CN111176149B - 一种基于勒洛三角截面的ipmc柔性微驱动*** - Google Patents

一种基于勒洛三角截面的ipmc柔性微驱动*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动***，包括柔性支撑体、IPMC驱动单元、圆周分布控制单元；柔性支撑体截面为勒洛三角形状，任意顶点至对应圆弧距离相等；IPMC驱动单元有3个，分别贴附在柔性支撑体的三个顶点处，各个IPMC驱动单元在圆周上呈120°均布；3个圆周分布控制单元分别对应于3个IPMC驱动单元，在圆周方向上分布式布置；所有的圆周分布式控制单元通过一个主MCU进行统筹管理。本发明在现有IPMC驱动控制特性基础上，通过3个IPMC驱动单元驱动具有勒洛三角截面的柔性末端，使得柔性末端在产生最大形变位移的同时，降低了其控制复杂度，也降低了IPMC电极的接线复杂度，提高其实用性。

Description

一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性微驱动***
技术领域
本发明涉及一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动***，属于智能材料的微驱动领域。
背景技术
离子交换树脂金属复合材料(Ionic Polymeric–Metal Composite, IPMC)是目前智能材料领域研究最为活跃的研究对象之一，在电场作用下产生有规律形变，同时在外部形变时将在两电极端子间形成微弱的电场信号，因此，IPMC既可作为一种自传感驱动器。目前基于IPMC的柔性微驱动末端较多使用圆形截面或者方形截面。由于圆形截面在截面各向惯性矩相同，使得圆形截面的柔性末端可以极大简化驱动控制模型；而使用方形截面的柔性末端虽然可以极大增加柔性末端形变位移，但其控制模型却相对复杂，且沿着圆周方向上的最大形变量变化较大，不适用于圆周形变量光滑度、连续性要求较高的场合。此外，由于圆形或者方形末端的外部电极数一般均为4个以上，电极接线复杂，在微纳驱动的实用性不强。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动装置及***，由于勒洛三角截面的特性，使得所述柔性驱动末端产生的最大形变量相对于圆形截面具有较大优势。同时由于各驱动电极位置对应的弧长度相等（即圆弧的一部分），使其控制模型近似于圆截面的控制模型。最后，勒洛三角截面本质是三角截面变体，控制时只需3个电极即可实现近似圆形截面的控制模型，极大简化电极接线工作，提高其实用性。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动***，所述***包括柔性支撑体、IPMC驱动单元、圆周分布控制单元；
所述柔性支撑体用于本***的应力承受部分，其截面为勒洛三角形状，任意顶点至对应圆弧距离相等；
所述IPMC驱动单元有3个，分别贴附在所述柔性支撑体的三个顶点处，各个IPMC驱动单元在圆周上呈120°均布，用作***的动力来源；
3个圆周分布控制单元分别对应于3个IPMC驱动单元，在圆周方向上同样呈120°均布，用于实现IPMC驱动单元的自传感驱动；
所有的圆周分布式控制单元通过一个主MCU进行统筹管理，根据已经采集的形变位移重构柔性末端的当前形变位移；并根据不同的动态追踪控制方法（譬如Kalman算法）实现柔性末端的动态定位控制。
作为优选方案，上述柔性支撑体的材料为软件硅胶或具有较大形变能力的超弹性材料。
作为优选方案，上述IPMC驱动单元选择般片状IPMC、圆形的IPMC驱动器、方形的IPMC驱动器中的一种。
作为优选方案，上述圆周分布控制单元包括一个MCU、一个采集电路、一个控制电路以及一个同位控制器；
MCU通过时序脉冲信号控制同位控制器的开关通断，进而实现同一IPMC驱动单元的采集与控制，实现IPMC驱动单元的自传感驱动；
所述采集电路包括采集MCU以及信号放大器，信号放大器连接采集MCU，所述采集电路分别连接MCU以及同位控制器，用于针对IPMC驱动单元的微信号进行特殊处理，能够放大微信号进行驱动；
所述控制电路包括驱动MCU、功率输出器，所述功率输出器连接驱动MCU，驱动MCU通过神经网络控制算法控制功率输出器，所述控制电路分别连接MCU以及同位控制器，用于抑制微信号中噪源，提高其信噪比；
所述同位控制器根据外部输入脉冲信号而有选择的进行采集或者是控制，所述外部输入脉冲信号由所述MCU通过时序脉冲产生。
本发明的有益效果是：在现有IPMC驱动控制特性基础上，通过3个IPMC驱动单元驱动具有勒洛三角截面的柔性末端，使得柔性末端在产生最大形变位移的同时，降低了其控制复杂度，也降低了IPMC电极的接线复杂度，提高其实用性。
附图说明
图1是本发明装置的截面布局以及简化控制模型图；
图2是本发明装置的控制电路简图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明所述的一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动装置，包括位于中间部分的柔性支撑体与均布在圆周上的3个独立IPMC驱动单元。
所述的柔性支撑体的材料可选择为软硅胶或者具有较大形变能力的超弹性材料。其横截面为勒洛三角形状，使得任意顶点至对应圆弧距离相等。在截面的三个顶点处各内嵌入一个独立的IPMC驱动单元。所述的IPMC驱动单元即可为片状的IPMC也可以是具有多向驱动能力的IPMC驱动器，例如圆形驱动器或方形驱动器。
所述的IPMC驱动单元圆周120度均布，各IPMC驱动单元的驱动力方向均指向柔性末端的轴心位置处。
3个圆周分布控制单元分别对应于3个IPMC驱动单元，在圆周方向上同样呈120°均布，用于实现IPMC驱动单元的自传感驱动；
所有的圆周分布式控制单元通过一个主MCU进行统筹管理，根据已经采集的形变位移重构柔性末端的当前形变位移；并根据不同的动态追踪控制方法（如Kalman等）实现柔性末端的动态定位控制。
如图2所示，圆周分布控制单元包括一个MCU、一个采集电路、一个控制电路以及一个同位控制器；
MCU通过时序脉冲信号控制同位控制器的开关通断，进而实现同一IPMC驱动单元的采集与控制，实现IPMC驱动单元的自传感驱动；
所述采集电路包括采集MCU以及信号放大器，信号放大器连接采集MCU，所述采集电路分别连接MCU以及同位控制器，用于针对IPMC驱动单元的微信号进行特殊处理，能够放大微信号进行驱动；
所述控制电路包括驱动MCU、功率输出器，所述功率输出器连接驱动MCU，驱动MCU通过神经网络控制算法控制功率输出器，所述控制电路分别连接MCU以及同位控制器，用于抑制微信号中噪源，提高其信噪比；
所述同位控制器根据外部输入脉冲信号而有选择的进行采集或者是控制，所述外部输入脉冲信号由所述MCU通过时序脉冲产生。
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。
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 (3)

1.一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动***，其特征在于：所述***包括柔性支撑体、IPMC驱动单元、圆周分布控制单元；
所述柔性支撑体用于本***的应力承受部分，其截面为勒洛三角形状，任意顶点至对应圆弧距离相等；
所述IPMC驱动单元有3个，分别贴附在所述柔性支撑体的三个顶点处，各个IPMC驱动单元在圆周上呈120°均布，用作***的动力来源；
3个圆周分布控制单元分别对应于3个IPMC驱动单元，在圆周方向上同样呈120°均布，用于实现IPMC驱动单元的自传感驱动；
所述圆周分布控制单元包括一个MCU、一个采集电路、一个控制电路以及一个同位控制器；
MCU通过时序脉冲信号控制同位控制器的开关通断，进而实现同一IPMC驱动单元的采集与控制，实现IPMC驱动单元的自传感驱动；
所述采集电路包括采集MCU以及信号放大器，信号放大器连接采集MCU，所述采集电路分别连接MCU以及同位控制器，用于针对IPMC驱动单元的微信号进行特殊处理，能够放大微信号进行驱动；
所述控制电路包括驱动MCU、功率输出器，所述功率输出器连接驱动MCU，驱动MCU通过神经网络控制算法控制功率输出器，所述控制电路分别连接MCU以及同位控制器，用于抑制微信号中噪源，提高其信噪比；
所述同位控制器根据外部输入脉冲信号而有选择的进行采集或者是控制，所述外部输入脉冲信号由所述MCU通过时序脉冲产生；
所有的圆周分布式控制单元通过一个主MCU进行统筹管理，根据已经采集的形变位移重构柔性末端的当前形变位移；并根据不同的动态追踪控制方法实现柔性末端的动态定位控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动***，其特征在于：所述柔性支撑体的材料为软硅胶。
3.根据权利要求1所述的一种基于勒洛三角截面的IPMC柔性驱动***，其特征在于：所述IPMC驱动单元选择般片状IPMC、圆形的IPMC驱动器、方形的IPMC驱动器中的一种。
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