專利名稱：基于ipmc材料驅(qū)動的一維和二維仿生眼球裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于IPMC材料驅(qū)動的一維和二維仿生眼球裝置，屬于IPMC材料 應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
IPMC(Ionic Polymer Metallic Composite)離子交換膜金屬復(fù)合材料是一種新 型的離子型EAP (Electro-Active Polymer)電致動聚合物，是基于帶電離子的遷移和擴散 實現(xiàn)驅(qū)動的。它密度小，具有柔性，驅(qū)動電壓低及位移量大，能提供較高的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機 械能的變換效率，致動性能類似于天然肌肉，故稱其為“人工肌肉”，是一種適合于開發(fā)仿生 機器人的材料。因此，基于IPMC材料制備的驅(qū)動片具有高度的可操縱性、能耗低、無噪音， 可用于動物腳掌、人體手臂，仿生魚等仿生機器人的驅(qū)動。當(dāng)給IPMC薄膜施加直流電壓時，薄膜向陽極彎曲，并且彎曲程度隨著電壓的增加 而上升，直至達(dá)到飽和狀態(tài)。相反，當(dāng)IPMC受到彎曲變形時，IPMC也會在厚度方向產(chǎn)生電 壓。IPMC的致動機理比較復(fù)雜，涉及電能、化學(xué)能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。其主要不足是驅(qū) 動力較小，且需要水或潮濕環(huán)境。但與其它智能驅(qū)動材料相比，IPMC驅(qū)動電壓低、位移量 大；其變形收縮能力超過質(zhì)地脆硬的電學(xué)陶瓷100倍以上，而且在響應(yīng)時間、低重量及彈性 上大大超過形狀記憶合金，成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。美國NASA的JPL實驗室用IPMC致動器制造了除塵刷，用于太空小型衛(wèi)星的外表 面除塵(Bar-Cohen Y, etal. SPIE Press, 2004)；日本 Eamex 公司開發(fā)了 IPMC 材料的 商業(yè)產(chǎn)品人工魚(fforldffide Electroactive Polymers (ΕΑΡ) Newsletter, 1999)；日本 的仿生控制研究中心的Kentaro Takagi等受到螺旋彈簧的啟發(fā)，通過將兩個螺旋狀I(lǐng)PMC 條相反地放置，IPMC的一端連接到輸出軸，另一端固定在驅(qū)動容器的內(nèi)壁上，從而把IPMC 的彎曲運動轉(zhuǎn)化成有限的角度轉(zhuǎn)動 (Kentaro Takagi, et al. Smart Structures and Materials 2005 Proceedings of SPIE, 2005 )。目前已存在驅(qū)動的眼球運動的方式主要有如下的一些方式。實用新型95224192. 7 號專利，通過在玩偶眼珠后端設(shè)置配重塊，利用地心引力的原理，當(dāng)立起玩偶時，玩偶的眼 睛睜開，當(dāng)玩偶躺下時，它的眼睛閉上。它是通過帶動眼睫毛運動來模擬眼睛的睜閉，眼珠 不能轉(zhuǎn)動；中國專利公開號99213514. 1的“一種玩偶的眼珠眨動機構(gòu)”，采用電磁方式，通 過給線圈通電產(chǎn)生磁場，從而吸引磁吸件，斷電后，磁吸件靠自重回歸原位，使眼珠產(chǎn)生睜 閉眼動作。實用新型01204601. 9號專利，用馬達(dá)驅(qū)動使玩偶眼睛自動地左右轉(zhuǎn)動，其利用 偏心驅(qū)動原理使一撥塊撥動眼球體。它的特點是可實現(xiàn)兩個眼球的同步運動，但它須經(jīng)過 繁雜的機械傳動層層傳輸動力，有明顯的馬達(dá)噪音，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對IPMC人工肌肉材料的優(yōu)勢以及已存在的眼球驅(qū)動方式的不足，本發(fā)明的目 的在于提供一種采用IPMC人工肌肉材料驅(qū)動眼球運動的一維仿生眼球和二維仿生眼球裝置。基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的仿生眼球裝置，包含兩種結(jié)構(gòu)，一種是結(jié)構(gòu)驅(qū)動一 體化的一維擺動眼球，另一種是彈簧支撐的二維運動眼球。一種基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的一維仿生眼球裝置，其特征在于包括眼球、用 于驅(qū)動眼球擺動并支撐眼球的IPMC驅(qū)動片、一組電極、基板、透明外殼；上述眼球固定于 IPMC驅(qū)動片的一端；上述電極分別貼于IPMC驅(qū)動片另一端的兩側(cè)，且一起被夾緊并定位于 基板的方形通孔內(nèi)；上述透明外殼罩在眼球與IPMC柱之外，與基板之間形成密封空間；上 述密封空間注有去離子水。IPMC材料在一維仿生眼球裝置中，既用來作為驅(qū)動眼球往復(fù)擺動的驅(qū)動器，同時 用來作為支撐眼球的結(jié)構(gòu)部件。當(dāng)在上述電極上施加1-3V交流電信號，IPMC會帶動眼球 一起產(chǎn)生往復(fù)擺動形變，交流電壓幅值用以調(diào)控擺動幅度，交流電信號頻率用以調(diào)控眼球 擺動頻率?；贗PMC驅(qū)動原理，IPMC材料的驅(qū)動依賴水環(huán)境，故上述密封空間中充滿去離 子水保障了該驅(qū)動裝置較長壽命的工作。上述基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的一維仿生眼球裝置的夾持結(jié)構(gòu)可以為以下方 式上述基板具有與方形通孔垂直相通的用于安裝夾緊螺釘以夾緊IPMC驅(qū)動片和電極的 側(cè)向螺紋孔。采用夾緊螺釘夾緊。上述基板上還具有注水孔。一種基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的二維仿生眼球裝置，其特征在于包括基板、 眼球和一端與眼球連接另一端定位于基板上的用于支撐眼球(4)的圓柱彈簧，還包括用于 驅(qū)動眼球擺動的2或4組IPMC驅(qū)動組件，以及透明外殼；上述每組IPMC驅(qū)動組件均包括一 個IPMC驅(qū)動片和一組電極，IPMC驅(qū)動片的一端置于眼球內(nèi)側(cè)的滑槽中，上述電極分別貼于 IPMC驅(qū)動片另一端的兩側(cè)，且一起被夾緊并定位于基板的方形通孔內(nèi)；當(dāng)IPMC驅(qū)動組件 為2組時，為沿方形通孔相臨兩側(cè)面布置方式；當(dāng)IPMC驅(qū)動組件為4組時，為沿方形通孔四 側(cè)面布置方式；上述透明外殼罩在眼球與IPMC柱之外，與基板之間形成密封空間；上述密 封空間注有去離子水。IPMC材料在二維仿生眼球裝置中，用來作為驅(qū)動眼球運動的驅(qū)動器。相鄰兩驅(qū) 動片相互垂直，滿足眼球在兩個相互垂直的方向運動，即眼球可以左右擺動，也可以上下擺 動。當(dāng)在上述一組電極上施加1-3V交流電信號，IPMC材料彎曲產(chǎn)生驅(qū)動力，其力輸出的末 端置于眼球內(nèi)側(cè)的滑槽內(nèi)，迫使和眼球固定的圓柱彈簧產(chǎn)生彎曲變形，從而帶動眼球一起 產(chǎn)生往復(fù)擺動。與此同時，與其相鄰的另一 IPMC驅(qū)動片不發(fā)生彎曲變形，其末端在眼球內(nèi) 側(cè)的滑槽內(nèi)相對眼球滑動。眼球內(nèi)側(cè)的滑槽結(jié)構(gòu)避免了二維運動時IPMC驅(qū)動片之間的相 互干涉。上述基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的二維仿生眼球裝置，其特征在于上述基板具 有與方形通孔垂直相通的用于安裝夾緊螺釘以夾緊IPMC驅(qū)動片和電極的側(cè)向螺紋孔。采 用夾緊螺釘夾緊。上述基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的二維仿生眼球裝置，其特征在于還包括用于 固定圓柱彈簧并置于方形通孔中的方形定位塊。上述方形定位塊中間圓孔用于固定圓柱 彈簧，四個側(cè)面用于放置垂直相鄰的IPMC驅(qū)動組件，方便進(jìn)行電極的固定和夾緊。上述的基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的仿生眼球裝置，其特征在于上述基板上具有注水孔。


圖1為本發(fā)明的眼球一維運動裝置的三維立體分解圖。圖2本發(fā)明的眼球一維運動裝置的結(jié)構(gòu)裝配圖。圖3本發(fā)明的眼球一維運動裝置中眼球結(jié)構(gòu)的三維圖。圖4本發(fā)明的眼球一維運動裝置中眼球結(jié)構(gòu)的二維平面圖。圖5本發(fā)明的眼球二維運動裝置的三維立體分解圖。圖6本發(fā)明的眼球二維運動裝置的結(jié)構(gòu)裝配圖。圖7本發(fā)明的眼球二維運動裝置中眼球結(jié)構(gòu)的三維圖。圖8本發(fā)明的眼球二維運動裝置中眼球結(jié)構(gòu)的二維平面圖。圖中標(biāo)號1、電極，2、IPMC驅(qū)動片，3、基板，4、眼球，5、透明外殼，6、夾緊螺釘，7、 圓柱彈簧，8、定位塊，9、去離子水，3_1、方形通孔，3_2、注水孔，4_1、眼球內(nèi)側(cè)的基座， 4_2、眼球內(nèi)側(cè)的滑槽。具體實施方法
1. 一維仿生眼球?qū)嵤┓椒?圖1和圖2中，首先將IPMC驅(qū)動片2 —端直接固定在眼球4內(nèi)側(cè)的矩形槽(如圖3和 圖4中所示)中；IPMC驅(qū)動片2的另一端及兩側(cè)電極置于基板中心的方形通孔內(nèi)，用基板 兩側(cè)夾緊螺釘6將兩側(cè)放置電極的IPMC驅(qū)動片固定并夾緊在方形通孔內(nèi)，并用密封膠將方 形通孔密封；然后將球形透明外殼5粘結(jié)于基板3上，并且通過基板上的注水孔3_2向透明 外殼和基板形成的空腔內(nèi)注入去離子水；最后將注水孔3_2用密封膠密封。給電極1接通幅值1-3V，頻率0. I-IHz的正弦信號，在電壓信號的作用下，IPMC驅(qū) 動片2產(chǎn)生彎曲運動，帶動眼球一起產(chǎn)生一維的往復(fù)擺動。2. 二維仿生眼球?qū)嵤┓椒?br> 圖5和圖6中，將圓柱彈簧7—端固定在眼球的圓柱形孔4_1中，另一端固定在定位塊 8的圓柱形孔中；在定位塊8的兩個相鄰側(cè)面上依次固定包括IPMC驅(qū)動片和兩側(cè)電極的兩 組驅(qū)動組件，通過基板3側(cè)面上的夾緊螺釘6將驅(qū)動組件及定位塊固定在基板上的方形通 孔3_1中；IPMC驅(qū)動片的另一端插在眼球的滑槽4_2中，眼球內(nèi)側(cè)的四道滑槽也相應(yīng)90度 布置(如圖7和圖8所示)；將透明外殼5粘貼在基板3表面上，構(gòu)成一個封閉的空間，通過 基板上的注水孔3_2注入去離子水；最后將注水孔3_2用密封膠密封。分別對兩組電極施加幅值1-3V，頻率0. I-IHz的正弦信號，在電壓信號的作用下， IPMC驅(qū)動片產(chǎn)生彎曲運動，帶動眼球一起產(chǎn)生左右的擺動或上下的擺動。
權(quán)利要求
1.一種基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的一維仿生眼球裝置，其特征在于包括眼球(4)、 用于驅(qū)動眼球擺動并支撐眼球(4)的IPMC驅(qū)動片(2)、一組電極(1)、基板(3)、透明外殼 (5)；上述眼球(4)固定于IPMC驅(qū)動片(2)的一端；上述電極(1)分別貼于IPMC驅(qū)動片(2)另一端的兩側(cè)，且一起被夾緊并定位于基板(3) 的方形通孔內(nèi)；上述透明外殼(5)罩在眼球(4)與IPMC驅(qū)動片(2)之外，與基板(3)之間形成密封空間；上述密封空間內(nèi)注有去離子水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的一維仿生眼球裝置，其特征 在于上述基板(3)具有與方形通孔垂直相通的用于安裝夾緊螺釘(6)以夾緊IPMC驅(qū)動片 (2)和電極(1)的側(cè)向螺紋孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的一維仿生眼球裝置，其特征在 于上述基板(3)上具有注水孔。
4.一種基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的二維仿生眼球裝置，其特征在于包括基板(3)、 眼球(4)和一端與眼球(4)連接另一端定位于基板(3)上的用于支撐眼球(4)的圓柱彈簧 (7)，還包括用于驅(qū)動眼球擺動的2或4組IPMC驅(qū)動組件，以及透明外殼(5)；上述每組IPMC驅(qū)動組件均包括一個IPMC驅(qū)動片(2)和一組電極(1)，IPMC驅(qū)動片(2) 的一端置于眼球內(nèi)側(cè)的滑槽中，上述電極(1)分別貼于IPMC驅(qū)動片(2)另一端的兩側(cè)，且一 起被夾緊并定位于基板(3)的方形通孔內(nèi)；當(dāng)IPMC驅(qū)動組件為2組時，為沿方形通孔相臨兩側(cè)面布置方式；當(dāng)IPMC驅(qū)動組件為4 組時，為沿方形通孔四側(cè)面布置方式；上述透明外殼(5)罩在眼球(4)與IPMC驅(qū)動片(2)之外，與基板(3)之間形成密封空間；上述密封空間內(nèi)注有去離子水。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的二維仿生眼球裝置，其特征 在于上述基板(3)具有與方形通孔垂直相通的用于安裝夾緊螺釘(6)以夾緊IPMC驅(qū)動片 (2)和電極(1)的側(cè)向螺紋孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的二維仿生眼球裝置，其特征在 于還包括用于固定圓柱彈簧(7)并置于基板(3)的方形通孔中的方形定位塊(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于IPMC人工肌肉材料驅(qū)動的二維仿生眼球裝置，其特征在 于上述基板(3)上具有注水孔。
全文摘要
基于IPMC材料驅(qū)動的一維和二維仿生眼球裝置，屬于IPMC材料應(yīng)用領(lǐng)域。一維眼球裝置由透明外殼，眼球，IPMC驅(qū)動片，電極，基板構(gòu)成，可實現(xiàn)一個方向的眼球左右擺動。二維運動眼球由透明外殼，眼球，圓柱彈簧，IPMC驅(qū)動片，定位塊，電極，基板組成，可實現(xiàn)兩個垂直方向的眼球左右擺動或眼球上下擺動?？蛇\動的眼球及驅(qū)動片被封閉在密封的透明外殼和基板之間，封閉空間內(nèi)充滿去離子水，以提供IPMC驅(qū)動片需要的水環(huán)境?；宓暮蟛吭O(shè)置有電極，給電極施加預(yù)定的交流電壓信號，IPMC驅(qū)動片左右擺動，進(jìn)而驅(qū)動眼球?qū)崿F(xiàn)一維擺動或二維擺動運動，交流電壓幅值用以調(diào)控擺動幅度，交流電信號頻率用以調(diào)控眼球擺動頻率。
文檔編號A63H3/40GK102114345SQ20111000920
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者于敏, 何青松, 戴振東, 李玉秀 申請人:南京航空航天大學(xué)