CN106404067A - 一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人 - Google Patents

一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人 Download PDF

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刘炎发
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Abstract

本发明公开了一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，适用于淡水养殖的水质监测，包括：壳体与遥控器，壳体上安装有电源、遥控模块、驱动模块、检测模块、监控模块、无线传输模块、报警模块以及控制模块；控制模块分别连接电源、遥控模块、驱动模块、检测模块、监控模块、无线传输模块以及报警模块；遥控器通过遥控模块控制水质监测机器人运动；电源为水质监测机器人供电；驱动模块包括电致动聚合物驱动器和避障模块；壳体上设有足部突沿和/或一个尾部突沿；足部突沿的数量至少为一对，电致动聚合物驱动器分别安装在足部突沿与尾部突沿上。它能够连续检测淡水养殖水域的水质参数，监控水下情况，对超标水质进行提前警报；同时功耗低，节能。

Description

一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人
技术领域
本发明涉及新型柔性智能材料驱动器、水质检测、机器人控制领域，尤其涉及一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，主要用于淡水养殖领域的水质监测。
背景技术
我国淡水资源总量达2.8万亿立方米，在世界排名第四。淡水养殖是改善粮食短缺的重要途径之一。我国的淡水养殖行业具有分布广、产量大、逐年增长的特点，以2014年为例，全国水产品总产量6461.52万吨，占世界水产品总产量的39.3％；淡水产品产量3165.30万吨，占全国水产品总产量的49％。
水质对淡水养殖的产品质量影响极大。水产品对所在水环境的各项主要水质指标有一个较适范围的要求，比如溶解氧含量的范围为5-8mg/L，PH值的较适范围为6.5-9.0，温度的较适范围为15-30℃；而某些水质指标超出较适范围时水产品的生长状况将受严重抑制，比如当氨含量高于0.02ppm大部分水生动物会死亡，余氯含量高于0.02ppm时会强烈腐蚀鱼虾粘膜，溶解氧含量长期低于3mg/L时水产动物生长减缓，长期高于12mg/L时鱼类又会患气泡病。
目前，大部分淡水养殖户虽然意识到了水质对水产品的重要性，但是凭借肉眼观察、经验判断缺乏科学依据，极易主观化。因此，采用专门的水质检测仪器对水质进行监测成为必要。
现有的水质检测仪器按规模大小可以分为便携式水质检测仪、大中型水质分析仪、水质监控系统。现有便携式水质检测仪虽然携带方便，可随时采样检测，但其检测的水质参数极为有限，且通常为单点、单区域测试，测量点依赖人为放置，因此难以对淡水养殖的水域进行全面的评估；大中型水质分析仪虽然可检测的指标数量多，对水质的整体评价较为全面，但是价格高昂且难以移动，对于小型养殖户来说会大幅度增加养殖成本，因此难以满足养殖户的实际需求；水质监控系统虽然能对水域的水质实时监控，但只能定点连续采样，具有区域局限性，且同样面临价格高昂不便携带的问题。因此针对淡水养殖开发便携式小型水质监测机器人就显得尤为必要。现有的机器人的所用的驱动系统大部分是传统的刚性驱动系统，结构复杂、笨重、耗能大。
发明内容
针对上述问题，本发明展示了一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，它能够连续检测淡水养殖水域的水质参数，监控水下情况并且传回终端，对超标水质进行提前警报；同时采用功耗低的驱动器，引领低耗发展、绿色发展的潮流。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，适用于淡水养殖的水质监测，所述水质监测机器人包括：壳体与遥控器，所述壳体上安装有电源、遥控模块、驱动模块、检测模块、监控模块、无线传输模块、报警模块以及控制模块；所述控制模块分别连接所述电源、遥控模块、驱动模块、检测模块、监控模块、无线传输模块以及报警模块；所述遥控器通过遥控模块控制水质监测机器人运动；所述电源为所述水质监测机器人供电；所述驱动模块包括电致动聚合物驱动器和避障模块；所述壳体上设有足部突沿和/或一个尾部突沿；所述足部突沿的数量至少为一对，所述电致动聚合物驱动器分别安装在足部突沿与尾部突沿上。
所述电致动聚合物驱动器包括至少一片片状的电致动聚合物材料，A电极与B电极，所述A电极分别固定在所述足部突沿与尾部突沿的外侧面上，所述A电极与所述电致动聚合物材料一侧接触，所述电致动聚合物材料另一侧与B电极接触，所述A电极、电致动聚合物材料以及B电极固定在所述足部突沿和所述尾部突沿上。
所述电致动聚合物材料为离子聚合物-金属复合材料、导电聚合物或巴基凝胶。
所述避障模块为超声波避障模块或红外线避障模块。
所述无线传输模块为蓝牙模块或zigbee模块。
所述壳体由聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂中的一种或多种制成。
所述检测模块包括温度传感器、湿度传感器、溶解氧传感器以及PH传感器，所述温度传感器通过温度检测电路连接控制模块，所述湿度传感器通过湿度检测电路连接控制模块，所述溶解氧传感器通过溶解氧检测电路连接控制模块，所述PH传感器通过PH检测电路连接控制模块。
所述监控模块包括摄像头或红外线热成像模块。
所述电源的输出电压小于10V，所述控制模块包括单片机或PLC控制器。
所述控制模块通过所述无线传输模块将检测的水质参数传输至终端显示器，所述报警模块包括蜂鸣器，当水质参数超出设定的范围时会发出警报。
本发明的有益效果有：摈弃现有刚性机器人复杂的驱动机构，利用新型电致动聚合物制作驱动模块实现机器人游动，既能很大程度上减轻机器人的重量，又能通过低耗能的驱动方式，引领低耗发展、绿色发展的潮流。
附图说明
图1为本发明的电气部分的连接图。
图2为仿海龟型水质监测机器人的壳体。
图3为驱动器足部的爆炸图，将A电极、IPMC、B电极按次序固定在下壳体的足部突沿或尾部突沿上。
图4为一种IPMC驱动的仿海龟型水质监测机器人的模型。
图5为一种IPMC驱动的仿巴西龟型水质监测机器人的模型。
图6为一种IPMC驱动的船型水质监测机器人的下壳体模型。
图7为一种IPMC驱动的船型水质监测机器人的右前足部局部示意图。
图8为水质监测机器人的制作流程。
其中，1为仿海龟型水质监测机器人的龟盖；2为仿海龟型水质监测机器人的下壳体；2-1为足部突沿或尾部突沿；3为液晶显示屏；4为51单片机；5为电致动聚合物材料；5a-1为左前足；5a-2为右前足；5b-1为左后足；5b-2为右后足；5c为尾部；6为蜂鸣器；7为温度传感器；8为蓝牙模块；9为PH传感器；10为浊度传感器；11为手机；12为仿巴西龟型水质监测机器人的下壳体；13为船型水质监测机器人的下壳体；14为PDMS纸；A为A电极；B为B电极。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，适用于淡水养殖的水质监测。水质监测机器人包括：壳体与遥控器，壳体上安装有电源、驱动模块、监测模块、监控模块、无线传输模块、报警模块以及控制模块。
壳体，用于承载各个模块并在水中行驶。其形状可以为仿海龟型、仿巴西龟型、船型或其他封闭壳体形状；可以通过3D打印获得，或是先设计相应模具再通过模具成型获得，所用的材料可选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂等轻型塑料。壳体的制作材质同时应满足密度尽量小、不渗水、不与水反应、强度相对较大等原则。仿海龟型与仿巴西龟型的壳体包括龟盖和下壳体，龟盖上设有龟纹。
如图1所示，控制模块分别连接电源、遥控模块、驱动模块、检测模块、监控模块、无线传输模块以及报警模块；遥控器通过遥控模块控制水质监测机器人运动。驱动模块包括电致动聚合物驱动器和避障模块，用于提供动力驱动机器人前行或转弯。
壳体上设有足部突沿和/或一个尾部突沿；足部突沿的数量至少为一对，电致动聚合物驱动器分别安装在足部突沿与尾部突沿上。电致动聚合物驱动器包括至少一片片状的电致动聚合物材料，A电极与B电极。足部突沿与安装在其上面的电致动聚合物材料、A电极、B电极构成足部；尾部突沿与安装在其上面的电致动聚合物材料、A电极、B电极构成尾部。足部和尾部通过在水中运动推进机器人直线游动或转弯。足部对称分布在壳体的两侧(左右或前后)，尾部分布在壳体的后侧。
电致动聚合物驱动器所需的电致动聚合物材料可以选自但不限于离子聚合物-金属复合材料(IPMC)、导电聚合物(CP)、巴基凝胶。
避障模块用于测定到障碍物的距离，为机器人运动提供避障信号，足部一侧运动一侧静止使得壳体产生转矩从而转弯。避障模块可选自超声波避障模块、红外线避障模块。测定范围为正前方90°内10-50cm。
检测模块用于检测各种水质指标。检测模块至少包括温度传感器、湿度传感器、溶解氧传感器以及PH传感器，温度传感器通过温度检测电路连接控制模块，湿度传感器通过湿度检测电路连接控制模块，溶解氧传感器通过溶解氧检测电路连接控制模块，PH传感器通过PH检测电路连接控制模块。各传感器直接接触水环境，将检测到的信号经由各相应模块传送至控制模块转化成相应的水质指标，最终由无线传输模块将水质指标传输至终端显示器。
无线传输模块可选自蓝牙模块、zigbee模块，主要将得到的水质指标参数传输至终端显示器；当水域面积小于100m2时选用蓝牙模块，当水域面积大于100m2时选用zigbee模块。
控制模块用于控制各个模块实现功能。控制模块可选自单片机控制系统或PLC控制系统。遥控器，用于手动控制机器人的运动。当通过遥控器控制时，遥控运动优先于自动运动。
监控模块可选自摄像头模块、红外线热成像模块，主要对水产品生命状况、种群密度及其他物种情况进行监控。警报模块为蜂鸣器模块，当水质指标超出所设定的参考范围时，蜂鸣器将鸣响警报同时在终端显示器显示超标的水质指标，并提醒改善水质以及提供初步改善水质的方案。
电源，用于对机器人各个模块供电以实现功能；电源输出电压在10V以下，可选用5V可充电干电池、锂电池。
实施例1
本实施例提供一种IPMC驱动的仿海龟型水质监测机器人，是以IPMC材料制作驱动模块的，即可检测温度、PH值、浊度三项水质指标，又可实现直线游动。
本实施例的仿海龟型水质监测机器人制作流程如图8所示。具体实施方式如下：
(1)控制模块：控制模块为51单片机电路板，51单片机的型号为STC89C52，电路板上设置有通讯供电口、电源开关、ZIP芯片座、蜂鸣器接口、蓝牙模块接口、8对5V电源引出等。各个模块或是焊接在控制模块相应接口上如蜂鸣器，或是通过杜邦线连接在相应接口上如检测模块、电源、驱动模块等，或是直接插在相应接口上如蓝牙模块。通过编程并导入单片机，再由单片机控制整个系统的运行。
(2)检测模块：检测模块由防水型DS18b20温度传感器、雷磁E-201-C可充式PH传感器、浊度传感器和相应检测电路组成，各传感器分别与相应检测电路连接，各相应检测电路通过杜邦线再与AD/DA转换模块、51单片机电路板的相应接口连接，可以检测水域的温度信号、PH值信号、浊度信号。
(3)无线传输模块：无线传输模块为HC-05主从机一体蓝牙模块，将其插入51单片机电路板的蓝牙模块接口，工作时可将检测到的水质指标通过蓝牙模块传输至终端显示器。
(4)警报模块：警报模块为蜂鸣器，直接焊在51单片机电路板的蜂鸣器接口上，当水质指标超出：
i).15℃<T<35℃；
ii).6.5<PH<9；
其中的任意一项，蜂鸣器将蜂鸣报警。
(5)电源：电源由3节7号南孚电池安装在电池盒中构成，电池盒安装在壳体上，正极引线先连接一个开关再接单片机的VCC接口，负极直接接单片机的GND接口，对整个水质监测机器龟系统进行供电，其中开关安装在壳体外部。
(6)壳体：根据以上各个模块，初步计算水质监测机器龟硬件的重量及体积，结合乌龟外壳，设计壳体的形状、尺寸。壳体由龟盖和下壳体组成，龟盖的轮廓尺寸为300mm×230mm×30mm，下壳体轮廓尺寸为240mm×200mm×53mm。龟盖上表面设置有阴刻龟纹，下壳体设置有4个足部突沿和1个尾部突沿，尾部突沿和足部突沿的尺寸保持一致，皆为20mm×3mm×15mm(长×宽×高)。
3D打印得到壳体，打印材料是光敏树脂，其密度约为1.3g/cm3，壳体总重为320g。仿海龟型水质监测机器人的龟盖1结构如图2所示。
(7)驱动模块：驱动模块仿照海龟的四肢和尾巴由4个足部1个尾部构成，足部和尾部的电致动聚合物材料皆由1片片状的镀Pd型IPMC材料构成，其尺寸为5mm×35mm，制作方法参照专利ZL201110085960.9，名称为《钯电极型离子聚合物-金属复合材料的制备工艺》。
i)、制作带杜邦线的电极：用剥线钳将杜邦线一头剥出金属丝，用电焊台将杜邦线露出金属丝的一头焊在铜箔胶带上，带杜邦线的电极初步制作完毕，注意焊接质量，共制作10份。再将裁剪成片状，5份作为A电极，5份作为B电极。
ii)、先将A电极粘贴在足部和尾部的突沿侧面，再让IPMC与A电极接触，接着让B电极与IPMC接触，B电极的长度方向与A电极的长度方向垂直，最后通过绝缘胶带将A电极、IPMC、B电极固定至突沿上，如图3所示，图中2-1为足部突沿或尾部突沿，5为电致动聚合物材料。
iii)、将10根杜邦线的另一端分别接在单片机开发板的相应接口上。
(8)终端显示器：可以是任意一款智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑、液晶显示屏；所述报警模块包括蜂鸣器，当水质参数超出设定的范围时会发出警报。在手机上安装和蓝牙模块配套的相应APP软件后，打开蓝牙、软件，和蓝牙模块连接后便可在终端显示温度、PH值和浊度三项水质指标。
将所有模块皆按顺序安装在下壳体的相应位置上，再将龟盖与下壳体铆合，水质监测机器龟组装完毕。打开开关，将其放入水中便可开始检测三项水质指标，通过手机连接上蓝牙模块后便可在手机上显示这三项水质指标。
如图4所示，仿海龟型水质监测机器人的下壳体2内部安装有51单片机4，液晶显示器3，蜂鸣器6，蓝牙模块8，仿海龟型水质监测机器人的下壳体的外侧壁上安装有左前足5a-1，右前足5a-2，左后足5b-1以及右后足5b-2，尾部5c。仿海龟型水质监测机器人的下壳体上还设有温度传感器7、PH传感器9以及浊度传感器10；将龟盖与下壳体铆合后下水，上述传感器对水质的相应参数进行检测然后传递给51单片机，51单片机经由蓝牙模块将信息传递给手机11进行显示。
实施例2
本实施例一种IPMC驱动的仿巴西龟型水质监测机器人除壳体足部突沿、尾部突沿、驱动模块、控制模块的程序，其余与实施例1一致，如图5所示。
壳体：仿巴西龟型水质监测机器人的下壳体12设置有4个足部突沿和1个尾部突沿，足部突沿和尾部突沿的尺寸不同，足部尺寸为20mm×3mm×30mm(长×宽×高)，尾部尺寸为20mm×3mm×15mm(长×宽×高)。
驱动模块：驱动模块仿照巴西龟由4个足部和1个尾巴构成，足部的电致动聚合物材料由3片片状的镀Pd型IPMC材料构成，尾部的电致动聚合物材料由一片片状的镀Pd型IPMC材料构成，其尺寸均为5mm×35mm。
实施例3
一种IPMC驱动的船型水质监测机器人除壳体、驱动模块、控制模块的程序，其余与实施例1一致。
船型水质监测机器人壳体：船型水质监测机器人下壳体13的设计如图6所示。
驱动模块：该模型只有4个足部突沿，无尾部突沿。各足部突沿的尺寸保持一致，皆为20mm×30mm×3mm(长×宽×高)。每个足部的电致动聚合物材料由3片片状的镀Pd型IPMC材料粘贴在PDMS纸14上，如图7所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，适用于淡水养殖的水质监测，其特征在于，所述水质监测机器人包括：壳体与遥控器，所述壳体上安装有电源、遥控模块、驱动模块、检测模块、监控模块、无线传输模块、报警模块以及控制模块；所述控制模块分别连接所述电源、遥控模块、驱动模块、检测模块、监控模块、无线传输模块以及报警模块；所述遥控器通过遥控模块控制水质监测机器人运动；所述电源为所述水质监测机器人供电；所述驱动模块包括电致动聚合物驱动器和避障模块；所述壳体上设有足部突沿和/或一个尾部突沿；所述足部突沿的数量至少为一对，所述电致动聚合物驱动器分别安装在足部突沿与尾部突沿上。
2.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述电致动聚合物驱动器包括至少一片片状的电致动聚合物材料，A电极与B电极，所述A电极分别固定在所述足部突沿与尾部突沿的外侧面上，所述A电极与所述电致动聚合物材料一侧接触，所述电致动聚合物材料另一侧与B电极接触，所述A电极、电致动聚合物材料以及B电极固定在所述足部突沿和所述尾部突沿上。
3.根据权利要求2所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述电致动聚合物材料为离子聚合物-金属复合材料、导电聚合物或巴基凝胶。
4.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述避障模块为超声波避障模块或红外线避障模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述无线传输模块为蓝牙模块或zigbee模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述壳体由聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂中的一种或多种制成。
7.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述检测模块包括温度传感器、湿度传感器、溶解氧传感器以及PH传感器，所述温度传感器通过温度检测电路连接控制模块，所述湿度传感器通过湿度检测电路连接控制模块，所述溶解氧传感器通过溶解氧检测电路连接控制模块，所述PH传感器通过PH检测电路连接控制模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述监控模块包括摄像头或红外线热成像模块。
9.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述电源的输出电压小于10V，所述控制模块包括单片机或PLC控制器。
10.根据权利要求1所述的一种基于电致动聚合物驱动的水质监测机器人，其特征在于，所述控制模块通过所述无线传输模块将检测的水质参数传输至终端显示器，所述报警模块包括蜂鸣器，当水质参数超出设定的范围时会发出警报。
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