[发明专利]一种基于IPMC驱动的自发电型仿生蝠鲼

说明书

本发明公开一种基于IPMC驱动的自发电型仿生蝠鲼，包括上舱盖、下舱板、胸鳍下夹板和胸鳍驱动机构；所述上舱盖设在下舱板上方，所述上舱盖与下舱板构成密闭空腔，所述密闭空腔内设有电源模块、控制模块、能量收集电路和分时切换电路，所述电源模块、分时切换电路分别与控制模块连接；所述能量收集电路分别与胸鳍驱动机构和电源模块连接；所述胸鳍驱动机构设在下舱板与胸鳍下夹板之间，所述胸鳍驱动机构内部嵌设有IPMC驱动器，所述IPMC驱动器分别与电源模块和控制模块连接；本发明的仿生蝠鲼采用IPMC材料同时作为驱动器和能量采集器，通过将水环境中的动能转换为电能来为仿生蝠鲼提供超长的续航能力。

技术领域

本发明属于IPMC材料应用于仿生应用技术领域，具体是一种基于IPMC驱动的自发电型仿生蝠鲼。

背景技术

随着人类对于海洋等复杂水域的探索愈加深入，开发应用水下机器人并应用在各种复杂水域环境中去执行危险或者人工难以完成的任务变得越来越重要。而水生生物具有适应水下环境的身体结构以及出色的水下运动能力，这使得他们能够在复杂的水下环境中生存。以仿生鱼类为代表，通过研究鱼类的形态学和运动方式，从而获得灵感来设计仿生鱼机器人一直是开发水下机器人的一个重要思路。仿生鱼机器人有着水下环境适应力强，推进效率高，速度快等优点。仿生鱼机器人在水下运动时需要模仿生物的运动来实现一些复杂的动作，但目前大多数仿生鱼机器人多采用电机进行驱动，使得该类仿生鱼机器人体积偏大，灵活性、机动性和控制性能受到极大的制约且难以实现柔性连续的运动，同时由于电机运行时产生的声音使得其难以保持水下行进时的隐蔽性。所以，目前的仿生鱼机器人难以实现水生生物可在水环境中进行灵活、高效、可持续运动等优点。

随着对仿生鱼的相关研究不断拓展，通过胸鳍运动产生主要推进力的运动模式开始引起关注。虽然在速度方面胸鳍推进模式较尾鳍推进模式稍显逊色，但在推进效率、转弯机动性、游动稳定性上，胸鳍推进模式具有较明显的优势。蝠鲼科鱼类是一种典型的依靠胸鳍扑动在水中自由游动的鱼类，其动作灵活、转弯迅速，还可以很好地利用其宽大的胸鳍毫不费力地在水中滑翔。基于蝠鲼的优良运动特性，仿生蝠鲼不但能解决传统推进方式效率的不足，并能很好地解决小型水下无人航行器的隐蔽性问题。由于蝠鲼科鱼类的优势，国内外高度重视并已经设计出大量的仿生蝠鲼样机。

除了模仿蝠鲼运动和实现胸鳍推进模式高效率、高机动性和稳定性的优点外。能源问题也始终困扰着仿生蝠鲼乃至各类仿生鱼的实际应用。仿生蝠鲼往往工作在海洋、湖泊、河流等野外环境，人类无法为其补充能源，只能依靠仿生鱼自身携带的能源进行工作。由于在野外环境中，仿生鱼工作时大多使用电池供电，而现有电池的容量有限，无法满足长时间巡航、工作的需求。所以如何解决能源问题，成为水下仿生蝠鲼的一大难题。

通过能量采集技术向自然界获取能量是解决仿生蝠鲼长期能源供应的重要方法。在自然界能源系统中，海洋蕴藏着取之不尽的波浪和海流能源，是将来可再生能源开发的重点。因此，借助于先进能量采集技术辅之以特定的结构设计以获取海洋能源，为实现具有自我供电能力的水下仿生蝠鲼提供了重要思路。

现有的海洋能量采集技术主要有三种：利用电磁换能装置将海洋动能转换为电能即为电磁式，其优点是成本低、输出功率大，缺点是感应电压小，且输出功率随着系统体积的减小而大幅降低；利用静电发生器将振动机械能转换为电能的静电式，与电磁式相比，相同尺寸可以获得更高的输出电压，但为了实现电容两端的电压约束或电容的电荷约束，需要独立的电源支持；利用压电材料的压电效应将振动机械能转换即为压电式，由于压电材料属于刚性材料，压电材料更适合于高频周期载荷作用下的场合，不适于海洋环境的低频运动。

发明内容