本发明专利技术涉及一种基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼及其运动方法，属于智能材料应用技术领域。该机器鱼是由胸鳍驱动系统和尾鳍驱动系统协同驱动鱼体，胸鳍驱动系统由一个位于鱼体内的U型机架和左右共两组胸鳍机构组成，每组胸鳍机构均由三片IPMC材料片，转动圆盘、转动轴、胸鳍薄膜组成，可以实现上下拍翼和摇翼两种动作；尾鳍驱动系统由固定在尾部的电极夹持装置、IPMC材料片、尾鳍组成，可以实现鱼体轴线平面内单向或双向摆动。鱼体内部放置控制板和电池，通过设定合适驱动信号实现机器鱼的直线巡游、加速/减速/急停、左右/转弯、上浮/下潜等运动模式。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于离子聚合物金属复合材料的尾鳍和胸鳍协同驱动的小型机器鱼，属于智能材料应用领域。
技术介绍
离子聚合物金属复合材料(ionic polymer metal composite, IPMC)是一种离子型电致动聚合物，又被称为“人工肌肉”，它是在全氟磺酸离子交换树脂(如Nafion膜)的表面沉积钼、金等贵金属电极而获得的有机-无机复合材料。IPMC在低电压激励下能产生大变形，其电致动变形机理源于阳离子的电泳现象，在外加电场的作用下，薄膜中阳离子与水分子结合在一起迁移至阴极，导致阳极含水量减少，阴极含水量增加，使IPMC产生变形。IPMC具有质量轻、驱动电压低、位移大、无噪声、驱动能量密度高等优点，在微驱动、传感器和医用高分子材料等方面有广泛的应用前景(Shahinpoor M, KimKJ.1onic polymer -metal composites:1V.1ndustrial and medical applications.Smart Materials andStructures, 2005, 14(1): 197-214.)。美国纽约大学理工学院的Aureli等人设计了由智能材料IPMC驱动的小型机器鱼(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.)。该机器鱼的外壳用黑色的ABS塑料制作而成，尺寸为:长90 mm、宽35mm,高45 mm。IPMC的一端连接梯形娃树脂材料的尾鳍,另一端通过金属电极夹装在鱼体外壳上，整个鱼体长度(外壳+鱼尾)是130 mm。机器鱼自身携带控制板和两节聚合物锂电池，均被密封在鱼体内。美国密歇根州立大学的Tan等人相继设计出3代基于IPMC驱动的仿生机器鱼，无论从外形还是性能上，第三代机器鱼都已经达到了很好的效果。为了进一步减少游动阻力并且有足够的空间容纳充电电池和各种各样的电子元器件，第三代机器鱼的外壳的形状和尺寸以真鱼的实际形状和尺寸作为依据专门定制，前两代机器鱼的尾鳍是由整片切成尾鳍形状的IPMC构成，而第三代则是条形IPMC与特制的塑料尾鳍构成，这样能够在很大程度上增加驱动速度，通过改变塑料尾鳍的尺寸和IPMC的摆动频率，第三代机器鱼的游速已经能够到21mm/s。第三代机器鱼的具体尺寸为:除去尾部，鱼身大约是14.8 cm长,6.3 cm高和5.2 cm宽。尾部是 大概5厘米长。不论是第二代还是第三代机器鱼均搭载了驱动模块、GPS导航模块、ZigBee无线通信模块、温度传感器和聚合物锂电池，很好的验证了该机器鱼作为移动传感平台的能力。([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.) 东北大学的郝丽娜等人设计了基于IPMC驱动的小型机器鱼。该机器鱼集成了红外信号发射头和超声波发射头，通过与搭建的基站上的红外接收头和超声波接收头进行通讯，可以实现机器鱼的定位。同时，在机器鱼的内部又植入了一个数字罗盘和一个温度传感器，用于检测机器鱼的游动姿态和周围的水环境温度。该机器鱼的最大平均游速是7.6 mm/s,定位范围100 cnTl50 cm。(徐夙.基于IPMC的小型机器鱼研究与开发，[硕士学位论文].东北大学，2009.) 哈尔滨工程大学的叶秀芬等人设计了基于IPMC驱动的第一代厘米级自主微型机器鱼。该机器鱼模仿的是金鱼的游动方式，整体尺寸为:长98 mm，宽30 mm，高22 mm，鱼体重量21.9克。为了提高机器鱼的机动性，该仿生机器鱼除了能够完成常规的直线巡游外，还能实现左/右转弯、自动避障的运动模式和无线遥控的功能。为了减小水的阻力，第二代机器鱼的外壳模仿了欧洲小鲫鱼的外形，壳体由玻璃纤维制造。为了更好的模拟真鱼尾鳍的摆动轨迹，提高推进效率，尾鳍部分采用了 PVC薄片连接IPMC驱动器，IPMC驱动器连接PVC薄片尾鳍的结构形式。第二代机器鱼的游速最大可以达到24 mm/s,最小转弯半径为8 _。在前两代机器鱼的基础上，该团队又成功设计出带有胸鳍的能够在三维环境下游动的自主机器鱼。机器鱼的胸鳍采用了与尾鳍类似的结构，可以认为是将尾鳍翻转90度安装在鱼体的两侧得到。通过控制胸鳍和尾鳍，该机器鱼可以实现直线巡游、转弯巡游、突然加速、滑行模式和上浮下潜的运动模式。([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.) 综上所述，目前的基于IPMC驱动的小型机器鱼驱动方式比较单一，如Aureli等，Tan等，郝丽娜等研制的机器鱼是尾鳍驱动，叶秀芬等研制的机器鱼是尾鳍结合胸鳍驱动，但胸鳍的驱动方式比较单一，不能实现胸鳍的摇翼、前后拍翼动作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于IPMC驱动的双侧胸鳍和单尾鳍协同摆动的小型机器鱼及其运动方法。胸鳍能够实现两个自由度的运动，尾鳍能够实现单向或双向摆动，从而使机器鱼能够完成更多的游动模式，增强其机动性。一种基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼，包括鱼体、胸鳍驱动系统、尾鳍本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼，包括鱼体（1）、胸鳍驱动系统（2）、尾鳍驱动系统（3）、控制板和电源组成；其特征在于：所述胸鳍驱动系统（2）由一个位于鱼体（1）内的U型机架（2‑1）和左、右共两组胸鳍机构组成；其中每组胸鳍机构均由第一IPMC材料片（2‑2）、转动轴及轴承（2‑3）、转动圆盘（2‑4）、胸鳍薄膜（2‑5）、第二IPMC材料片（2‑6）、第三IPMC材料片（2‑7）组成；所述U型机架（2‑1）由左、右共两块侧板和底板组成；所述转动圆盘（2‑4）通过所述转动轴及轴承（2‑3）安装于所述U型机架（2‑1）侧板的外侧；所述转动圆盘（2‑4）内侧具有一对伸向U型机架（2‑1）底板上方的拨杆（2‑4‑2）；所述U型机架（2‑1）的底板设有IPMC放置沟槽（2‑1‑2）；所述第一IPMC材料片（2‑2）下部利用螺钉与其前、后两侧的电极铜片夹紧并安装于该IPMC放置沟槽（2‑1‑2）内；该第一IPMC材料片（2‑2）的上部恰好位于上述一对拨杆（2‑4‑2）之间；所述转动圆盘（2‑4）外侧固定着两个胸鳍薄膜连接块（2‑4‑4）；所述第二IPMC材料片（2‑6）利用螺钉与其上、下两侧的电极铜片夹紧并安装于其中一个胸鳍薄膜连接块（2‑4‑4）处，所述第三IPMC材料片（2‑7）利用螺钉与其上、下两侧的电极铜片夹紧并安装于另一个胸鳍薄膜连接块（2‑4‑4）处；所述胸鳍薄膜（2‑5）安装于第二IPMC材料片（2‑6）和第三IPMC材料片（2‑7）的上表面； 所述尾鳍驱动系统（3）包括通过电极夹持装置（3‑1）固定在鱼体（1）尾部的第四IPMC材料片（3‑2），以及安装于第四IPMC材料片（3‑2）末端的尾鳍（3‑3）组成。...
【技术特征摘要】
1.一种基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼，包括鱼体(I)、胸鳍驱动系统(2)、尾鳍驱动系统(3)、控制板和电源组成；其特征在于: 所述胸鳍驱动系统(2)由一个位于鱼体(I)内的U型机架(2-1)和左、右共两组胸鳍机构组成； 其中每组胸鳍机构均由第一 IPMC材料片(2-2)、转动轴及轴承(2-3)、转动圆盘(2-4)、胸鳍薄膜(2-5)、第二 IPMC材料片(2-6)、第三IPMC材料片(2_7)组成；所述U型机架(2_1)由左、右共两块侧板和底板组成；所述转动圆盘(2-4)通过所述转动轴及轴承(2-3)安装于所述U型机架(2-1)侧板的外侧；所述转动圆盘(2-4)内侧具有一对伸向U型机架(2-1)底板上方的拨杆(2-4-2);所述U型机架(2-1)的底板设有IPMC放置沟槽(2-1-2);所述第一IPMC材料片(2-2)下部利用螺钉与其前、后两侧的电极铜片夹紧并安装于该IPMC放置沟槽(2-1-2)内；该第一 IPMC材料片(2-2)的上部恰好位于上述一对拨杆(2-4-2)之间；所述转动圆盘(2-4)外侧固定着两个胸鳍薄膜连接块(2-4-4);所述第二 IPMC材料片(2-6)利用螺钉与其上、下两侧的电极铜片夹紧并安装于其中一个胸鳍薄膜连接块(2-4-4)处，所述第三IPMC材料片(2-7)利用螺钉与其上、下两侧的电极铜片夹紧并安装于另一个胸鳍薄膜连接块(2-4-4)处；所述胸鳍薄膜(2-5)安装于第二 IPMC材料片(2-6)和第三IPMC材料片(2-7)的上...
【专利技术属性】
技术研发人员：何青松，于敏，王堡磊，张梦，戴振东，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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