CN111409803A - 一种基于ipmc驱动的仿生波动鳍 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，支架的一侧固定于机器鱼主体上，另一侧连接仿鳍面的弹性薄膜，弹性薄膜设置有多个IPMC驱动片，每个IPMC驱动片采用独立控制方式，以等相位差依次摆动，通过改变IPMC驱动片的摆动相位和驱动电压改变波动鳍运动状态从而使机器鱼在水中运动。本发明结构简单轻巧，能够模仿MPF模式中波动推进的鱼类进行运动，相较传统的驱动方式具有更高的柔性、机动性、隐蔽性和推进能效。

Description

一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍

技术领域

本发明属于仿生机器鱼驱动技术领域，具体涉及一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍。

背景技术

鱼类经过亿万年的进化，演化出非凡的运动本领，至今，人造航行器难以达到鱼类的游动效率。从鱼类推进方式得到启示，水下仿生推进机器人逐渐受到研究者关注，研究者试图通过模拟鱼类运动机制以提高水下航行器综合性能。然而传统仿鱼类机器人多采用刚性电机串联的驱动方式，使得在模拟鱼类运动方面只能做到“形似”，其推进效率远远低于真实鱼类。

近年来随着形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)、离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Mental Composite,IPMC)、压电陶瓷(Principle of lead ZirconateTitanate,PZT)等智能材料的不断发展，为研究仿生机器鱼驱动机构提供了新的思路。其中，IPMC材料凭借集传感、驱动、能量收集等功能于一身的优势，有望成为新一代水下驱动器制作材料。IPMC是一种离子型电致功能聚合物(Electroactive Polymer,EAP)材料，其主体是聚合物薄膜，薄膜两侧镀有薄的贵金属电极。在外加电压作用下，IPMC向阳极方向发生弯曲变形。以IPMC作为仿生机器鱼驱动器，与传统的电机驱动相比，具有能耗低、续航时间长、连续柔性好、运动无噪声、环境友好等优点。

目前，国内外的研究人员针对IPMC驱动仿生机器鱼已经做了一定的研究与探索。但其中以模仿BCF模式中尾鳍摆动驱动、身体波动驱动和MPF模式中的胸鳍摆动驱动的鱼类居多，而少有模仿MPF模式中依靠波动鳍推进的鱼类。而MPF推进模式仿生机器鱼在低速游动下的推进效率、机动性和稳定性更为出色，更加适应水下勘测和侦察作业，其中胸鳍波动推进仿生机器鱼更是具有优异的游动性能，已成为仿生机器鱼研究领域的新兴热点。

因此，研发一种IPMC驱动的，能够模仿MPF模式中波动推进鱼类的仿生波动鳍势在必行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，仿生波动鳍使用IPMC作为驱动器，能够模仿自然界中黑魔鬼鱼的波动推进，多片IPMC采用独立驱动的方式提高波动鳍自由度和机动性；采用夹层结构方式提高波动鳍整体刚性，做到“刚柔结合”。

本发明采用以下技术方案：

一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，包括支架，支架的一侧固定于机器鱼主体上，另一侧连接仿鳍面的弹性薄膜，弹性薄膜设置有多个IPMC驱动片，每个IPMC驱动片采用独立控制方式，以等相位差依次摆动，通过改变IPMC驱动片的摆动相位和驱动电压改变波动鳍运动状态从而使机器鱼在水中运动。

具体的，IPMC驱动片靠近支架一端的上下表面分别设置有电极，电极与IPMC驱动片连接，通过防水导管线外接动力源对IPMC驱动片供电。

具体的，多个IPMC驱动片依次间隔内嵌于弹性薄膜上。

进一步的，IPMC驱动片包括八个，且等距分布。

具体的，弹性薄膜采用聚二甲基硅氧烷材料制成。

具体的，控制波动鳍正弦波的传播方向实现控制机器鱼的前进或者后退运动，当前方IPMC驱动片的相位超前于后方的IPMC驱动片时，机器鱼进行前进运动；当前方IPMC驱动片的相位滞后于后方的IPMC驱动片时，机器鱼进行后退运动；当两侧波动鳍正弦波传播速度不一致时，机器鱼完成转向动作。

进一步的，当机器鱼左侧波动鳍IPMC驱动片上的电压小于机器鱼右侧波动鳍IPMC驱动片上的电压时，机器鱼进行左转运动；当机器鱼左侧波动鳍IPMC驱动片上的电压大于右侧波动鳍内IPMC驱动片上的电压时，机器鱼进行右转运动。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，采用智能材料IPMC而非传统电机或舵机作为驱动，省去了复杂笨重的机械传动机构，使得波动鳍柔顺性和连续性更好，结构更加简单轻巧；波动鳍中的IPMC驱动片是相互独立的，可对每一条IPMC驱动片进行单独控制，进而可驱动机器鱼的长鳍产生多种模式的行波，具有较好的机动性；波动鳍建立在IPMC驱动器上，金属浓度较低，很难通过金属探测器或雷达对其进行检测，隐蔽性高，以IPMC作为驱动的仿生机器鱼有希望成为侦察、监视和情报收集的对象。

进一步的，电极粘接于IPMC驱动片靠近支架一侧的上下表面，通过防水导管线外接动力源对IPMC驱动片进行供电；通过控制施加在IPMC驱动片上的电压信号，使IPMC驱动片的发生弯曲变形，从而带动波动鳍在水中产生运动。

进一步的，IPMC驱动片等距分布于仿鳍面的弹性薄膜中，这两者的设计分别模拟了自然界中黑魔鬼鱼波动鳍中的鳍条和鳍膜，可以模仿黑魔鬼鱼波动鳍产生波动运动。

进一步的，采用智能材料IPMC作为机器鱼的驱动装置，相比传统驱动方式，驱动电压小，能量转换率高，能耗小，续航时间长，产生的噪声小，对环境干扰性小；

综上所述，本发明结构简单轻巧，能够模仿MPF模式中波动推进的鱼类进行运动，相较传统的驱动方式具有更高的柔性、机动性、隐蔽性和推进能效。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明仿生波动鳍的结构示意图；

图2为仿生波动鳍内部IPMC驱动片的排布示意图；

图3为仿生波动鳍的制造过程示意图；

图4为仿生波动鳍的运动状态示意图；

图5为机器鱼前进时的驱动信号；

图6为机器鱼后退时的驱动信号。

其中：1.支架；2.电极；3.IPMC驱动片；4.弹性薄膜。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，采用丙烯酸支架连接机器鱼主体和波动鳍驱动系统，仿鳍面的弹性薄膜上粘合了8个等距分布的IPMC驱动片，通过设定合适的驱动电压信号，使仿生机器鱼在水中产生直线巡游(包括前进、后退)、左/右转弯等运动。本发明作为仿生机器鱼的驱动装置，能够增大机器鱼的柔顺性和续航能力，降低其运动噪音，提高隐蔽性，具有广泛的应用前景。

请参阅图1和图2，本发明一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，包括支架1、电极2、IPMC驱动片3和仿鳍面的弹性薄膜4。

支架1为丙烯酸支架，一侧固定于机器鱼主体上，另一侧连接IPMC驱动片3和仿鳍面的弹性薄膜4，对机器鱼主体和波动鳍驱动系统起过渡作用。

电极2为金属电极，采用金箔制作，粘接于IPMC驱动片的表面边缘处，作为IPMC驱动片上下表面的引出电极，通过防水导管线外接动力源对IPMC驱动片3进行供电。

IPMC驱动片3靠近支架1一端的上下表面分别粘接有一个电极2，另一端内嵌于仿鳍面的弹性薄膜4；仿鳍面的弹性薄膜4上依次间隔粘合有八个IPMC驱动片3，分别为IPMC驱动片3-1、IPMC驱动片3-2、IPMC驱动片3-3、IPMC驱动片3-4、IPMC驱动片3-5、IPMC驱动片3-6、IPMC驱动片3-7和IPMC驱动片3-8，八个IPMC驱动片3等距分布，如图2所示。

仿鳍面的弹性薄膜4采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)材料制成，其制作过程简便快速，材料成本低，具有光学透明、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、低杨氏模量导致的结构高弹性等特点。仿生波动鳍内部IPMC驱动片的排布示意图如图2所示。

请参阅图4，仿生波动鳍的运动方式为：

每一个IPMC驱动片3采用独立控制方式，相互配合；在外界动力源的驱动和控制下，一系列IPMC驱动片3按顺序以等相位差依次摆动，相邻IPMC驱动片3在摆动过程中除了相差一个固定的相位差以外，其它的运动参数(最大摆角、摆动频率)均相同，进而控制波动鳍产生一系列正弦行波，该行波在水中运动时，其包络的水被推向载体运动相反的方向，根据动量守恒原理，鳍面将受到一个的推力；通过改变IPMC驱动片3的摆动相位和驱动电压等参数，可使机器鱼在水中产生直线巡游(包括前进、后退)、左/右转弯等运动。

请参阅图3，仿生波动鳍的制造方法具体包括以下步骤：

S1、制备IPMC执行器；

IPMC材料的制造工艺包括：基体膜的前处理、浸泡还原渡、化学镀、材料后处理4个步骤，将制备好的IPMC材料切割成矩形条状作为仿生波动鳍的执行器。

S2、利用数控快速铣床铸造两个仿生波动鳍的模具，用于容纳IPMC执行器和PDMS薄膜；

两个模具尺寸相同，长度和宽度与所设计的波动鳍保持一致；8个等距分布的凹槽间隔距离与所设计的8个IPMC驱动片在仿鳍面的弹性薄膜中分布方式一致，深度为IPMC驱动片厚度的一半。

S3、配制PDMS凝胶，将PDMS凝胶均匀平铺作为上下封装膜片；将IPMC驱动片依次间隔放置在下封装膜片上，使IPMC驱动片下表面与PDMS胶粘合，将上封装膜片盖在IPMC驱动片上，均匀施压使PDMS胶和IPMC驱动片之间粘合均匀，再用模具夹紧，在室温下固化成型；

S4、去除模具，得到仿生波动鳍。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图5和图6，机器鱼直线巡游运动的实现，在电信号的刺激下，机器鱼两侧相邻IPMC驱动片3按顺序以相同频率和等相位差摆动，带动仿鳍面的弹性薄膜4产生一系列的正弦波动，产生推力推动鱼体。

通过控制波动鳍正弦波的传播方向可以控制机器鱼前进或者后退，当前方的IPMC驱动片相位超前于后方，则机器鱼前进；相反地，当前方的IPMC驱动片相位滞后于后方，则机器鱼后退。

驱动信号采用方波，前进时的驱动信号如图5所示，后退时的驱动信号如图6所示。

机器鱼左/右转弯运动的实现，当两侧波动鳍正弦波传播速度不一致时，机器鱼可以完成转向的动作。

左转时，通过控制施加在左侧波动鳍IPMC驱动片上的电压小于施加在右侧波动鳍IPMC驱动片上的电压。

右转时，通过控制施加在左侧波动鳍IPMC驱动片上的电压大于施加在右侧波动鳍内IPMC驱动片上的电压。

由于两侧的波动鳍运动幅度不同，产生了大小不同的推动力，且右侧推动力大于/小于左侧，使得机器鱼整体向左/向右偏转。施加在左侧波动鳍IPMC驱动片上的电压与施加在右侧波动鳍IPMC驱动片上的电压的差值越大，则机器鱼转弯的幅度和速度越大。

其中，当两侧波动鳍正弦波传播方向相反时，机器鱼可以完成最快的转向。以左转为例，当右侧波动鳍前方的IPMC驱动片相位超前于后方，而左侧波动鳍前方的IPMC驱动片相位滞后于后方，即右侧波动鳍采用图5所示驱动信号，左侧波动鳍采用图6所示驱动信号时，机器鱼左转；在前进或转弯过程中，施加在IPMC驱动片3上的电压要处于合理电压范围内。

本发明从自然界中黑魔鬼鱼高效的波动推进方式中获取灵感，提供了一种可应用于仿生机器鱼的波动鳍推进装置。采用多片IPMC驱动片等距分布于仿鳍面的弹性薄膜中的结构，模拟黑魔鬼鱼波动鳍中的鳍条和鳍膜，通过在各IPMC驱动器上施加独立的驱动电压信号，使其配合摆动，进而实现仿生波动鳍的波动推进。采用智能材料IPMC而非传统电机或舵机作为驱动，省去了复杂笨重的机械传动机构，使波动鳍结构更加简单轻巧，实现仿生机器鱼的柔性驱动，使其运动更具灵活性和连续性，更好的实现了对真实黑魔鬼鱼的模仿。

综上所述，本发明一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，结构简单轻巧，能够模仿MPF模式中波动推进的鱼类进行运动，相比传统驱动方式，驱动电压小，能量转换率高，能耗小，续航时间长，产生的噪声小，对环境干扰性小，具有更高的柔性、机动性、隐蔽性和推进能效。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于IPMC驱动的仿生波动鳍，其特征在于，包括支架(1)，支架(1)的一侧固定于机器鱼主体上，另一侧连接仿鳍面的弹性薄膜(4)，弹性薄膜(4)设置有多个IPMC驱动片(3)，每个IPMC驱动片(3)采用独立控制方式，以等相位差依次摆动，通过改变IPMC驱动片(3)的摆动相位和驱动电压改变波动鳍运动状态从而使机器鱼在水中运动。

2.根据权利要求1所述的基于IPMC驱动的仿生波动鳍，其特征在于，IPMC驱动片(3)靠近支架(1)一端的上下表面分别设置有电极(2)，电极(2)与IPMC驱动片(3)连接，通过防水导管线外接动力源对IPMC驱动片(3)供电。

3.根据权利要求1或2所述的基于IPMC驱动的仿生波动鳍，其特征在于，多个IPMC驱动片(3)依次间隔内嵌于弹性薄膜(4)上。

4.根据权利要求3所述的基于IPMC驱动的仿生波动鳍，其特征在于，IPMC驱动片(3)包括八个，且等距分布。

5.根据权利要求1所述的基于IPMC驱动的仿生波动鳍，其特征在于，弹性薄膜(4)采用聚二甲基硅氧烷材料制成。

6.根据权利要求1所述的基于IPMC驱动的仿生波动鳍，其特征在于，控制波动鳍正弦波的传播方向实现控制机器鱼的前进或者后退运动，当前方IPMC驱动片的相位超前于后方的IPMC驱动片时，机器鱼进行前进运动；当前方IPMC驱动片的相位滞后于后方的IPMC驱动片时，机器鱼进行后退运动；当两侧波动鳍正弦波传播速度不一致时，机器鱼完成转向动作。

7.根据权利要求6所述的基于IPMC驱动的仿生波动鳍，其特征在于，当机器鱼左侧波动鳍IPMC驱动片上的电压小于机器鱼右侧波动鳍IPMC驱动片上的电压时，机器鱼进行左转运动；当机器鱼左侧波动鳍IPMC驱动片上的电压大于右侧波动鳍内IPMC驱动片上的电压时，机器鱼进行右转运动。

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