專利名稱：基于ipmc的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌及驅(qū)動方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌及驅(qū)動方式實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)-驅(qū)動的一體化，屬于仿壁虎機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
IPMC (Ion-exchange polymer-metal composites)是一種離子型 ΕΑΡ,它是由高分子離子交換樹脂與惰性金屬納米電極所組成的復合材料，其特性是在外界電場作用下，材料會隨著外加電場的大小產(chǎn)生不同程度的變形。IPMC材料質(zhì)地比較柔韌，有彈性， 較小的驅(qū)動電壓即可產(chǎn)生較大的變形，響應(yīng)迅速，可在潮濕環(huán)境下工作，而且具有較好的生物相容性，是一種極有發(fā)展?jié)摿Φ闹悄懿牧?。IPMC可用于制造可控微小部件，在微致動器件、傳感器、人工肌肉和醫(yī)用高分子材料等方面有廣泛的應(yīng)用前景。(M. Shahinpoor and K. L. Kim. Ionic polymer-metal composite: Fundamentals. Smart Materials and Structures, 2001， 10: 1-15)
壁虎在運動過程中，腳掌主要是由腳趾翻轉(zhuǎn)和腳掌旋轉(zhuǎn)組成。目前許多研究機構(gòu)研制的仿壁虎機器人腳趾的驅(qū)動采用的是電機元件，來實現(xiàn)抬腿和放腿的動作，比如斯坦福大學(S. Kim, M. Spenko, S. Trujillo, B. Heyneman, D. Santos, Μ. R. Cutkosky. Smooth vertical surface climbing with directional adhesion. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(1) : 65-74.)和南京航空航天大學(阮鵬，俞志偉，張昊，張曉峰，戴振東.基于ADAMS的仿壁虎機器人步態(tài)規(guī)劃及仿真.機器人，2010，32(4): 499-504.)。它的力矩-重量比值較低，為得到低速大力矩，需使用減速器(包括齒輪、軸承等)，驅(qū)動結(jié)構(gòu)較為復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種主動驅(qū)動式的、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕的基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌及驅(qū)動方式。一種基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于包括弧狀上夾持片、弧狀下夾持片、一端懸空另一端被上述夾持片夾持固定的IPMC材料件，還包括安裝于弧狀上夾持片的上電極，安裝于弧狀下夾持片的下電極，還包括與上電極、下電極連接的電源控制單元；上述IPMC材料件上表面還貼有注水膜，下表面貼有人造剛毛粘附陣列，上述注水膜具有帶有注水孔的水溝；該水溝為封閉結(jié)構(gòu)。所述基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌的驅(qū)動方式，其特征在于包括以下過程調(diào)控電源控制單元發(fā)出正值電信號，電信號施加在夾持電極上，以激勵I(lǐng)PMC智能材料件，使 IPMC發(fā)生彎曲變形，由水平位置向上彎曲，模仿壁虎腳掌腳趾的外翻動作，完成脫附的過程；調(diào)控電源控制單元產(chǎn)生負值電信號，IPMC智能材料件由上彎位置返回水平位置，主動驅(qū)動人造剛毛粘附陣列，在IPMC的驅(qū)動力下，粘附陣列與某接觸表面粘附，模仿壁虎腳掌腳趾的內(nèi)抓動作，完成粘附的過程；利用注水孔滴加去離子水，通過水溝使水迅速擴展到整個IPMC智能材料表面，以補充水分。用IPMC驅(qū)動材料作為驅(qū)動元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機，可以省掉齒輪、軸承等復雜的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，同時減輕重量，實現(xiàn)了仿壁虎機器人腳掌的結(jié)構(gòu)-驅(qū)動的一體化。通過調(diào)控電激勵信號使IPMC驅(qū)動器發(fā)生彎曲形變，驅(qū)動仿壁虎腳掌人造剛毛粘附陣列，使其粘附在某接觸表面，完成粘附和脫附的過程，實現(xiàn)仿壁虎腳掌的主動驅(qū)動技術(shù)。弧狀夾持片用于模仿壁虎的腳掌根部及小腿部肌肉，可以保證整個IPMC腳趾上的粘附陣列與接觸表面充分接觸。IPMC的形變是模仿壁虎腳掌的翻轉(zhuǎn)(外翻和內(nèi)抓)動作。 在IPMC工作一定時間后向注水孔內(nèi)滴加適量的去離子水，水分沿著水溝流動，水溝采用封閉設(shè)計(指水溝不可以開通到邊界)防止水分的流失，用于補充和保持IPMC運動所需水分， 延長IPMC在空氣中的工作時間，從而提高仿壁虎腳掌的持久運動能力。上述水溝可以存在多個交叉處，每個交叉處，均勻有一個注水孔。設(shè)置多個注水孔的優(yōu)點是能夠方便、快速地為IPMC補充水分。上述水溝具體結(jié)構(gòu)可以為由兩條頭尾封閉的水溝組成，兩條睡夠曲折交叉，交點在中部，整體形成依次排列的菱形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是使在水溝交點處補充的水分快速均勻的分布到整個IPMC驅(qū)動器表面。上述IPMC智能材料(1)在其基底膜的表面處理環(huán)節(jié)中可以使用目數(shù)在200-1800 范圍的超細研磨劑均勻直線定向打磨。該打磨方式可產(chǎn)生規(guī)律的、精細的表面，增加基體膜與金屬電極之間的交界面積，有利于鉬顆粒的沉積和降低IPMC的表面電阻。上述定向打磨方向可以平行或垂直于IPMC長度方向。由于平行于IPMC長度方向的材料具有較高的彎曲模量，較打磨方向垂直于IPMC長度方向，平行于IPMC長度方向時 IPMC的輸出力較大，輸出位移較小。上述人造剛毛粘附陣列可以為傾斜仿生剛毛陣列。傾斜的剛毛可以使陣列獲得較小的整體剛度，提高粘附陣列的接觸性能。上述傾斜仿生剛毛陣列為末端膨大結(jié)構(gòu)。末端膨大結(jié)構(gòu)可增加陣列實際接觸面積，提高陣列的粘附性能。


圖1是Nafion膜各向異性的表面織構(gòu)； 圖2是經(jīng)過化學鍍形成的金屬鉬層；
圖3是基于IPMC的仿壁虎腳掌主動驅(qū)動技術(shù)的整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖； 圖4是IPMC智能材料幾何形狀示意圖； 圖5是普通螺栓聯(lián)接緊固示意圖； 圖6是注水膜上的注水孔和水溝示意圖； 圖7是傾斜仿生剛毛陣列； 圖8是末端膨大的傾斜仿生剛毛陣列； 圖9是腳掌驅(qū)動控制的示意圖； 圖10是IPMC驅(qū)動性能測試結(jié)果圖中標號名稱1為IPMC智能材料件，2為人造剛毛粘附陣列，3-1為上夾持電極，3-2為下夾持電極，4-1為弧狀上夾持片，4-2為弧狀下夾持片，5為注水膜，6為電源控制單元，7 為注水孔，8為普通螺栓，9為有機玻璃(PMMA)墊片，10為水溝。
具體實施例方式1. IPMC 的制備
1) Nafion膜的澆鑄將質(zhì)量比為150:4:1的Nafion溶液、DMF、TEOS混合溶液倒入澆鑄槽內(nèi)，充分攪拌后，置于真空干燥箱內(nèi)澆鑄。分別在70°C下161!，901下》1，1001下》1， 120°C下1.5h，150°C下8min，進行階梯升溫，然后隨爐冷卻至室溫，取出Nafion膜。2) Nafion膜表面處理使用牙膏作為研磨劑均勻直線式打磨Nafion膜表面。打磨完成后，分別在去離子水中超聲清洗薄膜0. 5h，2mol/L的HCl溶液中煮沸0. 5h，去離子水中煮沸0. ！。觀察到Nafion膜表面形成了各向異性的表面織構(gòu)，如圖1所示。配制27ml Pt濃度為3. 5mg/ml的鉬氨復合物溶液，0. 6ml 5%氨水溶液，將膜浸泡于混合溶液中16h。3)化學鍍制備IPMC
(1)主化學鍍用去離子水潤洗經(jīng)過離子交換的Nafion膜，放入盛有108ml去離子水的茄形瓶(旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀配套玻璃儀器)中，加熱至40°C;每隔半小時，加l.aiil 1.5%妝8扎溶液，溫度升高2°C，直至60°C，在60°C時加12ml 1.5% NaBH4溶液，反應(yīng)1.釙；還原完成后， 用去離子水清洗膜，并浸泡于0. 1 mol/L HCl中。(2)次化學鍍配制次鍍鍍液，鉬氨復合物107. 9077mg，去離子水7&ι1，5%氨水 1.5ml，安裝好旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；將去離子水潤洗后的薄膜放入鍍液中，每隔半小時，加1.8ml 1. 5% H2NOH HCl和0. 9ml 20% H2NNH2，溫度升高2°C，溫度40°C "60°C。該步驟操作兩次。 可獲得較均勻致密的金屬鍍層，如圖2所示。4)裁剪成適合尺寸裁剪IPMC成所需要的幾何形狀。5)鋰離子交換將去離子水清洗后的IPMC浸泡于2N的LiOH溶液中Mh，溫度為 30°C。交換完畢即所需要的IPMC智能材料。2.驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造
基于IPMC的仿壁虎腳掌的主動驅(qū)動技術(shù)的整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3，該結(jié)構(gòu)包括五個模塊IPMC智能材料件1，人造剛毛粘附陣列2，電極夾裝裝置(由夾持電極3和弧狀金屬夾持片4組成)，注水膜5 (含有注水孔7和水溝10)和電源控制單元6。IPMC智能材料的幾何形狀如圖4所示，可以通過激光切割機裁剪成該形狀，模仿壁虎的腳掌腳趾部分。由于需要驅(qū)動粘附陣列，必須保證IPMC有足夠大的力與位移輸出性能，本發(fā)明中IPMC智能材料的長度取30mm，厚度取0. 46mm，經(jīng)在測試平臺(于敏，張昊，丁海濤，何青松，郭東杰，戴振東.IPMC人工肌肉材料性能測試裝置.CN101813533A)上測試，該IPMC驅(qū)動材料末端的單側(cè)輸出位移可達14mm(激光點距IPMC末端5mm)，端部輸出力可達到7g，可以驅(qū)動粘附陣列， 驅(qū)動參數(shù)正弦電壓3V，頻率0. IHz0 IPMC的電極夾裝裝置如圖5所示，由弧狀金屬夾持片 4和夾持電極3組成，該夾裝裝置用于模仿壁虎的腳掌根部及小腿部肌肉，該電極夾裝裝置可以保證整個IPMC腳趾上的粘附陣列與接觸表面充分接觸，通過普通螺栓8聯(lián)接緊固，在螺栓8和夾持電極3之間增加有機玻璃墊片9 (圖中斜線部分)，以防止短路。在IPMC的上表面貼上一層注水膜5，預留有注水孔7和水溝10，具體設(shè)計見圖6。注水膜采用塑料薄膜， 為長方形，其上有注水孔和水溝結(jié)構(gòu)。水溝為菱形，注水孔處于水溝交叉中心位置，在IPMC工作一定時間后向注水孔7內(nèi)滴加適量的去離子水，水分沿著水溝10快速流動分布于整個 IPMC表面，水溝采用封閉設(shè)計防止水分的流失，用于補充和保持IPMC運動所需水分，延長 IPMC在空氣中的工作時間，從而提高仿壁虎腳掌的持久運動能力。粘附陣列為傾斜仿生剛毛陣列和末端膨大的傾斜仿生剛毛陣列，分別如圖7(劉彬，張昊，郭東杰，戴振東.傾斜仿生剛毛的設(shè)計、制備及黏附性能研究.摩擦學學報，2009，29(5): 393-398.)和圖8 所示(吳連偉，張昊，李佳波，郭東杰，戴振東.末端膨大兩級結(jié)構(gòu)的制備及粘附性能測試.機器人，2011，33(2) 2觀-234)，粘附陣列與IPMC需要采用粘性材料(如雙面膠) 粘在一起。3.腳掌驅(qū)動的控制
仿壁虎腳掌驅(qū)動的控制如圖9，調(diào)控電源控制單元6發(fā)出正值電信號，電信號施加在電極夾裝裝置夾持電極3上，以激勵I(lǐng)PMC智能材料件1，使IPMC發(fā)生彎曲變形，由水平位置向上彎曲(a位置)，模仿壁虎腳掌腳趾的外翻動作，完成脫附的過程。隨后調(diào)控電源控制單元6產(chǎn)生負值電信號，由該位置返回水平位置(b位置)，主動驅(qū)動人造剛毛粘附陣列2，在 IPMC的驅(qū)動力下，粘附陣列與某接觸表面粘附，模仿壁虎腳掌腳趾的內(nèi)抓動作，完成粘附的過程。當工作一定時間后(一般為2-5分鐘)，向注水孔7內(nèi)滴加適量去離子水，以補充水分。 如此多次循環(huán)控制，模仿壁虎腳掌的粘附運動，實現(xiàn)驅(qū)動-結(jié)構(gòu)一體化的主動驅(qū)動方式。附IPMC驅(qū)動性能測試結(jié)果(端部輸出位移和輸出力)，見圖10。圖IOa為兩個周期內(nèi)最大輸出力，圖IOb為800s內(nèi)測試的最大輸出力(IPMC末端輸出力)隨時間的變化圖； 圖IOc為兩個周期內(nèi)最大輸出位移(測試點距IPMC懸置端5mm)，圖IOd為800s內(nèi)測試的最大輸出位移隨時間的變化圖。
權(quán)利要求
1.一種基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于包括弧狀上夾持片(4-1)、弧狀下夾持片(4-2)、一端懸空另一端被上述夾持片夾持固定的IPMC材料件(1)，還包括安裝于弧狀上夾持片(4-1)的上電極(3-1)，安裝于弧狀下夾持片(4-2 )的下電極(3-2 )，還包括與上電極(3-1 )、下電極(3-2 )連接的電源控制單元(6 )；上述IPMC材料件(1)上表面還貼有注水膜(5)，下表面貼有人造剛毛粘附陣列(2)，上述注水膜具有帶有注水孔(7)的水溝(10)；該水溝(10)為封閉結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于上述水溝 (10)存在多個交叉處，每個交叉處，均勻有一個注水孔(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于上述水溝由兩條單獨水溝首首相連、尾尾相連組成，且該兩條單獨水溝均為折線形式，任意一條單獨水溝的任意一條折邊與另一單獨水溝有且只有一個交點，整體形成依次排列的菱形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于上述IPMC智能材料件(1)在其基底膜的表面處理環(huán)節(jié)中使用目數(shù)在200-1800范圍的超細研磨劑均勻直線定向打磨。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于上述定向打磨方向平行或垂直于IPMC長度方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于上述人造剛毛粘附陣列(2)為傾斜仿生剛毛陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌，其特征在于上述傾斜仿生剛毛陣列為末端膨大結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌的驅(qū)動方式，其特征在于包括以下過程調(diào)控電源控制單元(6)發(fā)出正值電信號，電信號施加在夾持電極上，以激勵I(lǐng)PMC智能材料件(1)，使IPMC發(fā)生彎曲變形，由水平位置向上彎曲，模仿壁虎腳掌腳趾的外翻動作， 完成脫附的過程；調(diào)控電源控制單元(6)產(chǎn)生負值電信號，IPMC智能材料件(1)由上彎位置返回水平位置，主動驅(qū)動人造剛毛粘附陣列(2)，在IPMC的驅(qū)動力下，粘附陣列與某接觸表面粘附，模仿壁虎腳掌腳趾的內(nèi)抓動作，完成粘附的過程；利用注水孔(7)滴加去離子水，通過水溝(10)使水迅速擴展到整個IPMC智能材料表面，以補充水分。
全文摘要
本發(fā)明基于IPMC的仿壁虎主驅(qū)動式腳掌及驅(qū)動方式，屬仿壁虎腳掌主動驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。它包括弧狀上、下夾持片、一端懸空另一端被上述夾持片夾持固定的IPMC材料件(1)，還包括安裝于弧狀上夾持片(4-1)的上電極(3-1)，安裝于弧狀下夾持片(4-2)的下電極(3-2)，還包括與上電極(3-1)、下電極(3-2)連接的電源控制單元(6)；上述IPMC材料件(1)上表面還貼有注水膜(5)，下表面貼有人造剛毛粘附陣列(2)。通過電源控制單元激勵I(lǐng)PMC材料件，使其產(chǎn)生類似生物活體的形變，主動驅(qū)動人造剛毛粘附陣列，模仿壁虎腳掌腳趾外翻、內(nèi)抓的動作，從而實現(xiàn)驅(qū)動-結(jié)構(gòu)一體化的主動驅(qū)動方式。
文檔編號B62D57/024GK102372041SQ201110321419
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者于敏, 何青松, 張昊, 戴振東 申請人:南京航空航天大學