基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器人制造技术

本实用新型专利技术涉及一种运动机器人。目的是提供一种仿蛇软体爬杆机器人；该仿蛇软体爬杆机器人能够模仿蛇的爬行动作，在柱状物体上运动。技术方案是：基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器人，包括IPMC驱动控制器；其特征在于：该机器人还包括一字形排列且由IPMC材料制成的若干个扇环形小节、一一连接在两两相邻扇环形小节之间且由IPMC材料制成的条状的连接片以及安装所述IPMC驱动控制器且带有电池的放置板，每一扇环形小节与每一连接片分别通过导线接通所述的IPMC驱动控制器。

【技术实现步骤摘要】
基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器人
本技术涉及一种运动机器人，尤其是基于IPMC柔性驱动器的仿生蛇软体爬杆机器人。
技术介绍
仿生机器人在机器人领域一直是一个很热门的领域，在工业、军事以及娱乐领域都有很大的应用。随着近些年机器人应用领域的扩展，对机器人本身的技术水平提出了更高的要求。机器人的工作环境逐渐变得复杂、多变，传统刚性机器人面对这些环境往往缺乏灵活性，运动模式单一，不适合在这种环境下工作。但这种工作环境，促使了软体机器人的发展。研究人员通过模仿自然界中的软体动物，研制出了仿生软体机器人。同时仿生软体机器人的驱动材料的研究也是一个重点。目前常用的软体材料有压电材料，形状记忆合金，电活性聚合材料(Electroactivepolymers，简称EAP)。而在实际应用过程中，压电材料所需电压过高，不容易实现；形状记忆合金所需温度较高，变型缓慢。使用EAP材料，可以解决这些材料带来的问题。离子聚合物-金属复合材料(IonicPolymerMetalComposite，简称IPMC)是EAP材料的一种，由离子交换膜和两侧电极层构成的复合材料。将离子交换膜浸渍在去离子水中，在直流电场作用下，离子交换膜内部的水合阳离子携带溶剂分子通过膜内的微小管道向阴极移动，固定的阴离子保留在高分子骨架上，引起阳极的收缩和阴极的膨胀，宏观上引发材料向阳极弯曲，发生形变。撤销直流电场后，IPMC材料将恢复原始尺寸。相较于其他软体材料，IPMC具有质量轻、响应速度快、能够在较低的电压下形成较大的形变和张力的特点，在仿生机器人、光机电系统及生物医学工程等多个领域展现了巨大的应用前景。因此，IPMC材料作为仿生机器人驱动材料能够克服传统驱动材料所带来的不足。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是克服上述
技术介绍
的不足，提供一种仿蛇软体爬杆机器人；该仿蛇软体爬杆机器人能够模仿蛇的爬行动作，在柱状物体上运动。本技术提供的技术方案是：基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器人，包括IPMC驱动控制器；其特征在于：该机器人还包括一字形排列且由IPMC材料制成的若干个扇环形小节、一一连接在两两相邻扇环形小节之间且由IPMC材料制成的条状的连接片以及安装所述IPMC驱动控制器且带有电池的放置板，每一扇环形小节与每一连接片分别通过导线接通所述的IPMC驱动控制器。进一步地，在非工作状态，所有扇环形小节的轴线均相互平行。进一步地，所述扇环形小节与连接片采用胶水粘连。进一步地，所述扇环形小节为三分之二圆环形状。进一步地，每个扇环形小节两侧的连接件的中心线交错分布，并且所有连接件中的任一连接件的中心线都不与其它连接件的中心线共线。进一步地，所述IPMC驱动控制器包含单片机、稳压模块、信号放大模块以及控制开关。本技术的工作原理是：按下控制开关，12伏直流电源开始为IPMC驱动控制器供电，单片机产生占空比可调的方波直流信号，通过信号放大模块产生更大功率的驱动信号，驱动信号对IPMC材料进行激励；由IPMC材料制作的扇环形小节与连接件，在依次接到驱动信号后，先后产生不同程度的形变，模拟出蛇爬杆的动作。本技术所达到的有益效果：本技术根据IPMC材料的变形特点，采用IPMC材料为驱动材料。以蛇类为仿生研究对象，设计大接触面的结构，可以增加机器人在爬杆中运动所需的摩擦力；同时连接片可以增加仿蛇爬杆机器人在爬杆运动中运动的稳定性。控制器以单片机为主，可对频率、电压进行调节。本技术结构简单，体积小巧，在仿生学研究上做出了扩展，同时为IPMC材料作为仿生机器人的驱动材料做了更加深入的研究及推广。附图说明图1为本技术实施例的立体结构示意图。图2为本技术中扇环形小节与连接件的连接关系示意图。图3为本技术中单个扇环形小节通电工作时的结构变化示意图。图4为本技术中连接板通电工作时的结构变化示意图。图5为本技术中IPMC驱动控制器的结构示意图。图6为本技术的爬杆运动示意图。图1到图6中：1—扇环形小节；1—连接片；3-1—信号放大模块；3-2—稳压模块；3-3—电池；4—放置板；5—杆。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。如图1所示的基于IPMC柔性驱动器制备的仿蛇软体爬杆机器人，包括若干个IPMC材料制成的扇环形(即部分圆环形状；优选三分之二圆环形状)的小节1与条状的连接片2，两两相邻的扇环形小节均由一连接片连接；并且在非工作状态，所有扇环形小节的轴线均相互平行(作为推荐，非工作状态时，所有扇环形小节的轴线相互重合)。每个扇环形小节两侧的两个连接件的中心线交错分布，并且所有连接件中的任一连接件的中心线都不与其它连接件的中心线共线，以此来增加仿蛇运动的稳定性。该仿蛇软体爬杆机器人还包括安装所述IPMC驱动控制器以及电池的放置板4，每一扇环形小节与每一连接片分别通过导线接通所述的IPMC驱动控制器。如图4所示，本技术的放置板示上安装有IPMC驱动控制器与电池3-3(输出12伏直流)，电池组下方也可设置按钮开关(在电池组底部与外壳相接处位置开设开关通孔，所述按钮开关从开关通孔向外伸出)。显然，该放置板仅通过导线与每一扇环形小节与每一连接片接通(扇环形小节与连接片上开设有小孔，导线接头插入并固定在小孔中)。IPMC驱动控制器(现有技术)包括稳压模块3-2、信号放大模块3-1、单片机以及控制开关(图中省略单片机与控制开关)。由IPMC材料特性，输出5V，1HZ方波信号(输出电压及频率可调)，信号由单片机stm32输出，可以通过单片机更改信号的频率和幅值，稳压模块和信号放大模块分别推荐使用LTC3780和L298N。打开电源，单片机产生5V电压、1HZ的方波信号(输出电压及频率可调)，经过信号放大模块将信号放大后作用于IPMC材料，使材料产生形变(如图3所示：扇环形小节产生往内径方向收缩的形变；如图4所示；连接片产生弯曲形变)，形变频率和幅度取决于输出信号的频率与幅值。扇环形小节的形变在杆表面产生压力，进而产生足够的摩擦力(也可在扇环形小节的内圆周表面设置增加摩擦力的膜片，以增加整个机体的承重能力)，从而实现整个机体在杆上的仿蛇爬行运动。如图5所示，本技术在爬杆运动时，先将所有的扇环形小节套入杆5(杆的直径应小于扇环形小节的内径；但也不能小于扇环形小节的缺口，以防止使用时扇环形小节从杆上滑脱)中，然后依次对扇环形小节和连接片通电。爬杆运动开始时，机器人上的连接片全部断电，小节全部通电并产生形变固定在杆上。处于最上方的第一片小节先断电，恢复形状与杆脱离，然后连接第一片小节和第二片小节的连接片通电产生拉伸，将第一片小节抬升至高处后第一片小节通电，产生形变固定在杆上，同时处于其下方的第二片小节断电，恢复形状与杆脱离。连接第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器人，包括IPMC驱动控制器；其特征在于：该机器人还包括一字形排列且由IPMC材料制成的若干个扇环形小节(1)、一一连接在两两相邻扇环形小节之间且由IPMC材料制成的条状的连接片(2)以及安装所述IPMC驱动控制器且带有电池的放置板(4)，每一扇环形小节与每一连接片分别通过导线接通所述的IPMC驱动控制器。/n

【技术特征摘要】
1.基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器人，包括IPMC驱动控制器；其特征在于：该机器人还包括一字形排列且由IPMC材料制成的若干个扇环形小节(1)、一一连接在两两相邻扇环形小节之间且由IPMC材料制成的条状的连接片(2)以及安装所述IPMC驱动控制器且带有电池的放置板(4)，每一扇环形小节与每一连接片分别通过导线接通所述的IPMC驱动控制器。


2.根据权利要求1所述的基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器人，其特征在于：在非工作状态，所有扇环形小节的轴线均相互平行。


3.根据权利要求2所述的基于IPMC柔性驱动器的一种仿蛇软体爬杆机器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帆，赵绪隆，赵跃鹏，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33