基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚及其運(yùn)動方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚及其運(yùn)動方法，屬于智能材料應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。該機(jī)器魚是由胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)和尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)協(xié)同驅(qū)動魚體，胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)由一個位于魚體內(nèi)的U型機(jī)架和左右共兩組胸鰭機(jī)構(gòu)組成，每組胸鰭機(jī)構(gòu)均由三片IPMC材料片，轉(zhuǎn)動圓盤、轉(zhuǎn)動軸、胸鰭薄膜組成，可以實(shí)現(xiàn)上下拍翼和搖翼兩種動作；尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)由固定在尾部的電極夾持裝置、IPMC材料片、尾鰭組成，可以實(shí)現(xiàn)魚體軸線平面內(nèi)單向或雙向擺動。魚體內(nèi)部放置控制板和電池，通過設(shè)定合適驅(qū)動信號實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的直線巡游、加速/減速/急停、左右/轉(zhuǎn)彎、上浮/下潛等運(yùn)動模式。
【專利說明】基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚及其運(yùn)動方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種基于離子聚合物金屬復(fù)合材料的尾鰭和胸鰭協(xié)同驅(qū)動的小型機(jī)器魚，屬于智能材料應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]離子聚合物金屬復(fù)合材料(ionic polymer metal composite, IPMC)是一種離子型電致動聚合物，又被稱為“人工肌肉”，它是在全氟磺酸離子交換樹脂(如Nafion膜)的表面沉積鉬、金等貴金屬電極而獲得的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料。IPMC在低電壓激勵下能產(chǎn)生大變形，其電致動變形機(jī)理源于陽離子的電泳現(xiàn)象，在外加電場的作用下，薄膜中陽離子與水分子結(jié)合在一起遷移至陰極，導(dǎo)致陽極含水量減少，陰極含水量增加，使IPMC產(chǎn)生變形。IPMC具有質(zhì)量輕、驅(qū)動電壓低、位移大、無噪聲、驅(qū)動能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，在微驅(qū)動、傳感器和醫(yī)用高分子材料等方面有廣泛的應(yīng)用前景(Shahinpoor M, KimKJ.1onic polymer -metal composites:1V.1ndustrial and medical applications.Smart Materials andStructures, 2005, 14(1): 197-214.)。
[0004]美國紐約大學(xué)理工學(xué)院的Aureli等人設(shè)計(jì)了由智能材料IPMC驅(qū)動的小型機(jī)器魚(Aureli M, Kopman V, Porfiri M.Free-1ocomotion of underwater vehicles actuatedby ionic polymer metal composites.1EEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2010,15(4): 603-614.)。該機(jī)器魚的外殼用黑色的ABS塑料制作而成，尺寸為:長90 mm、寬35mm,高45 mm。IPMC的一端連接梯形娃樹脂材料的尾鰭,另一端通過金屬電極夾裝在魚體外殼上，整個魚體長度(外殼+魚尾)是130 mm。機(jī)器魚自身攜帶控制板和兩節(jié)聚合物鋰電池，均被密封在魚體內(nèi)。
[0005]美國密歇根州立大學(xué)的Tan等人相繼設(shè)計(jì)出3代基于IPMC驅(qū)動的仿生機(jī)器魚，無論從外形還是性能上，第三代機(jī)器魚都已經(jīng)達(dá)到了很好的效果。為了進(jìn)一步減少游動阻力并且有足夠的空間容納充電電池和各種各樣的電子元器件，第三代機(jī)器魚的外殼的形狀和尺寸以真魚的實(shí)際形狀和尺寸作為依據(jù)專門定制，前兩代機(jī)器魚的尾鰭是由整片切成尾鰭形狀的IPMC構(gòu)成，而第三代則是條形IPMC與特制的塑料尾鰭構(gòu)成，這樣能夠在很大程度上增加驅(qū)動速度，通過改變塑料尾鰭的尺寸和IPMC的擺動頻率，第三代機(jī)器魚的游速已經(jīng)能夠到21mm/s。第三代機(jī)器魚的具體尺寸為:除去尾部，魚身大約是14.8 cm長,6.3 cm高和5.2 cm寬。尾部是 大概5厘米長。不論是第二代還是第三代機(jī)器魚均搭載了驅(qū)動模塊、GPS導(dǎo)航模塊、ZigBee無線通信模塊、溫度傳感器和聚合物鋰電池，很好的驗(yàn)證了該機(jī)器魚作為移動傳感平臺的能力。([I] Tan X, KimD, Usher N, et al.An autonomous roboticfish for mobile sensing.1EEE/RSJ International Conference on Intelligent Robotsand Systems, 2006: 5424-5429.[2] Mbemmo E, Chen Z, Shatara S, et al.Modeling ofbiomimetic robotic fish propelled by an ionic polymer-metal composite actuator.1EEEInternational Conference on Robotics and Automation, 2008: 689-694.[3] Shatara S,Tan X, Mbemmo E, et al.Experimental investigation on underwater acoustic rangingfor small robotic fish.1EEE International Conference on Robotics and Automation,2008: 712-717.)
東北大學(xué)的郝麗娜等人設(shè)計(jì)了基于IPMC驅(qū)動的小型機(jī)器魚。該機(jī)器魚集成了紅外信號發(fā)射頭和超聲波發(fā)射頭，通過與搭建的基站上的紅外接收頭和超聲波接收頭進(jìn)行通訊，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的定位。同時，在機(jī)器魚的內(nèi)部又植入了一個數(shù)字羅盤和一個溫度傳感器，用于檢測機(jī)器魚的游動姿態(tài)和周圍的水環(huán)境溫度。該機(jī)器魚的最大平均游速是7.6 mm/s,定位范圍100 cnTl50 cm。(徐夙.基于IPMC的小型機(jī)器魚研究與開發(fā)，[碩士學(xué)位論文].東北大學(xué)，2009.)
哈爾濱工程大學(xué)的葉秀芬等人設(shè)計(jì)了基于IPMC驅(qū)動的第一代厘米級自主微型機(jī)器魚。該機(jī)器魚模仿的是金魚的游動方式，整體尺寸為:長98 mm，寬30 mm，高22 mm，魚體重量21.9克。為了提高機(jī)器魚的機(jī)動性，該仿生機(jī)器魚除了能夠完成常規(guī)的直線巡游外，還能實(shí)現(xiàn)左/右轉(zhuǎn)彎、自動避障的運(yùn)動模式和無線遙控的功能。為了減小水的阻力，第二代機(jī)器魚的外殼模仿了歐洲小鯽魚的外形，殼體由玻璃纖維制造。為了更好的模擬真魚尾鰭的擺動軌跡，提高推進(jìn)效率，尾鰭部分采用了 PVC薄片連接IPMC驅(qū)動器，IPMC驅(qū)動器連接PVC薄片尾鰭的結(jié)構(gòu)形式。第二代機(jī)器魚的游速最大可以達(dá)到24 mm/s,最小轉(zhuǎn)彎半徑為8 _。在前兩代機(jī)器魚的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)又成功設(shè)計(jì)出帶有胸鰭的能夠在三維環(huán)境下游動的自主機(jī)器魚。機(jī)器魚的胸鰭采用了與尾鰭類似的結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是將尾鰭翻轉(zhuǎn)90度安裝在魚體的兩側(cè)得到。通過控制胸鰭和尾鰭，該機(jī)器魚可以實(shí)現(xiàn)直線巡游、轉(zhuǎn)彎巡游、突然加速、滑行模式和上浮下潛的運(yùn)動模式。([I] Ye X，Su Y, GuoS.A centimeter-scale autonomousrobotic fish actuated by IPMC actuator.1EEE International Conference on Roboticsand Biomimetics, 2007: 262-267.[2] Ye X, Su Y, Guo S, et al.1CPF actuator-basednovel type of 3D swimming microrobot.1EEE International Conference on Mechatronicsand Automation, 2008: 557-562.)
綜上所述，目前的基于IPMC驅(qū)動的小型機(jī)器魚驅(qū)動方式比較單一，如Aureli等，Tan等，郝麗娜等研制的機(jī)器魚是尾鰭驅(qū)動，葉秀芬等研制的機(jī)器魚是尾鰭結(jié)合胸鰭驅(qū)動，但胸鰭的驅(qū)動方式比較單一，不能實(shí)現(xiàn)胸鰭的搖翼、前后拍翼動作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于IPMC驅(qū)動的雙側(cè)胸鰭和單尾鰭協(xié)同擺動的小型機(jī)器魚及其運(yùn)動方法。胸鰭能夠?qū)崿F(xiàn)兩個自由度的運(yùn)動，尾鰭能夠?qū)崿F(xiàn)單向或雙向擺動，從而使機(jī)器魚能夠完成更多的游動模式，增強(qiáng)其機(jī)動性。
[0007]一種基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，包括魚體、胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)、尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)、控制板和電源組成；其特征在于:所述胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)由一個位于魚體內(nèi)的U型機(jī)架和左、右共兩組胸鰭機(jī)構(gòu)組成；其中每組胸鰭機(jī)構(gòu)均由第一 IPMC材料片、轉(zhuǎn)動軸及軸承、轉(zhuǎn)動圓盤、胸鰭薄膜、第二 IPMC材料片、第三IPMC材料片組成；所述U型機(jī)架由左、右共兩塊側(cè)板和底板組成；所述轉(zhuǎn)動圓盤通過所述轉(zhuǎn)動軸及軸承安裝于所述U型機(jī)架側(cè)板的外側(cè)；所述轉(zhuǎn)動圓盤內(nèi)側(cè)具有一對伸向U型機(jī)架底板上方的撥桿；所述U型機(jī)架的底板設(shè)有IPMC放置溝槽；所述第一 IPMC材料片下部利用螺釘與其前、后兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于該IPMC放置溝槽內(nèi)；該第一 IPMC材料片的上部恰好位于上述一對撥桿之間；所述轉(zhuǎn)動圓盤外側(cè)固定著兩個胸鰭薄膜連接塊；所述第二 IPMC材料片利用螺釘與其上、下兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于其中一個胸鰭薄膜連接塊處，所述第三IPMC材料片利用螺釘與其上、下兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于另一個胸鰭薄膜連接塊處；所述胸鰭薄膜安裝于第二 IPMC材料片和第三IPMC材料片的上表面。機(jī)架和轉(zhuǎn)動圓盤可以采用光敏樹脂進(jìn)行3D打印成型，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、防水的優(yōu)點(diǎn)；該胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)為二自由度，可以實(shí)現(xiàn)上下拍翼和搖翼兩種動作。上下拍翼動作可帶動魚體兩側(cè)的胸鰭朝著正下方擺動產(chǎn)生推力，一方面相對重心形成轉(zhuǎn)矩使使魚體上仰，另一方面可以作為魚體上浮的升力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的上浮/下潛，而搖翼和拍翼動作的組合可產(chǎn)生作用于魚體前進(jìn)的推力、阻力，推動魚體轉(zhuǎn)動的力矩，從而使得機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)加速/減速，左/右轉(zhuǎn)彎；所述尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)包括通過電極夾持裝置固定在魚體尾部的第四IPMC材料片，以及安裝于第四IPMC材料片末端的尾鰭組成。該尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)魚體軸線平面內(nèi)單向或雙向擺動，產(chǎn)生推進(jìn)魚體前進(jìn)的推力，使得機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)直線巡游或轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。
[0008]所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述第二 IPMC材料片、第三IPMC材料片與所述胸鰭薄膜采用IPMC、硅橡膠一體澆注成型結(jié)構(gòu)。胸鰭薄膜采用硅橡膠制備，具有柔軟、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，可使得第二 IPMC材料片、第三IPMC材料片的運(yùn)動性能最大程度地發(fā)揮。采用一體澆注成型無需膠接，具有工藝結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
[0009]所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述的電極夾持裝置為L型。電極夾持裝置采用L型對魚體和尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)的連接起到了過渡作用。
[0010]所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述尾鰭為前小后大的梯形薄片結(jié)構(gòu)。該梯形薄片結(jié)構(gòu)模仿真實(shí)魚的尾鰭，可提高魚體推進(jìn)效率。
[0011]所述的基于離子型肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述控制系統(tǒng)由微控制器、驅(qū)動信號生成單元、紅外遙控單元和紅外避障單元組成。
[0012]所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚的運(yùn)動方法，其特征在于包括以下過程:每一個IPMC材料片采用獨(dú)立控制方式，相互配合；其中電信號激勵下，第一 IPMC材料片產(chǎn)生彎曲變形，帶動撥桿驅(qū)動相應(yīng)轉(zhuǎn)動圓盤轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)胸鰭的搖翼動作；其中電信號激勵下，第二 IPMC材料片、第三IPMC材料片產(chǎn)生彎曲變形，驅(qū)動胸鰭薄膜彎曲變形，實(shí)現(xiàn)胸鰭的上下拍翼動作；其中電信號激勵下，第四IPMC材料片產(chǎn)生彎曲變形，驅(qū)動尾鰭彎曲變形，實(shí)現(xiàn)尾鰭的擺動。通過二自由度胸鰭和尾鰭的組合驅(qū)動形式使得小型機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動模式:直線巡游、加速/減速/急停、左/右轉(zhuǎn)彎、上浮/下潛等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1機(jī)器魚示意圖；
圖2胸轄驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖一；
圖3胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖二；
圖4機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)不意圖一；圖7尾轄驅(qū)動系統(tǒng)不意圖二；
圖8直線巡游的驅(qū)動信號；
圖9加速/減速的驅(qū)動信號；
圖10急停的驅(qū)動信號；
圖11左轉(zhuǎn)彎時尾鰭的驅(qū)動信號；
圖12胸鰭參與擺動時左轉(zhuǎn)彎的驅(qū)動信號；
圖13上浮和下潛的驅(qū)動信號；
圖14控制系統(tǒng)組成框圖；
圖15控制系統(tǒng)的輸出信號.(a)直線巡游的驅(qū)動信號；(b)上浮/下潛和加速/減速的驅(qū)動信號；(c)急停的驅(qū)動信號；(d)左/右轉(zhuǎn)彎的驅(qū)動信號。
[0014]圖中標(biāo)號名稱:1為魚體，2為胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)，2-1為U型機(jī)架，2-2為第一 IPMC材料片，2-3為轉(zhuǎn)動軸及軸承，2-4為轉(zhuǎn)動圓盤，2-5為胸鰭薄膜，2-6為第二 IPMC材料片，2_7為第三IPMC材料片，2-1-1為放置軸承的孔，2-1-2為IPMC放置溝槽，2_1_3為IPMC電極夾緊螺母孔，2-1-4為U型機(jī)架主體，2-4-1為轉(zhuǎn)動盤主體，2-4-2為撥桿，2-4-3為與轉(zhuǎn)動軸承配合的桿所對應(yīng)孔，2-4-4為魚胸鰭薄膜連接塊，3-1為電極夾持裝置，3-2為第四IPMC材料，3-3為尾鰭。
【具體實(shí)施方式】
[0015]1.機(jī)器魚、胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)、尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖1中機(jī)器魚由魚體1，胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)2，尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)3組成，魚體內(nèi)部有信號驅(qū)動電路和電源。圖2、圖3中胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)2由一個位于魚體I內(nèi)的U型機(jī)架2-1和左、右共兩組胸鰭機(jī)構(gòu)組成。其中每組胸鰭機(jī)構(gòu)均由第一 IPMC材料片2-2、轉(zhuǎn)動軸及軸承2-3、轉(zhuǎn)動圓盤2-4、胸鰭薄膜2-5、第二 IPMC材料片2-6、第三IPMC材料片2_7組成；所述U型機(jī)架2_1由左、右共兩塊側(cè)板和底板組成；轉(zhuǎn)動圓盤2-4通過所述轉(zhuǎn)動軸及軸承2-3安裝于所述U型機(jī)架2-1側(cè)板的外側(cè)；轉(zhuǎn)動圓盤2-4內(nèi)側(cè)具有一對伸向U型機(jī)架2-1底板上方的撥桿2-4-2 ；U型機(jī)架2-1的底板設(shè)有溝槽2-1-2 ;第一 IPMC材料片2_2下部利用螺釘與其前、后兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于該溝槽2-1-2內(nèi)；該第一 IPMC材料片2-2的上部恰好位于上述一對撥桿2-4-2之間；轉(zhuǎn)動圓盤2-4外側(cè)固定著兩個胸鰭薄膜連接塊2-4-4 ;第二 IPMC材料片
2-6利用螺釘與其上、下兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于其中一個胸鰭薄膜連接塊2-4-4處，第三IPMC材料片2-7利用螺釘與其上、下兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于另一個胸鰭薄膜連接塊2-4-4處；胸鰭薄膜2-5安裝于第二 IPMC材料片2_6和第三IPMC材料片2_7的上表面。電信號激勵下，第一 IPMC材料片2-2產(chǎn)生彎曲變形，帶動撥桿2-4-2驅(qū)動相應(yīng)轉(zhuǎn)動圓盤2-4轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)胸鰭的搖翼動作；第二 IPMC材料片2-6、第三IPMC材料片2_7產(chǎn)生彎曲變形，驅(qū)動胸鰭薄膜2-5彎曲變形，實(shí)現(xiàn)胸鰭的上下拍翼動作；改變驅(qū)動電壓和頻率可實(shí)現(xiàn)不同幅度、不同頻率的搖翼和上下拍翼動作。
[0016]尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)3包括通過電極夾持裝置3-1固定在魚體I尾部的第四IPMC材料片3-2，以及安裝于第四IPMC材料片3-2末端的尾鰭3-3組成。電信號激勵下，第四IPMC材料片3-2產(chǎn)生彎曲變形，驅(qū)動尾鰭3-3彎曲變形，實(shí)現(xiàn)尾鰭的擺動，改變驅(qū)動電壓和頻率，可實(shí)現(xiàn)不同幅度、不同頻率的擺動。該尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)魚體軸線平面內(nèi)單向或雙向擺動，產(chǎn)生推進(jìn)魚體前進(jìn)的推力，使得機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)直線巡游或轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。
[0017]通過二自由度胸鰭和尾鰭的組合驅(qū)動形式使得小型機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動模式:直線巡游、加速/減速/急停、左/右轉(zhuǎn)彎、上浮/下潛等。
[0018]2.機(jī)器魚直線巡游運(yùn)動模式的實(shí)現(xiàn)
機(jī)器魚依靠尾鰭雙向擺動實(shí)現(xiàn)直線巡游，驅(qū)動信號采用正弦波，驅(qū)動尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)中第四IPMC材料片3-2雙向彎曲帶動梯形塑料尾鰭來回?cái)[動，產(chǎn)生推力推進(jìn)魚體向前游動，驅(qū)動信號如圖8所示。
[0019]3.機(jī)器魚加速/減速/急停運(yùn)動模式的實(shí)現(xiàn)
機(jī)器魚在單尾鰭擺動時，只需要通過改變尾鰭擺動的幅度和頻率就可以實(shí)現(xiàn)加速和減速，所以驅(qū)動信號仍采用上述直線巡游的正弦波信號，但是需要改變頻率或幅值，加速時，增大頻率或幅值；減速時，減小頻率和幅值。
[0020]當(dāng)胸鰭參與擺動時，尾鰭仍是在第四IPMC材料片3-2的驅(qū)動下往復(fù)擺動，
驅(qū)動信號為正弦波，胸鰭的運(yùn)動則是分成兩個階段:推程階段和回程階段，由于兩側(cè)胸鰭運(yùn)動形式相同，所以這里以左側(cè)胸鰭為例。
[0021]在推程階段，驅(qū)動信號如圖9，AB兩點(diǎn)之間的曲線均為1/4周期正弦波信號，一路信號用于驅(qū)動第一 IPMC材料片2-2單向彎曲帶動胸鰭繞中心軸X旋轉(zhuǎn)90度，另兩路則是驅(qū)動第二 IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2_7帶動對應(yīng)胸鰭向身體后側(cè)擺動。
[0022]在回程階段，與推程階段相似，如圖9中的BC段。BC之間的曲線仍都是
1/4周期的正弦波，只是幅值電壓逐漸減小。IPMC材料2-2在該信號的驅(qū)動下帶動胸鰭回轉(zhuǎn)90度，同時第二 IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2_7在另兩路信號的驅(qū)動下恢復(fù)彎曲使胸鰭回到原位置。
[0023]當(dāng)需要胸鰭輔助急停時，施加在兩側(cè)胸鰭的驅(qū)動信號如圖10，這里只需要
施加1/4周期的正弦波信號(圖中AB段)在第一 IPMC材料片2-2上，驅(qū)動胸鰭轉(zhuǎn)過90度即可，然后在直流電壓信號(圖BC段)的驅(qū)動下保持在此位置一定時間，直到機(jī)器魚的游速變成零。
[0024]4.機(jī)器魚左/右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動模式的實(shí)現(xiàn)
針對依靠單尾鰭擺動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的方式，施加的驅(qū)動信號較為簡單，這里右轉(zhuǎn)彎為例，如圖11。
[0025]初始階段，機(jī)器魚在正弦波的驅(qū)動下直線游動，當(dāng)需要左轉(zhuǎn)彎時，第四IPMC 材料片3-2在1/4周期的正弦波信號(圖中AB段曲線)的驅(qū)動下，尾鰭首先向身體的左
側(cè)擺動，待擺動到預(yù)設(shè)位置后，驅(qū)動信號變成如圖中BC段曲線所示的均值為某一電壓值的正弦震蕩波，在該震蕩波的驅(qū)動下，尾鰭在身體左側(cè)的預(yù)設(shè)位置上作小幅度擺動。在這里，這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)槲馋捇財(cái)[將會產(chǎn)生與外擺時相反的轉(zhuǎn)矩，這樣將會抵消一部分外擺時轉(zhuǎn)矩所做的功，削弱機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎效果，所以采用均值偏離X軸的正弦震蕩波減小回?cái)[效應(yīng)。
[0026]當(dāng)胸鰭參與機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎時，仍以右轉(zhuǎn)彎為例，需要右側(cè)胸鰭擺動產(chǎn)生推動 魚體轉(zhuǎn)動的力矩。驅(qū)動信號如圖12，在轉(zhuǎn)彎時，第一 IPMC材料片2-2在AB段1/4周
期正弦波信號的驅(qū)動下帶動右側(cè)胸鰭轉(zhuǎn)過90度，同時施加同樣形式的1/4周期的正弦波在第二 IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2_7上，使胸鰭向后擺動，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，之后第一 IPMC材料片2-2在直流電壓的驅(qū)動下使胸鰭停留在90度的位置上，而第二 IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2-7則在正弦震蕩波(圖中BC段曲線信號)信號的驅(qū)動下帶動胸鰭在某位置上小幅度擺動。
[0027]5.機(jī)器魚上浮/下潛運(yùn)動模式的實(shí)現(xiàn)
機(jī)器魚通過胸鰭單方向擺動、尾鰭雙向擺動實(shí)現(xiàn)上浮或下潛，以上浮為例，
驅(qū)動信號如圖13。第二 IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2_7在1/4周期正弦波(圖中AB段)的驅(qū)動下，帶動兩側(cè)胸鰭向身體下方擺動，使機(jī)器魚上仰，并產(chǎn)生一定的升力，同時尾鰭在正弦波的驅(qū)動下往復(fù)擺動，推動機(jī)器魚上浮。
[0028]6.機(jī)器魚體內(nèi)控制電路
基于前述的關(guān)于運(yùn)動模式和驅(qū)動信號的規(guī)劃設(shè)計(jì)，可以知道控制系統(tǒng)需要能夠獨(dú)立輸出7通道的模擬信號，并且各通道之間能夠相互配合輸出，模擬信號的形式一般為正弦波或類似于正弦波的信號，以及直流電壓信號。這里將控制系統(tǒng)分成微控制器、驅(qū)動信號生成單元、紅外遙控單元和紅外避障單元，如圖14，以滿足設(shè)計(jì)要求，使機(jī)器魚有較好的可控性?？刂葡到y(tǒng)的輸出信號驗(yàn)證如圖15，圖15 (a)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，信號的頻率和幅值可以通過修改軟件中的相關(guān)變量來實(shí)現(xiàn)，電壓幅值可以在-5疒+5 V之間變化，頻率任意可調(diào)。該信號用來驅(qū)動尾鰭，使之往復(fù)擺動，產(chǎn)生向前的推進(jìn)力。改變幅值和頻率，尾鰭擺動的頻率增加；圖15(b)是正半周期的正弦波，該信號主要用來控制胸鰭，施加6路這樣的信號在胸鰭的所有IPMC上，使胸鰭在繞軸轉(zhuǎn)動的同時向后擺動，產(chǎn)生向后的推進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)加速；圖15 (c)為急停運(yùn)動的驅(qū)動信號，是1/4周期的正弦波與直流信號的組合。施加該信號在胸鰭的第一 IPMC材料片2-2上，使胸鰭的展開面垂直游速方向，增大游動阻力，從而可以短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)減速。機(jī)器魚從開始減速到停止的時間可以通過調(diào)整直流信號的持續(xù)時間來改變。圖15 (d)的信號是平均值為某一直流電壓值的高頻正弦波信號，主要用在機(jī)器魚的左/右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動中。單尾鰭擺動時，該信號施加在尾鰭的第四IPMC材料片
3-2上，尾鰭在身體一側(cè)單方向擺動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎；當(dāng)有胸鰭配合時，另2路相同形式的驅(qū)動信號施加在胸鰭的第二 IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2_7上，有I路圖15 (c)樣式的驅(qū)動信號施加在胸鰭的第一 IPMC材料片2-2上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)胸鰭在X軸的一側(cè)擺動，增大機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎力矩。
【權(quán)利要求】
1.一種基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，包括魚體(I)、胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)(2)、尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)(3)、控制板和電源組成；其特征在于: 所述胸鰭驅(qū)動系統(tǒng)(2)由一個位于魚體(I)內(nèi)的U型機(jī)架(2-1)和左、右共兩組胸鰭機(jī)構(gòu)組成； 其中每組胸鰭機(jī)構(gòu)均由第一 IPMC材料片(2-2)、轉(zhuǎn)動軸及軸承(2-3)、轉(zhuǎn)動圓盤(2-4)、胸鰭薄膜(2-5)、第二 IPMC材料片(2-6)、第三IPMC材料片(2_7)組成；所述U型機(jī)架(2_1)由左、右共兩塊側(cè)板和底板組成；所述轉(zhuǎn)動圓盤(2-4)通過所述轉(zhuǎn)動軸及軸承(2-3)安裝于所述U型機(jī)架(2-1)側(cè)板的外側(cè)；所述轉(zhuǎn)動圓盤(2-4)內(nèi)側(cè)具有一對伸向U型機(jī)架(2-1)底板上方的撥桿(2-4-2);所述U型機(jī)架(2-1)的底板設(shè)有IPMC放置溝槽(2-1-2);所述第一IPMC材料片(2-2)下部利用螺釘與其前、后兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于該IPMC放置溝槽(2-1-2)內(nèi)；該第一 IPMC材料片(2-2)的上部恰好位于上述一對撥桿(2-4-2)之間；所述轉(zhuǎn)動圓盤(2-4)外側(cè)固定著兩個胸鰭薄膜連接塊(2-4-4);所述第二 IPMC材料片(2-6)利用螺釘與其上、下兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于其中一個胸鰭薄膜連接塊(2-4-4)處，所述第三IPMC材料片(2-7)利用螺釘與其上、下兩側(cè)的電極銅片夾緊并安裝于另一個胸鰭薄膜連接塊(2-4-4)處；所述胸鰭薄膜(2-5)安裝于第二 IPMC材料片(2-6)和第三IPMC材料片(2-7)的上表面； 所述尾鰭驅(qū)動系統(tǒng)(3 )包括通過電極夾持裝置(3-1)固定在魚體(I)尾部的第四IPMC材料片(3-2)，以及安裝于第四IPMC材料片(3-2)末端的尾鰭(3-3)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述第二 IPMC材料片(2-6)、第三IPMC材料片(2-7)與所述胸鰭薄膜(2_5)采用IPMC、硅橡膠一體澆注成型結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述的電極夾持裝置(3-1)為L型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述尾鰭(3-3)為前小后大的梯形薄片結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的基于離子型肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚，其特征在于:所述控制系統(tǒng)由微控制器、驅(qū)動信號生成單元、紅外遙控單元和紅外避障單元組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子型人工肌肉驅(qū)動的小型機(jī)器魚的運(yùn)動方法，其特征在于包括以下過程: 每一個IPMC材料片采用獨(dú)立控制方式，相互配合； 其中電信號激勵下，第一 IPMC材料片(2-2)產(chǎn)生彎曲變形，帶動撥桿(2-4-2)驅(qū)動相應(yīng)轉(zhuǎn)動圓盤(2-4)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)胸鰭的搖翼動作； 其中電信號激勵下，第二 IPMC材料片(2-6)、第三IPMC材料片(2-7)產(chǎn)生彎曲變形，驅(qū)動胸鰭薄膜(2-5)彎曲變形，實(shí)現(xiàn)胸鰭的上下拍翼動作； 其中電信號激勵下，第四IPMC材料片(3-2)產(chǎn)生彎曲變形，驅(qū)動尾鰭(3-3)彎曲變形，實(shí)現(xiàn)尾鰭的擺動。
【文檔編號】B63H1/36GK104002947SQ201410171989
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】何青松, 于敏, 王堡磊, 張夢, 戴振東 申請人:南京航空航天大學(xué)