專利名稱：基于ipmc驅(qū)動的三自由度仿生眼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能材料的應(yīng)用，具體涉及一種采用智能材料IPMC (離子聚合物-金屬復(fù)合材料)驅(qū)動的視覺仿生器件。
背景技術(shù)：
通過模擬生物眼來構(gòu)建人工視覺系統(tǒng)，使其具有類似于生物眼睛的特征或功能，稱之為仿生眼。目前，仿生眼在醫(yī)療、機器人、電子檢測等領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。到目前為止，關(guān)于仿生眼的研究已引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，申請?zhí)枮?00720106951.2和200810060006.2的專利文獻公開了有關(guān)仿生眼的研究成果，通過并聯(lián)氣動技術(shù)采用六個人工肌肉代替人類眼睛三對肌肉的結(jié)構(gòu)來模擬人類眼睛的運動形態(tài)。申請?zhí)枮?01010126955.3和201210075047.5的專利文獻提出一種三自由度并聯(lián)機構(gòu)來模擬人眼的運動方式，通過三個電機帶動絲桿螺母，控制動平臺的姿態(tài)，以確定眼睛的姿態(tài)。雖然上述結(jié)構(gòu)在一定的程度上實現(xiàn)了人眼的功能，但都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，運動方式單一等缺點，廣泛應(yīng)用存在一定困難。新型智能材料一IPMC的出現(xiàn)，為仿生眼的設(shè)計提供了一種全新思路。這種材料具有傳感-致動的雙向機電轉(zhuǎn)換功能，兼具質(zhì)量輕、柔韌性好、反應(yīng)迅速，施加1-3V的電壓能產(chǎn)生大的彎曲變形等特點，作為驅(qū)動器已應(yīng)用于動物腳掌、人體手臂，仿生魚等仿生領(lǐng)域。申請?zhí)枮?01110009203.3的專利文獻通過作為驅(qū)動結(jié)構(gòu)，提出了兩種仿生眼球:一種是采用IPMC結(jié)構(gòu)驅(qū)動一體化的一維擺動仿生眼球；另一種是彈簧支撐的能夠?qū)崿F(xiàn)上下左右二維運動的仿生眼球。然而這兩種仿生眼球過于簡單，實現(xiàn)的運動單一，且不能長時間在空氣中使用，未能完全體現(xiàn)IPMC材料的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用片狀2D (二維)_IPMC驅(qū)動器作為底部驅(qū)動結(jié)構(gòu)，利用柱狀3D (三維)-1PMC驅(qū)動器作為眼球驅(qū)動結(jié)構(gòu)，經(jīng)過封裝制成的仿生眼。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:一種基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，其特征在于，包括基座，該基座上表面設(shè)有一個往下凹進的腔體，該腔體底面上至少布置三個引伸至基座外側(cè)面的平面對電極，每個對電極都與一個2D-1PMC驅(qū)動器片的引出對電極連接，該多個2D-1PMC驅(qū)動器片的自由端在腔體底面上規(guī)則排列；一個尺寸稍小于腔體、形狀與腔體相同的底板的下表面固定在所述多個2D-1PMC驅(qū)動器片自由端上，該底板的中心設(shè)有孔，通過孔內(nèi)壁設(shè)置的至少兩個孔對電極連接一個柱狀3D-1PMC驅(qū)動器的引出對電極端，該柱狀3D-1PMC驅(qū)動器的另一端與一個半圓形眼球相連，該半圓形眼球外設(shè)置有一個與眼球同軸的球冠保護殼。上述方案中，所述基座由方形的基板與固定架通過四角的連接孔連接而成，所述固定架為一框架，其內(nèi)腔與基板上表面構(gòu)成向上開放的腔體，腔體底面，也即基板和固定架之間的連接面上預(yù)先貼有四個平面對電極，每個平面對電極均處于固定架邊框靠近連接孔的位置，并貫通邊框內(nèi)外；每個平面對電極均連接一個2D-1PMC驅(qū)動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅(qū)動器片的自由端伸進腔體內(nèi)，與其連接電極的邊框保持垂直，與相鄰邊框保持平行。所述底板為正方形板結(jié)構(gòu)，底板下面各邊邊緣處開有相互貫通的驅(qū)動器固定槽，槽的寬度比2D-1PMC驅(qū)動器片的寬度稍大，底板下表面與2D-1PMC驅(qū)動器片自由端連接時，該四個固定槽剛好將四個2D-1PMC驅(qū)動器片自由端卡住。所述柱狀3D-1PMC驅(qū)動器為正四棱柱狀結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:I)利用2D-1PMC驅(qū)動器的彎曲變形特性，通過巧妙的設(shè)計將彎曲運動轉(zhuǎn)化為直線運動，實現(xiàn)仿生眼的“凸起”運動。2)當(dāng)向每個對電極施加不同的電壓時，柱形3D-1PMC驅(qū)動器會產(chǎn)生多種彎曲形態(tài)，進而實現(xiàn)眼睛的上視、下視、側(cè)視以及斜視功能。3)3D_IPMC材料采用鑄膜技術(shù)鑄造，2D和3D-1PMC材料均經(jīng)過封裝工藝處理，可以增加在空氣中的使用期限。本發(fā)明通過2維和3維的IPMC懸臂的簡單結(jié)構(gòu)，就能實現(xiàn)仿生眼模擬眼睛的多種運動形態(tài)，為仿生眼的普及應(yīng)用提供了可能，具有很強的實際應(yīng)用價值。


圖1為本發(fā)明三自由度仿生眼結(jié)構(gòu)剖面圖。圖2為本發(fā)明三自由度仿生眼一個具體實施例的三維分解圖。圖3為圖2仿生眼中基座固定架結(jié)構(gòu)三維圖(底面)。圖4為圖2仿生眼中底板結(jié)構(gòu)三維圖(底面)。圖1到圖4中:1、基板，2、底板，3、螺釘，4、螺母，5、平面對電極，6、眼球，7、球冠保護殼，8、3D-1PMC驅(qū)動器柱，9、孔對電極，10、固定架，1U2D-1PMC驅(qū)動器片，12、腔體，13、驅(qū)
動器固定槽。圖5為本發(fā)明三自由度仿生眼另一個具體實施例的三維分解圖。圖6為圖5仿生眼中圓形基板I的結(jié)構(gòu)三維圖。圖7為圖5仿生眼中底板2的結(jié)構(gòu)三維圖(底面)。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。實施例一參考圖1，圖2，一種基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，包括凸起運動組件:基板1、固定架10、平面對電極5、四片2D-1PMC驅(qū)動器片11和底板2 ;球面運動組件:一根3D-1PMC驅(qū)動器柱(正四棱柱)、孔對電極9、半圓形的眼球6 (頂部可放置微型攝像頭)及球冠保護殼7。正方形基板和固定架(框架結(jié)構(gòu))通過四角的螺釘3、螺母4連接為一體，并形成往下凹進的腔體12。由于基板和固定架屬于結(jié)構(gòu)件，可采用硬質(zhì)材料(比如聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)。腔體底面，也即基板和固定架之間的連接面上預(yù)先貼有四個平面對電極5(兩個銅電極，一個貼于基板上面、一個貼于固定架下面)，每個平面對電極均處于固定架邊框靠近螺釘孔的位置，并貫通邊框內(nèi)外(圖3)。每個平面對電極均連接一個長條形2D-1PMC驅(qū)動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅(qū)動器片的自由端伸進腔體內(nèi)，與其連接對電極的邊框保持垂直，與相鄰邊框保持平行。然后將一塊正方形底板2 (尺寸小于固定架內(nèi)腔)固定在四個2D-1PMC驅(qū)動器片自由端上，通過3D-1PMC驅(qū)動器柱8連接球面運動組件。根據(jù)IPMC驅(qū)動器的變形特點，當(dāng)對平面對電極5施加正向直流電壓時，四片2D-1PMC驅(qū)動器同時產(chǎn)生彎曲運動，會把連接于其自由端上的底板2和球面運動組件托起，彎曲運動轉(zhuǎn)化為直線運動，可實現(xiàn)眼球的“凸起”運動。底板可采用低密度的輕質(zhì)材料(t匕如發(fā)泡聚苯乙烯PS)，可減少自身重力對驅(qū)動器驅(qū)動效果的影響。為了實現(xiàn)本發(fā)明仿生眼功能，3D-1PMC驅(qū)動器柱8所需要的較厚的Nafion膜按專利文獻(申請?zhí)?01210361131.3) “IPMC材料中Nafion膜的回收與重鑄工藝”所述工藝鑄造；為了使上述仿生眼能長期在空氣中使用，本發(fā)明2D和3D-1PMC材料均采用專利文獻(申請?zhí)?01110255830.5) “一種IPMC驅(qū)動器的封裝工藝”所述方法進行封裝處理。參考圖4，底板2為正方形板結(jié)構(gòu)，下面各邊邊緣處開有相互貫通的驅(qū)動器固定槽13，槽的寬度比2D-1PMC驅(qū)動器片的寬度稍大，底板裝配時，該四個固定槽13剛好將四個2D-1PMC驅(qū)動器片自由端卡住，可防止2D-1PMC驅(qū)動器彎曲變形時發(fā)生側(cè)偏。底板中間開有方孔，方孔大小與3D-1PMC驅(qū)動器柱8截面尺寸保持一致。方孔內(nèi)用硅膠貼有兩個孔對電極9 (圖1)，每個孔對電極之間保持不接觸。將3D-1PMC驅(qū)動器柱8的引出對電極端插入帶有孔對電極的基板方孔內(nèi)，另一端與裝有微型攝像頭的眼球6連接。將球冠保護殼7固定于基板2上，且與眼球6同軸，目的為了保護眼球。眼球和球冠保護殼均可采用低密度的輕質(zhì)材料PS。當(dāng)向孔對電極9施加不同幅值(1-3V)和頻率(0.1-1OHz)的正弦電壓信號時，正四棱柱形3D-1PMC驅(qū)動器會產(chǎn)生多種彎曲形態(tài)，進而帶動眼球?qū)崿F(xiàn)眼睛的上視、下視、側(cè)視以及斜視等復(fù)雜功能。實施例二參考圖5，另一種基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，該實施例中基板I和底板2均為圓形(圖6、圖7)，固定架為環(huán)形。該實施例中，基板和固定架之間的連接面上預(yù)先貼有6個平面對電極5沿基板(環(huán)形固定架)周向均勻分布，并貫通固定架環(huán)形內(nèi)外。每個平面對電極均連接一個長條形2D-1PMC驅(qū)動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅(qū)動器片的自由端伸進腔體內(nèi)，并指向圓心。沿底板周向均勻分布6個矩形槽，槽的寬度比2D-1PMC驅(qū)動器片的寬度稍大，底板下表面與2D-1PMC驅(qū)動器片自由端連接時，該矩形槽剛好將2D-1PMC驅(qū)動器片自由端卡住。其他安裝方式、材料等與實施例一相同。本發(fā)明不局限于以上實施例，例如，如采用圓形基板和底板，則平面對電極5的數(shù)目可在3-12之間選擇，相應(yīng)3 12個2D-1PMC驅(qū)動器片沿基板與環(huán)形固定架周向均勻分布即可。
權(quán)利要求
1.一種基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，其特征在于，包括基座，該基座上表面設(shè)有一個往下凹進的腔體，該腔體底面上至少布置三個引伸至基座外側(cè)面的平面對電極，每個對電極都與一個2D-1PMC驅(qū)動器片的引出對電極連接，該多個2D-1PMC驅(qū)動器片的自由端在腔體底面上規(guī)則排列；一個尺寸稍小于腔體、形狀與腔體相同的底板的下表面固定在所述多個2D-1PMC驅(qū)動器片自由端上，該底板的中心設(shè)有孔，通過孔內(nèi)壁設(shè)置的至少兩個孔對電極連接一個柱狀3D-1PMC驅(qū)動器的引出對電極端，該柱狀3D-1PMC驅(qū)動器的另一端與一個半圓形眼球相連，該半圓形眼球外設(shè)置有一個與眼球同軸的球冠保護殼。
2.如權(quán)利要求1所述的基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，其特征在于，所述基座由方形的基板與固定架通過四角的連接孔連接而成，所述固定架為一框架，其內(nèi)腔與基板上表面構(gòu)成向上開放的腔體，腔體底面，也即基板和固定架之間的連接面上預(yù)先貼有四個平面對電極，每個平面對電極均處于固定架邊框靠近連接孔的位置，并貫通邊框內(nèi)外；每個平面對電極均連接一個2D-1PMC驅(qū)動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅(qū)動器片的自由端伸進腔體內(nèi)，與其連接電極的邊框保持垂直，與相鄰邊框保持平行。
3.如權(quán)利要求2所述的基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，其特征在于，所述底板為正方形板結(jié)構(gòu)，底板下面各邊邊緣處開有相互貫通的驅(qū)動器固定槽，槽的寬度比2D-1PMC驅(qū)動器片的寬度稍大，底板下表面與2D-1PMC驅(qū)動器片自由端連接時，該四個固定槽剛好將四個2D-1PMC驅(qū)動器片自由端卡住。
4.如權(quán)利要求1所述的基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，其特征在于，所述柱狀3D-1PMC驅(qū)動器為正四棱柱狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于IPMC驅(qū)動的三自由度仿生眼，其特征在于，包括基座，該基座上表面設(shè)有一個往下凹進的腔體，該腔體底面上至少布置三個引伸至基座外側(cè)面的平面對電極，每個對電極都與一個2D-IPMC驅(qū)動器片的引出對電極連接，該多個2D-IPMC驅(qū)動器片的自由端在腔體底面上規(guī)則排列；一個尺寸稍小于腔體、形狀與腔體相同的底板的下表面固定在所述多個2D-IPMC驅(qū)動器片自由端上，該底板的中心設(shè)有孔，通過孔內(nèi)壁設(shè)置的至少兩個孔對電極連接一個柱狀3D-IPMC驅(qū)動器的引出對電極端，該柱狀3D-IPMC驅(qū)動器的另一端與一個半圓形眼球相連，該半圓形眼球外設(shè)置有一個與眼球同軸的球冠保護殼。
文檔編號A63H3/40GK103143176SQ201310077130
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者陳花玲, 王延杰, 王永泉, 朱子才, 常龍飛, 劉磊 申請人:西安交通大學(xué)