[发明专利]一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，属于IPMC材料应用、水下航行器技术领域。

背景技术

IPMC(Ionic Polymer Metallic Composite)离子交换膜金属复合材料是一种新型的离子型电致动聚合物，是基于带电粒子的迁移与扩散实现驱动的。它密度小，具有柔性，驱动电压低及位移量大，能提供较高的化学能转化为机械能的变换效率，致动性能类似于天然肌肉，故称其为“人工肌肉”，是一种适合于开发仿生机器人的材料。因此，基于IPMC材料制备的驱动片具有高度的可操纵性、能耗低、无噪音，可用于动物脚掌、人体手臂、仿生鱼等仿生机器人的驱动。

当对IPMC厚度方向施加电压时，IPMC会产生较大的变形，向阳极弯曲（直接现象）。相反，当IPMC受到弯曲变形时，IPMC也会在厚度方向产生电压（反现象）。这样，IPMC是一个机电耦合系统。目前国内外研究大多数集中于如何提高IPMC的变形和输出力、IPMC的制备方法及其应用。

按照游动过程中的推进模式不同，水生生物可分为两类：身体／尾鳍推进模式(body and ／or caudal fin，简称BCF)和水生生物和中央鳍／对鳍推进模式(median and／or paired fin，简称MPF)水生生物。水下仿生机器人按照推进模式也分为这两种类型。虽然BCF游动模式推进的仿生自主水下机器人（AUV）最早问世，迄今为止，科研工作者对这种推进模式的仿生推进机理进行了大量的研究并研制出具有各种运动特性的样机平台，但是由于MPF游动的高机动性和高效性以及良好的稳定性和可控性，使MPF模式推进的仿生AUV具有更广泛的实际应用前景，因而这种推进模式的仿生AUV越来越受到人们的关注。

1999年，美国Nekton Research公司研制了一款四鳍驱动的仿生AUV样机PilotFish。2000年，日本东海大学的Kato等人研发了一条仿生机器黑鲈BASS-II。2004年，加拿大麦吉尔大学开发出六鳍驱动的水下仿生机器人AQUA。2007年，新加坡南洋理工大学研发了一款基于模块化设计的四鳍推进的仿生AUV样机。2008年，美国MIT的研究人员也研发了一款名为RoboTurtle的多鳍驱动的仿生AUV。2011年，美国海军研究实验室推出了一款四鳍拍动推进仿生AUV概念模型。

当今大多数仿生机器鱼采用电机作为驱动，不能设计的很精巧，具有体积较大，能耗大且电池利用率不高，噪音较大，感知机构复杂等弊端。

发明内容

本发明的目的是为了结束上述问题，提出一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器。

一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，包括机器人主体、封闭塑料盒、塑料尾巴、仿胸鳍的薄膜、贴于薄膜上的IPMC驱动片、导线、置于封闭塑料盒内的控制电路和电源；

封闭塑料盒密封固定在机器人主体上，塑料尾巴连接在机器人主体的尾部，薄膜的形状模仿蝠鲼的胸鳍，两片薄膜固定连接在机器人主体的两端，每片薄膜上贴有n片IPMC驱动片，n为自然数，大于等于1，两片薄膜与其上的IPMC驱动片均为对称设置，每片IPMC驱动片一端的上下表面分别连接一个金属电极；控制电路和电源位于封闭塑料盒内部，电源为控制电路供电，控制电路从封闭塑料盒中引出n对导线，在一对导线中，一根导线焊接在一个IPMC驱动片上表面的金属电极，另一根导线焊接在此IPMC驱动片下表面的金属电极，形成回路；控制电路给IPMC驱动片提供驱动电压信号，控制每侧的IPMC驱动片以不同模式摆动，进而使胸鳍产生不同的波形在水中摆动，为机器人提供游动的动力。

本发明的优点在于：

（1）本发明仿蝠鲼水下航行器采用新材料IPMC作为致动机构，驱动电压低，结构简单，实现容易；

（2）本发明仿蝠鲼水下航行器采用柔性机构，体积小；

（3）本发明仿蝠鲼水下航行器与其他水下航行器相比机动性高；

（4）本发明仿蝠鲼水下航行器在行驶过程中噪声低。

附图说明

图1是本发明的前视图；

图2是本发明的右视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的立体结构示意图；

图5是本发明薄膜与IPMC驱动片的示意图；

图6是本发明薄膜与IPMC驱动片的示意图；

图7是本发明的控制电路示意图；

图中：

1—机器人主体  2—封闭塑料盒    3—塑料尾巴