CN102923286A

CN102923286A - 一种基于智能材料ipmc的仿蝠鲼水下航行器

Info

Publication number: CN102923286A
Application number: CN2012104247199A
Authority: CN
Inventors: 王田苗; 沈奇; 梁建宏; 王中俣
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，包括机器人主体、封闭塑料盒、塑料尾巴、仿胸鳍的薄膜、贴于薄膜上的IPMC驱动片、导线、置于封闭塑料盒内的控制电路和电源；控制电路给IPMC驱动片提供驱动电压信号，控制每侧的IPMC驱动片以不同模式摆动，进而使胸鳍产生不同的波形在水中摆动，为机器人提供游动的动力。本发明仿蝠鲼水下航行器采用新材料IPMC作为致动机构，驱动电压低，结构简单，实现容易；本发明仿蝠鲼水下航行器采用柔性机构，体积小；本发明仿蝠鲼水下航行器与其他水下航行器相比机动性高；本发明仿蝠鲼水下航行器在行驶过程中噪声低。

Description

一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器

技术领域

本发明涉及一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，属于IPMC材料应用、水下航行器技术领域。

背景技术

IPMC(Ionic Polymer Metallic Composite)离子交换膜金属复合材料是一种新型的离子型电致动聚合物，是基于带电粒子的迁移与扩散实现驱动的。它密度小，具有柔性，驱动电压低及位移量大，能提供较高的化学能转化为机械能的变换效率，致动性能类似于天然肌肉，故称其为“人工肌肉”，是一种适合于开发仿生机器人的材料。因此，基于IPMC材料制备的驱动片具有高度的可操纵性、能耗低、无噪音，可用于动物脚掌、人体手臂、仿生鱼等仿生机器人的驱动。

当对IPMC厚度方向施加电压时，IPMC会产生较大的变形，向阳极弯曲（直接现象）。相反，当IPMC受到弯曲变形时，IPMC也会在厚度方向产生电压（反现象）。这样，IPMC是一个机电耦合***。目前国内外研究大多数集中于如何提高IPMC的变形和输出力、IPMC的制备方法及其应用。

按照游动过程中的推进模式不同，水生生物可分为两类：身体／尾鳍推进模式(body and／or caudal fin，简称BCF)和水生生物和中央鳍／对鳍推进模式(median and／orpaired fin，简称MPF)水生生物。水下仿生机器人按照推进模式也分为这两种类型。虽然BCF游动模式推进的仿生自主水下机器人（AUV）最早问世，迄今为止，科研工作者对这种推进模式的仿生推进机理进行了大量的研究并研制出具有各种运动特性的样机平台，但是由于MPF游动的高机动性和高效性以及良好的稳定性和可控性，使MPF模式推进的仿生AUV具有更广泛的实际应用前景，因而这种推进模式的仿生AUV越来越受到人们的关注。

1999年，美国Nekton Research公司研制了一款四鳍驱动的仿生AUV样机PilotFish。2000年，日本东海大学的Kato等人研发了一条仿生机器黑鲈BASS-II。2004年，加拿大麦吉尔大学开发出六鳍驱动的水下仿生机器人AQUA。2007年，新加坡南洋理工大学研发了一款基于模块化设计的四鳍推进的仿生AUV样机。2008年，美国MIT的研究人员也研发了一款名为RoboTurtle的多鳍驱动的仿生AUV。2011年，美国海军研究实验室推出了一款四鳍拍动推进仿生AUV概念模型。

当今大多数仿生机器鱼采用电机作为驱动，不能设计的很精巧，具有体积较大，能耗大且电池利用率不高，噪音较大，感知机构复杂等弊端。

发明内容

本发明的目的是为了结束上述问题，提出一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器。

一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，包括机器人主体、封闭塑料盒、塑料尾巴、仿胸鳍的薄膜、贴于薄膜上的IPMC驱动片、导线、置于封闭塑料盒内的控制电路和电源；

封闭塑料盒密封固定在机器人主体上，塑料尾巴连接在机器人主体的尾部，薄膜的形状模仿蝠鲼的胸鳍，两片薄膜固定连接在机器人主体的两端，每片薄膜上贴有n片IPMC驱动片，n为自然数，大于等于1，两片薄膜与其上的IPMC驱动片均为对称设置，每片IPMC驱动片一端的上下表面分别连接一个金属电极；控制电路和电源位于封闭塑料盒内部，电源为控制电路供电，控制电路从封闭塑料盒中引出n对导线，在一对导线中，一根导线焊接在一个IPMC驱动片上表面的金属电极，另一根导线焊接在此IPMC驱动片下表面的金属电极，形成回路；控制电路给IPMC驱动片提供驱动电压信号，控制每侧的IPMC驱动片以不同模式摆动，进而使胸鳍产生不同的波形在水中摆动，为机器人提供游动的动力。

本发明的优点在于：

（1）本发明仿蝠鲼水下航行器采用新材料IPMC作为致动机构，驱动电压低，结构简单，实现容易；

（2）本发明仿蝠鲼水下航行器采用柔性机构，体积小；

（3）本发明仿蝠鲼水下航行器与其他水下航行器相比机动性高；

（4）本发明仿蝠鲼水下航行器在行驶过程中噪声低。

附图说明

图1是本发明的前视图；

图2是本发明的右视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的立体结构示意图；

图5是本发明薄膜与IPMC驱动片的示意图；

图6是本发明薄膜与IPMC驱动片的示意图；

图7是本发明的控制电路示意图；

图中：

1—机器人主体 2—封闭塑料盒 3—塑料尾巴

4—薄膜 5—IPMC驱动片 6—导线

7—金属电极

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器（机器人），如图1至图4所示，包括机器人主体1、封闭塑料盒2、塑料尾巴3、仿胸鳍的薄膜4、贴于薄膜4上的4对IPMC驱动片5、导线6、置于封闭塑料盒2内的控制电路和电源。

封闭塑料盒2密封固定在机器人主体1上，两者相贴合，封闭塑料盒2盖在机器人主体1上后，采用防水胶密封闭塑料盒2与机器人主体1之间的缝隙，以达到防水的效果。

机器人主体1为扁平形状，用于连接各个模块，机器人主体1采用聚合物泡沫制成，为机器人提供所需的浮力。

塑料尾巴3连接在机器人主体1的尾部，塑料尾巴3呈细长形，采用丙烯酸聚合物制成，以保证机器人可以在水中平稳的航行。

仿胸鳍的薄膜4如图1至图4所示，形状模仿蝠鲼的胸鳍。两片薄膜4固定连接在机器人主体1的两端，每片薄膜4上贴有4片IPMC驱动片5，IPMC驱动片5为带状，两片薄膜4与其上的IPMC驱动片5对称设置，每片IPMC驱动片5一端的上下表面分别连接一个金属电极7，金属电极7采用不锈钢表面镀金制成，可以达到抗腐蚀的作用。

控制电路和电源位于封闭塑料盒2内部，电源为控制电路供电，控制电路从封闭塑料盒2中引出8对导线6，在一对导线6中，一根导线6焊接在一个IPMC驱动片5上表面的金属电极7，另一根导线焊接在此IPMC驱动片5下表面的金属电极7，形成回路。

控制电路给IPMC驱动片5提供驱动电压信号，控制每侧的IPMC驱动片5以不同模式摆动，进而使胸鳍产生不同的波形在水中摆动，为机器人提供游动的动力。控制电路如图7所示，包括555定时器、H桥驱动电路、电压调节器，555定时器并联电容C₁和可调电阻R₁，电压调节器串联电阻R₃，R₃另一端接地，在启动时，控制电路能够对所有的IPMC驱动片5产生对应控制电压信号，进而驱动IPMC驱动片5运动。控制电路通过555定时器组成的多谐振荡器来产生一个占空比可调的方波信号，并利用H桥驱动电路对信号进行放大，实现对IPMC驱动片5进行控制，R₁为可调电阻，最大阻值为4.7KΩ，通过改变R₁阻值来改变占空比，C₁为组成多谐振荡器的电容，大小为0.01μf，由于555定时器最大电流输出为25mA，而IPMC驱动片5的驱动电流为1.5A，故将555定时器的输出信号通过H桥驱动电路放大，利用电压调节器来控制H桥驱动电路输出电压，R₃为大小为5.1KΩ的电阻，R₂为可调电阻，最大阻值为4.7KΩ，通过改变R₂阻值来改变电压调节器输出电压V_p，通过H桥驱动电路输出电流峰值为2A，最大电压为V_p的方波信号V₀，驱动IPMC驱动片5工作。

整个***由一个7.2V的锂电池作为电源。

实施例：

本发明的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，具体可以为：

机器人主体1的基座为80×40×5mm³，上面具有可以与IPMC驱动片5以及塑料尾巴3连接的装置，整个机器人主体1与封闭塑料盒2相贴合。封闭塑料盒2体积为70×20×23mm³，内部放置控制电路及电源。从封闭塑料盒2内引出的导线焊在金属电极7上。机器人主体1两侧连接四对IPMC驱动片5，IPMC驱动片5上下两端连接金属电极7。两片仿胸鳍的薄膜4分别与每侧的四条IPMC驱动片5贴合。塑料尾巴3连接在机器人主体1的尾部。IPMC驱动片5与胸鳍尺寸如图5、6所示，其中，仿胸鳍的薄膜4的长度为8cm，4条IPMC驱动片5（P1、P2、P3和P4）长度分别为50mm,70mm,50mm,30mm。宽度均为10mm。沿薄膜长度方向间隔10mm排列。薄膜形状为六边形，最大宽度为70mm，六边形各个角度为，90°，45°，45°，45°，45°，90°。IPMC驱动片5距离薄膜前后两端各5mm，薄膜前后两端垂直于长度方向的尺寸分别为45mm，25mm。

Claims

1.一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，包括机器人主体、封闭塑料盒、塑料尾巴、仿胸鳍的薄膜、贴于薄膜上的IPMC驱动片、导线、置于封闭塑料盒内的控制电路和电源；

2.根据权利要求1所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的n=4。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的机器人主体为扁平形状，材料采用聚合物泡沫。

4.根据权利要求1所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的IPMC驱动片为带状。

5.根据权利要求1所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的控制电路包括555定时器、H桥驱动电路和电压调节器；

555定时器并联电容C₁和可调电阻R₁，R₁最大阻值为4.7KΩ，C₁为0.01μf，控制电路通过555定时器组成的多谐振荡器产生一个占空比可调的方波信号，并利用H桥驱动电路对信号进行放大，实现对IPMC驱动片进行控制，其中通过改变R₁阻值来改变占空比；

利用电压调节器控制H桥驱动电路输出电压，电压调节器串联电阻R₃，R₃另一端接地，R₃为5.1KΩ，电压调节器并连可调电阻R₂，R₂最大阻值为4.7KΩ，通过改变R₂阻值来改变电压调节器输出电压V_p，通过H桥驱动电路输出电流峰值为2A，最大电压为V_p的方波信号V₀，驱动IPMC驱动片。

6.根据权利要求1所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的封闭塑料盒盖在机器人主体上后，采用防水胶密封闭塑料盒与机器人主体之间的缝隙，达到防水的效果。

7.根据权利要求1所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的塑料尾巴为细长形，采用丙烯酸聚合物制成。

8.根据权利要求1所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的金属电极采用不锈钢表面镀金制成。

9.根据权利要求2所述的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，其特征在于，所述的机器人主体的基座为80×40×5mm³，封闭塑料盒体积为70×20×23mm³，仿胸鳍的薄膜的长度为8cm，4条IPMC驱动片长度分别为50mm,70mm,50mm,30mm；宽度均为10mm；沿薄膜长度方向间隔10mm排列；薄膜形状为六边形，最大宽度为70mm，六边形各个角度为，90°，45°，45°，45°，45°，90°；IPMC驱动片距离薄膜前后两端各5mm，薄膜前后两端垂直于长度方向的尺寸分别为45mm，25mm。