾翻转和脚掌旋转组成。目前许多研究机构研制的仿壁虎机器人脚趾的驱动采用的是电机元件，来实现抬腿和放腿的动作，比如斯坦福大学（S. Kim, M. Spenko, S.
Trujillo, B. Heyneman, D. Santos, M. R. Cutkosky. Smooth vertical surface
climbing with directional adhesion. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(1):
65-74.）和南京航空航天大学（阮鹏, 俞志伟, 张昊, 张晓峰, 戴振东. 基于ADAMS的仿壁虎机器人步态规划及仿真. 机器人, 2010, 32(4): 499-504.）。它的力矩-重量比值较低，为得到低速大力矩，需使用减速器（包括齿轮、轴承等），驱动结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动驱动式的、结构简单、重量轻的、输出力较大，输出位移较小的基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌及驱动方式。
一种基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌，其特征在于：包括弧状上夹持片、弧状下夹持片、一端悬空另一端被上述夹持片夹持固定的IPMC材料件，还包括安装于弧状上夹持片的上电极，安装于弧状下夹持片的下电极，还包括与上电极、下电极连接的电源控制单元；上述IPMC材料件上表面还贴有注水膜，下表面贴有人造刚毛粘附阵列，上述注水膜具有带有注水孔的水沟；该水沟为封闭结构；上述IPMC智能材料件在其基底膜的表面处理环节中使用目数在200-1800范围的超细研磨剂均匀直线定向打磨，且定向打磨方向平行或垂直于IPMC长度方向。
所述基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌的驱动方式，其特征在于包括以下过程：调控电源控制单元发出正值电信号，电信号施加在夹持电极上，以激励IPMC智能材料件，使IPMC发生弯曲变形，由水平位置向上弯曲，模仿壁虎脚掌脚趾的外翻动作，完成脱附的过程；调控电源控制单元产生负值电信号，IPMC智能材料件由上弯位置返回水平位置，主动驱动人造刚毛粘附阵列，在IPMC的驱动力下，粘附阵列与某接触表面粘附，模仿壁虎脚掌脚趾的内抓动作，完成粘附的过程；利用注水孔滴加去离子水，通过水沟使水迅速扩展到整个IPMC智能材料表面，以补充水分。
用IPMC驱动材料作为驱动元件代替传统的电机，可以省掉齿轮、轴承等复杂的驱动结构，同时减轻重量，实现了仿壁虎机器人脚掌的结构-驱动的一体化。通过调控电激励信号使IPMC驱动器发生弯曲形变，驱动仿壁虎脚掌人造刚毛粘附阵列，使其粘附在某接触表面，完成粘附和脱附的过程，实现仿壁虎脚掌的主动驱动技术。
弧状夹持片用于模仿壁虎的脚掌根部及小腿部肌肉，可以保证整个IPMC脚趾上的粘附阵列与接触表面充分接触。IPMC的形变是模仿壁虎脚掌的翻转（外翻和内抓）动作。在IPMC工作一定时间后向注水孔内滴加适量的去离子水，水分沿着水沟流动，水沟采用封闭设计（指水沟不可以开通到边界）防止水分的流失，用于补充和保持IPMC运动所需水分，延长IPMC在空气中的工作时间，从而提高仿壁虎脚掌的持久运动能力。
上述水沟可以存在多个交叉处，每个交叉处，均匀有一个注水孔。设置多个注水孔的优点是能够方便、快速地为IPMC补充水分。
上述水沟具体结构可以为：由两条头尾封闭的水沟组成，两条睡够曲折交叉，交点在中部，整体形成依次排列的菱形结构。这种结构的优点是使在水沟交点处补充的水分快速均匀的分布到整个IPMC驱动器表面。
上述IPMC智能材料在其基底膜的表面处理环节中可以使用目数在200-1800范围的超细研磨剂均匀直线定向打磨。该打磨方式可产生规律的、精细的表面，增加基体膜与金属电极之间的交界面积，有利于铂颗粒的沉积和降低IPMC的表面电阻。
上述定向打磨方向可以平行或垂直于IPMC长度方向。由于平行于IPMC长度方向的材料具有较高的弯曲模量，较打磨方向垂直于IPMC长度方向，平行于IPMC长度方向时IPMC的输出力较大，输出位移较小。
上述人造刚毛粘附阵列可以为倾斜仿生刚毛阵列。倾斜的刚毛可以使阵列获得较小的整体刚度，提高粘附阵列的接触性能。
上述倾斜仿生刚毛阵列为末端膨大结构。末端膨大结构可增加阵列实际接触面积，提高阵列的粘附性能。
附图说明
图1是Nafion膜各向异性的表面织构；
图2是经过化学镀形成的金属铂层；
图3是基于IPMC的仿壁虎脚掌主动驱动技术的整体驱动结构图；
图4是IPMC智能材料几何形状示意图；
图5是普通螺栓联接紧固示意图；
图6是注水膜上的注水孔和水沟示意图；
图7是倾斜仿生刚毛阵列；
图8是末端膨大的倾斜仿生刚毛阵列；
图9是脚掌驱动控制的示意图；
图10是IPMC驱动性能测试结果图；
图中标号名称：1为IPMC智能材料件，2为人造刚毛粘附阵列，3-1为上夹持电极，3-2为下夹持电极，4-1为弧状上夹持片，4-2为弧状下夹持片，5为注水膜，6为电源控制单元，7为注水孔，8为普通螺栓，9为有机玻璃（PMMA）垫片，10为水沟。
具体实施方式
1．IPMC的制备
1）Nafion膜的浇铸：将质量比为150:4:1的Nafion溶液、DMF、TEOS混合溶液倒入浇铸槽内，充分搅拌后，置于真空干燥箱内浇铸。分别在70℃下16h，90℃下2h，100℃下2h，120℃下1.5h，150℃下8min，进行阶梯升温，然后随炉冷却至室温，取出Nafion膜。
2）Nafion膜表面处理：使用牙膏作为研磨剂均匀直线式打磨Nafion膜表面。打磨完成后，分别在去离子水中超声清洗薄膜0.5h，2mol/L的HCl溶液中煮沸0.5h，去离子水中煮沸0.5h。观察到Nafion膜表面形成了各向异性的表面织构，如图1所示。配制27ml Pt浓度为3.5mg/ml的铂氨复合物溶液，0.6ml 5%氨水溶液，将膜浸泡于混合溶液中16h。
3）化学镀制备IPMC：
（1）主化学镀：用去离子水润洗经过离子交换的Nafion膜，放入盛有108ml去离子水的茄形瓶（旋转蒸发仪配套玻璃仪器）中，加热至40℃；每隔半小时，加1.2ml 1.5% NaBH4溶液，温度升高2℃，直至60℃，在60℃时加12ml 1.5% NaBH4溶液，反应1.5h；还原完成后，用去离子水清洗膜，并浸泡于0.1 mol/L HCl中。
（2）次化学镀：配制次镀镀液，铂氨复合物107.9077mg，去离子水72ml，5%氨水1.5ml，安装好旋转蒸发仪；将去离子水润洗后的薄膜放入镀液中，每隔半小时，加1.8ml 1.5% H2NOH∙HCl和0.9ml 20% H2NNH2，温度升高2℃，温度40℃~60℃。该步骤操作两次。可获得较均匀致密的金属镀层，如图2所示。
4）裁剪成适合尺寸：裁剪IPMC成所需要的几何形状。
5）锂离子交换：将去离子水清洗后的IPMC浸泡于2N的LiOH溶液中24h，温度为30℃。交换完毕即所需要的IPMC智能材料。
2．驱动结构的设计与制造
基于IPMC的仿壁虎脚掌的主动驱动技术的整体驱动结构如图3，该结构包括五个模块：IPMC智能材料件1，人造刚毛粘附阵列2，电极夹装装置（由夹持电极3和弧状金属夹持片4组成），注水膜5（含有注水孔7和水沟10）和电源控制单元6。IPMC智能材料的几何形状如图4所示，可以通过激光切割机裁剪成该形状，模仿壁虎的脚掌脚趾部分。由于需要驱动粘附阵列，必须保证IPMC有足够大的力与位移输出性能，本发明中IPMC智能材料的长度取30mm，厚度取0.46mm，经在测试平台（于敏, 张昊, 丁海涛, 何青松, 郭东杰, 戴振东. IPMC人工肌肉材料性能测试装置. CN101813533A）上测试，该IPMC驱动材料末端的单侧输出位移可达14mm（激光点距IPMC末端5mm），端部输出力可达到7g，可以驱动粘附阵列，驱动参数：正弦电压3V，频率0.1Hz。IPMC的电极夹装装置如图5所示，由弧状金属夹持片4和夹持电极3组成，该夹装装置用于模仿壁虎的脚掌根部及小腿部肌肉，该电极夹装装置可以保证整个IPMC脚趾上的粘附阵列与接触表面充分接触，通过普通螺栓8联接紧固，在螺栓8和夹持电极3之间增加有机玻璃垫片9（图中斜线部分），以防止短路。在IPMC的上表面贴上一层注水膜5，预留有注水孔7和水沟10，具体设计见图6。注水膜采用塑料薄膜，为长方形，其上有注水孔和水沟结构。水沟为菱形，注水孔处于水沟交叉中心位置，在IPMC工作一定时间后向注水孔7内滴加适量的去离子水，水分沿着水沟10快速流动分布于整个IPMC表面，水沟采用封闭设计防止水分的流失，用于补充和保持IPMC运动所需水分，延长IPMC在空气中的工作时间，从而提高仿壁虎脚掌的持久运动能力。粘附阵列为倾斜仿生刚毛阵列和末端膨大的倾斜仿生刚毛阵列，分别如图7（刘彬, 张昊, 郭东杰, 戴振东. 倾斜仿生刚毛的设计、制备及黏附性能研究. 摩擦学学报, 2009, 29(5): 393-398.）和图8所示（吴连伟, 张昊, 李佳波, 郭东杰, 戴振东. 末端膨大两级结构的制备及粘附性能测试. 机器人, 2011, 33(2): 228-234），粘附阵列与IPMC需要采用粘性材料（如双面胶）粘在一起。
3．脚掌驱动的控制
仿壁虎脚掌驱动的控制如图9，调控电源控制单元6发出正值电信号，电信号施加在电极夹装装置夹持电极3上，以激励IPMC智能材料件1，使IPMC发生弯曲变形，由水平位置向上弯曲（a位置），模仿壁虎脚掌脚趾的外翻动作，完成脱附的过程。随后调控电源控制单元6产生负值电信号，由该位置返回水平位置（b位置），主动驱动人造刚毛粘附阵列2，在IPMC的驱动力下，粘附阵列与某接触表面粘附，模仿壁虎脚掌脚趾的内抓动作，完成粘附的过程。当工作一定时间后（一般为2-5分钟），向注水孔7内滴加适量去离子水，以补充水分。如此多次循环控制，模仿壁虎脚掌的粘附运动，实现驱动-结构一体化的主动驱动方式。
附：IPMC驱动性能测试结果（端部输出位移和输出力），见图10。图10a为两个周期内最大输出力，图10b为800s内测试的最大输出力（IPMC末端输出力）随时间的变化图；图10c为两个周期内最大输出位移（测试点距IPMC悬置端5mm），图10d为800s内测试的最大输出位移随时间的变化图。
Claims (6)
1.一种基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌，其特征在于：
包括弧状上夹持片（4-1）、弧状下夹持片（4-2）、一端悬空另一端被上述夹持片夹持固定的IPMC材料件（1），还包括安装于弧状上夹持片（4-1）的上电极（3-1），安装于弧状下夹持片（4-2）的下电极（3-2），还包括与上电极（3-1）、下电极（3-2）连接的电源控制单元（6）；
上述IPMC材料件（1）上表面还贴有注水膜（5），下表面贴有人造刚毛粘附阵列（2），上述注水膜具有带有注水孔（7）的水沟（10）；该水沟（10）为封闭结构；
上述IPMC智能材料件（1）在其基底膜的表面处理环节中使用目数在200-1800范围的超细研磨剂均匀直线定向打磨，且定向打磨方向平行或垂直于IPMC长度方向。
2.根据权利要求1所述的基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌，其特征在于：上述水沟（10）存在多个交叉处，每个交叉处，均匀有一个注水孔（7）。
3.根据权利要求1所述的基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌，其特征在于：上述水沟由两条单独水沟首首相连、尾尾相连组成，且该两条单独水沟均为折线形式，任意一条单独水沟的任意一条折边与另一单独水沟有且只有一个交点，整体形成依次排列的菱形结构。
4.根据权利要求1所述的基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌，其特征在于：上述人造刚毛粘附阵列（2）为倾斜仿生刚毛阵列。
5.根据权利要求4所述的基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌，其特征在于：上述倾斜仿生刚毛阵列为末端膨大结构。
6.根据权利要求1所述基于IPMC的仿壁虎主驱动式脚掌的驱动方式，其特征在于包括以下过程：
调控电源控制单元（6）发出正值电信号，电信号施加在夹持电极上，以激励IPMC智能材料件（1），使IPMC发生弯曲变形，由水平位置向上弯曲，模仿壁虎脚掌脚趾的外翻动作，完成脱附的过程；
调控电源控制单元（6）产生负值电信号，IPMC智能材料件（1）由上弯位置返回水平位置，主动驱动人造刚毛粘附阵列（2），在IPMC的驱动力下，粘附阵列与某接触表面粘附，模仿壁虎脚掌脚趾的内抓动作，完成粘附的过程；
利用注水孔（7）滴加去离子水，通过水沟（10）使水迅速扩展到整个IPMC智能材料表面，以补充水分。
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