CN108820176A - 一种基于ipmc驱动的仿生蝌蚪装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置及其驱动方法，其中装置包括头部壳体内部的空腔的最大截面上设置有用于放置IPMC驱动器的放置板，所述放置板下方空间放置电池组，紧贴电池组下方设置按钮开关，在电池组底部与外壳相接处位置开设开关通孔，所述按钮开关从开关通孔向外伸出；IPMC驱动材料与尾部连接处由硅胶连接及密封；IPMC驱动器通过外接电极片与尾部IPMC驱动材料在壳体内的一端相连。本发明根据IPMC材料的变形特点，采用智能IPMC材料为驱动材料；控制器采用以单片机为主的控制装置，可对频率，电压进行调节；本发明结构简单，供电方便，体积小巧，在仿生学研究上做出了扩展，同时为IPMC材料作为仿生机器人的驱动材料做了更加深入的研究及推广。

Description

一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置及其驱动方法，属于IPMC材料应用技术领域。

背景技术

仿生机器人研究一直是机器人研究领域的一个热门，随着机器人领域从普通工业领域向军事领域，医疗领域，娱乐领域的扩展，机器人系统所面对较为稳定的工作环境也逐渐被变为复杂、变化，动态的工作环境所代替。比如说在军事领域，仿生蝌蚪就大有前景，仿生蝌蚪就有在军事行动中提供敌情，探索地形的作用，是当前许多国家在军工领域研究的重点。而新的应用环境和领域对机器人技术本身也提出了更为严格的要求，而在仿生机器人的研究中，驱动材料的研究一直被作为重点。目前仿生机器人使用的驱动材料有压电材料，形状记忆合金，传统机械材料。而在实际应用过程中，压电材料所需电压过高，不容易实现；形状记忆合金所需温度较高，变型缓慢；传统机械材料设计结构复杂，运动模式单一。

新兴的电活性聚合材料(Electroactive polymers，简称EAP)是一种新型功能材料。作为一种典型的电激活材料，IPMC在外加电激励下可产生大变形，当激励撤除后，它又能恢复到原始的形状尺寸；此外，该材料在外力作用下发生形变，在一定条件下能产生相应的电信号。相对于传统智能材料，IPMC材料具有质量轻、运动灵活、能耗低、易于成形以及经受大变形而不易疲劳损伤等突出优点，使其迅速成为智能材料领域内的一个研究热点。因此IPMC材料作为仿生机器人驱动材料能够克服传统驱动材料所带来的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服背景技术中所涉及的缺陷，提供一种仿生蝌蚪装置及其驱动方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置，包括头部壳体和尾部，所述头部壳体内部有空腔，头部壳体外部一端设置用于连接尾部的通孔，所述尾部为连续变截面结构，尾部的一端设置在头部壳体的空腔内，另一端通过通孔穿出头部壳体，其特征是，头部壳体内部的空腔的最大截面上设置有用于放置IPMC驱动器的放置板，所述放置板下方空间放置电池组，紧贴电池组下方设置按钮开关，在电池组底部与外壳相接处位置开设开关通孔，所述按钮开关从开关通孔向外伸出；IPMC驱动材料与尾部连接处由硅胶连接及密封；IPMC驱动器通过外接电极片与尾部IPMC驱动材料在壳体内的一端相连。

进一步地，采用聚四氟乙烯与硅橡胶相结合的封装工艺对尾部IPMC材料进行封装。

进一步地，用于连接尾部的通孔为椭圆形通孔，在通孔与尾部IPMC材料连接处使用硅胶连接。

进一步地，所述头部壳体为由曲线旋转形成的变截面结构，远离尾部的一端体积较小，靠近尾部的一端体积较大。

更进一步，进一步地，所述头部壳体材料使用PVC聚氯乙烯材料或者高活性吸附硅胶材料。

进一步地，所述头部壳体外部设置有四周对称的三角形肋板。

进一步地，，所述放置板下部设置有四个圆柱形呈阵列分布在壳体内部的支撑架，支撑架上方设置有放置板。

进一步地，，所述放置板为长方形凹槽结构，凹槽内放置IPMC驱动器。

进一步地，IPMC驱动器包含电源、信号发生模块、信号放大模块、控制开关，电源为两个3.8V锂电池串联。

在另一个方面，本发明提供了一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置的驱动方法，采用如前所述的基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置，按下按钮开关，电源开始为IPMC驱动器供电，IPMC驱动器中的单片机信号发生器可以产生正弦或者方波交流信号，通过信号放大电路产生更大功率的信号，信号对IPMC材料进行激励，IPMC在接收到交流电信号后产生对向的反复变形，模拟出蝌蚪游动时尾部波动运动。

本发明所达到的有益效果：本发明根据IPMC材料的变形特点，采用智能IPMC材料为驱动材料。控制器采用以单片机为主的控制装置，可对频率，电压进行调节。以蝌蚪为仿生研究，设计了新颖的外部结构，壳体的流线型结构可以减少机器人在水中运动所受的阻力；同时壳体外部所设置的肋板可以增加蝌蚪在水中运动的稳定性。本发明结构简单，体积小巧，在仿生学研究上做出了扩展，同时为IPMC材料作为仿生机器人的驱动材料做了更加深入的研究及推广。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置Z方向刨面正等侧视图；

图3为本发明装置X方向刨面正等侧图；

图4为本发明装置实施例中电图结构视图；

图5为本发明装置尾部正等侧视图以及刨视图；

图1到图5中：1-1——壳体；1-2——肋板；1-3——尾部；1-4——轮廓线；2-1——平台支撑架；2-2——放置板；4-1——稳压电路；4-2——降压电路；4-3——放大电路；5-1——截面侧视图；5-1-1——圆形电极片；5-1-2——IPMC材料；5-2——尾部正视图；5-3——尾部正等侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1为本发明装置结构示意图；如图1所示，一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置，包括在同一轴线上的头部壳体1-1，包含IPMC材料的尾部1-3，在壳体外部按照阵列分部的三角形肋板1-2。

图3为本发明装置X方向刨面正等侧图；如图3所示，头部壳体为变截面形状，截面偏心距延远离尾部到靠近尾部，先增大后减小(因各处偏心距不同，添加轮廓线1-4进行辅助说明)，符合仿蝌蚪状的流线型结构。头部壳体内设有空腔。头部壳体可以采用任何形式的空腔结构，材料为轻质密封性好的材料，例如硅酸凝胶，聚乙烯。

如图1和图2所示，与外部壳体相接，按整列分部有四个三角形肋板，增加整体结构的稳定性，以及在运动过程中机体的稳定性，材料为轻质，刚度大的材料，与外壳材料相同或相似。

如图1-图3，图5所示，尾部为IPMC材料和硅胶制作的变截面结构，IPMC材料5-1-2剪裁为梯形置于硅胶材料内部(采用专利文献“一种IPMC驱动器的封装工艺”(申请号：201110255830.5)所描述的方法对IPMC材料进行封装)为增加更大变形程度，可使用多片IPMC叠加。越靠近壳体部分截面积越大，远离壳体部分截面积越小，根据IPMC材料的特性，远离壳体振动频率更大，此种设计类型更容在流体中驱动，转向。IPMC驱动材料与尾部连接处由硅胶连接及密封。

如图2，壳体内部主要存在结构支撑架2-1*4，用于放置IPMC驱动器的放置板2-2，支撑架为四个圆柱体呈阵列分部在壳体内部，放置板放在支撑架上方，为长方形凹槽结构，凹槽内用于放置IPMC驱动器。放置板及支撑架均为轻质，高强度材料。放置板下方放置3.7V锂电池串联，电源与IPMC驱动器相接，IPMC驱动器与尾部IPMC材料通过电极5-1-1相连接，电极为圆形电极片5-1-1，可采用市售的铜电极材料，线切割制成，两个电极片之间粘结IPMC驱动器。

图4为本发明装置实施例中电图结构视图；如图4所示，电路板由信号发生器，信号放大部分及稳压部分，减压部分组成，由IPMC材料特性，输出4V，1HZ正弦交流信号(输出电压及频率可调)，信号由单片机stm32输出，可以通过对单片机程序的编写更改信号的频率和幅值，或者可以改为方波信号，稳压IPMC驱动器和减压IPMC驱动器分别使用ST7805和LM2597。

打开电源，单片机产生交流信号，经过放大电路将信号放大后作用于IPMC材料，使材料产生横向的形变，形变频率和幅度取决于输出信号的频率与幅值，越远离壳体部分的形变频率越高。材料的形变在流体中产生推力从而实现整个机体在流体中的运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置，包括头部壳体和尾部，所述头部壳体内部有空腔，头部壳体外部一端设置用于连接尾部的通孔，所述尾部为连续变截面结构，尾部的一端设置在头部壳体的空腔内，另一端通过通孔穿出头部壳体，其特征是，头部壳体内部的空腔的最大截面上设置有用于放置IPMC驱动器的放置板，所述放置板下方空间放置电池组，紧贴电池组下方设置按钮开关，在电池组底部与外壳相接处位置开设开关通孔，所述按钮开关从开关通孔向外伸出；IPMC驱动材料与尾部连接处由硅胶连接及密封；IPMC驱动器通过外接电极片与尾部IPMC驱动材料在壳体内的一端相连。

2.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，采用聚四氟乙烯与硅橡胶相结合的封装工艺对尾部IPMC材料进行封装。

3.根据权利要求2所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，用于连接尾部的通孔为椭圆形通孔，在通孔与尾部IPMC材料连接处使用硅胶连接。

4.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，所述头部壳体为由曲线旋转形成的变截面结构，远离尾部的一端体积较小，靠近尾部的一端体积较大。

5.根据权利要求4所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，所述头部壳体材料使用PVC聚氯乙烯材料或者高活性吸附硅胶材料。

6.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，所述头部壳体外部设置有四周对称的三角形肋板。

7.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，所述放置板下部设置有四个圆柱形呈阵列分布在壳体内部的支撑架，支撑架上方设置有放置板。

8.根据权利要求7所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，所述放置板为长方形凹槽结构，凹槽内放置IPMC驱动器。

9.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪装置，其特征是，IPMC驱动器包含电源、信号发生模块、信号放大模块、控制开关，电源为两个3.8V锂电池串联。

10.根据权利要求9所述的基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置的驱动方法，其特征是，包括以下操作：按下按钮开关，电源开始为IPMC驱动器供电，IPMC驱动器中的单片机信号发生器可以产生正弦或者方波交流信号，通过信号放大电路产生更大功率的信号，信号对IPMC材料进行激励，IPMC在接收到交流电信号后产生对向的反复变形，模拟出蝌蚪游动时尾部波动运动。