基於ipmc驅動的三自由度仿生眼的製作方法

2023-10-07 22:32:09

專利名稱：基於ipmc驅動的三自由度仿生眼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能材料的應用，具體涉及一種採用智能材料IPMC (離子聚合物-金屬複合材料)驅動的視覺仿生器件。
背景技術：
通過模擬生物眼來構建人工視覺系統，使其具有類似於生物眼睛的特徵或功能，稱之為仿生眼。目前，仿生眼在醫療、機器人、電子檢測等領域都具有重要應用。到目前為止，關於仿生眼的研究已引起了國內外學者的關注，申請號為200720106951.2和200810060006.2的專利文獻公開了有關仿生眼的研究成果，通過並聯氣動技術採用六個人工肌肉代替人類眼睛三對肌肉的結構來模擬人類眼睛的運動形態。申請號為201010126955.3和201210075047.5的專利文獻提出一種三自由度並聯機構來模擬人眼的運動方式，通過三個電機帶動絲杆螺母，控制動平臺的姿態，以確定眼睛的姿態。雖然上述結構在一定的程度上實現了人眼的功能，但都存在結構複雜，體積較大，運動方式單一等缺點，廣泛應用存在一定困難。新型智能材料一IPMC的出現，為仿生眼的設計提供了一種全新思路。這種材料具有傳感-致動的雙向機電轉換功能，兼具質量輕、柔韌性好、反應迅速，施加1-3V的電壓能產生大的彎曲變形等特點，作為驅動器已應用於動物腳掌、人體手臂，仿生魚等仿生領域。申請號為201110009203.3的專利文獻通過作為驅動結構，提出了兩種仿生眼球:一種是採用IPMC結構驅動一體化的一維擺動仿生眼球；另一種是彈簧支撐的能夠實現上下左右二維運動的仿生眼球。然而這兩種仿生眼球過於簡單，實現的運動單一，且不能長時間在空氣中使用，未能完全體現IPMC材料的優勢。

發明內容
本發明的目的在於提供一種利用片狀2D (二維)_IPMC驅動器作為底部驅動結構，利用柱狀3D (三維)-1PMC驅動器作為眼球驅動結構，經過封裝製成的仿生眼。為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的:一種基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，其特徵在於，包括基座，該基座上表面設有一個往下凹進的腔體，該腔體底面上至少布置三個引伸至基座外側面的平面對電極，每個對電極都與一個2D-1PMC驅動器片的引出對電極連接，該多個2D-1PMC驅動器片的自由端在腔體底面上規則排列；一個尺寸稍小於腔體、形狀與腔體相同的底板的下表面固定在所述多個2D-1PMC驅動器片自由端上，該底板的中心設有孔，通過孔內壁設置的至少兩個孔對電極連接一個柱狀3D-1PMC驅動器的引出對電極端，該柱狀3D-1PMC驅動器的另一端與一個半圓形眼球相連，該半圓形眼球外設置有一個與眼球同軸的球冠保護殼。上述方案中，所述基座由方形的基板與固定架通過四角的連接孔連接而成，所述固定架為一框架，其內腔與基板上表面構成向上開放的腔體，腔體底面，也即基板和固定架之間的連接面上預先貼有四個平面對電極，每個平面對電極均處於固定架邊框靠近連接孔的位置，並貫通邊框內外；每個平面對電極均連接一個2D-1PMC驅動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅動器片的自由端伸進腔體內，與其連接電極的邊框保持垂直，與相鄰邊框保持平行。所述底板為正方形板結構，底板下面各邊邊緣處開有相互貫通的驅動器固定槽，槽的寬度比2D-1PMC驅動器片的寬度稍大，底板下表面與2D-1PMC驅動器片自由端連接時，該四個固定槽剛好將四個2D-1PMC驅動器片自由端卡住。所述柱狀3D-1PMC驅動器為正四稜柱狀結構。與現有技術相比，本發明的優點是:I)利用2D-1PMC驅動器的彎曲變形特性，通過巧妙的設計將彎曲運動轉化為直線運動，實現仿生眼的「凸起」運動。2)當向每個對電極施加不同的電壓時，柱形3D-1PMC驅動器會產生多種彎曲形態，進而實現眼睛的上視、下視、側視以及斜視功能。3)3D_IPMC材料採用鑄膜技術鑄造，2D和3D-1PMC材料均經過封裝工藝處理，可以增加在空氣中的使用期限。本發明通過2維和3維的IPMC懸臂的簡單結構，就能實現仿生眼模擬眼睛的多種運動形態，為仿生眼的普及應用提供了可能，具有很強的實際應用價值。


圖1為本發明三自由度仿生眼結構剖面圖。圖2為本發明三自由度仿生眼一個具體實施例的三維分解圖。圖3為圖2仿生眼中基座固定架結構三維圖(底面)。圖4為圖2仿生眼中底板結構三維圖(底面)。圖1到圖4中:1、基板，2、底板，3、螺釘，4、螺母，5、平面對電極，6、眼球，7、球冠保護殼，8、3D-1PMC驅動器柱，9、孔對電極，10、固定架，1U2D-1PMC驅動器片，12、腔體，13、驅
動器固定槽。圖5為本發明三自由度仿生眼另一個具體實施例的三維分解圖。圖6為圖5仿生眼中圓形基板I的結構三維圖。圖7為圖5仿生眼中底板2的結構三維圖(底面)。
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。實施例一參考圖1，圖2，一種基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，包括凸起運動組件:基板1、固定架10、平面對電極5、四片2D-1PMC驅動器片11和底板2 ;球面運動組件:一根3D-1PMC驅動器柱(正四稜柱)、孔對電極9、半圓形的眼球6 (頂部可放置微型攝像頭)及球冠保護殼7。正方形基板和固定架(框架結構)通過四角的螺釘3、螺母4連接為一體，並形成往下凹進的腔體12。由於基板和固定架屬於結構件，可採用硬質材料(比如聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)。腔體底面，也即基板和固定架之間的連接面上預先貼有四個平面對電極5(兩個銅電極，一個貼於基板上面、一個貼於固定架下面)，每個平面對電極均處於固定架邊框靠近螺釘孔的位置，並貫通邊框內外(圖3)。每個平面對電極均連接一個長條形2D-1PMC驅動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅動器片的自由端伸進腔體內，與其連接對電極的邊框保持垂直，與相鄰邊框保持平行。然後將一塊正方形底板2 (尺寸小於固定架內腔)固定在四個2D-1PMC驅動器片自由端上，通過3D-1PMC驅動器柱8連接球面運動組件。根據IPMC驅動器的變形特點，當對平面對電極5施加正向直流電壓時，四片2D-1PMC驅動器同時產生彎曲運動，會把連接於其自由端上的底板2和球面運動組件託起，彎曲運動轉化為直線運動，可實現眼球的「凸起」運動。底板可採用低密度的輕質材料(t匕如發泡聚苯乙烯PS)，可減少自身重力對驅動器驅動效果的影響。為了實現本發明仿生眼功能，3D-1PMC驅動器柱8所需要的較厚的Nafion膜按專利文獻(申請號201210361131.3) 「IPMC材料中Nafion膜的回收與重鑄工藝」所述工藝鑄造；為了使上述仿生眼能長期在空氣中使用，本發明2D和3D-1PMC材料均採用專利文獻(申請號201110255830.5) 「一種IPMC驅動器的封裝工藝」所述方法進行封裝處理。參考圖4，底板2為正方形板結構，下面各邊邊緣處開有相互貫通的驅動器固定槽13，槽的寬度比2D-1PMC驅動器片的寬度稍大，底板裝配時，該四個固定槽13剛好將四個2D-1PMC驅動器片自由端卡住，可防止2D-1PMC驅動器彎曲變形時發生側偏。底板中間開有方孔，方孔大小與3D-1PMC驅動器柱8截面尺寸保持一致。方孔內用矽膠貼有兩個孔對電極9 (圖1)，每個孔對電極之間保持不接觸。將3D-1PMC驅動器柱8的引出對電極端插入帶有孔對電極的基板方孔內，另一端與裝有微型攝像頭的眼球6連接。將球冠保護殼7固定於基板2上，且與眼球6同軸，目的為了保護眼球。眼球和球冠保護殼均可採用低密度的輕質材料PS。當向孔對電極9施加不同幅值(1-3V)和頻率(0.1-1OHz)的正弦電壓信號時，正四稜柱形3D-1PMC驅動器會產生多種彎曲形態，進而帶動眼球實現眼睛的上視、下視、側視以及斜視等複雜功能。實施例二參考圖5，另一種基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，該實施例中基板I和底板2均為圓形(圖6、圖7)，固定架為環形。該實施例中，基板和固定架之間的連接面上預先貼有6個平面對電極5沿基板(環形固定架)周向均勻分布，並貫通固定架環形內外。每個平面對電極均連接一個長條形2D-1PMC驅動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅動器片的自由端伸進腔體內，並指向圓心。沿底板周向均勻分布6個矩形槽，槽的寬度比2D-1PMC驅動器片的寬度稍大，底板下表面與2D-1PMC驅動器片自由端連接時，該矩形槽剛好將2D-1PMC驅動器片自由端卡住。其他安裝方式、材料等與實施例一相同。本發明不局限於以上實施例，例如，如採用圓形基板和底板，則平面對電極5的數目可在3-12之間選擇，相應3 12個2D-1PMC驅動器片沿基板與環形固定架周向均勻分布即可。
權利要求
1.一種基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，其特徵在於，包括基座，該基座上表面設有一個往下凹進的腔體，該腔體底面上至少布置三個引伸至基座外側面的平面對電極，每個對電極都與一個2D-1PMC驅動器片的引出對電極連接，該多個2D-1PMC驅動器片的自由端在腔體底面上規則排列；一個尺寸稍小於腔體、形狀與腔體相同的底板的下表面固定在所述多個2D-1PMC驅動器片自由端上，該底板的中心設有孔，通過孔內壁設置的至少兩個孔對電極連接一個柱狀3D-1PMC驅動器的引出對電極端，該柱狀3D-1PMC驅動器的另一端與一個半圓形眼球相連，該半圓形眼球外設置有一個與眼球同軸的球冠保護殼。
2.如權利要求1所述的基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，其特徵在於，所述基座由方形的基板與固定架通過四角的連接孔連接而成，所述固定架為一框架，其內腔與基板上表面構成向上開放的腔體，腔體底面，也即基板和固定架之間的連接面上預先貼有四個平面對電極，每個平面對電極均處於固定架邊框靠近連接孔的位置，並貫通邊框內外；每個平面對電極均連接一個2D-1PMC驅動器片的引出對電極，該2D-1PMC驅動器片的自由端伸進腔體內，與其連接電極的邊框保持垂直，與相鄰邊框保持平行。
3.如權利要求2所述的基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，其特徵在於，所述底板為正方形板結構，底板下面各邊邊緣處開有相互貫通的驅動器固定槽，槽的寬度比2D-1PMC驅動器片的寬度稍大，底板下表面與2D-1PMC驅動器片自由端連接時，該四個固定槽剛好將四個2D-1PMC驅動器片自由端卡住。
4.如權利要求1所述的基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，其特徵在於，所述柱狀3D-1PMC驅動器為正四稜柱狀結構。
全文摘要
本發明公開了一種基於IPMC驅動的三自由度仿生眼，其特徵在於，包括基座，該基座上表面設有一個往下凹進的腔體，該腔體底面上至少布置三個引伸至基座外側面的平面對電極，每個對電極都與一個2D-IPMC驅動器片的引出對電極連接，該多個2D-IPMC驅動器片的自由端在腔體底面上規則排列；一個尺寸稍小於腔體、形狀與腔體相同的底板的下表面固定在所述多個2D-IPMC驅動器片自由端上，該底板的中心設有孔，通過孔內壁設置的至少兩個孔對電極連接一個柱狀3D-IPMC驅動器的引出對電極端，該柱狀3D-IPMC驅動器的另一端與一個半圓形眼球相連，該半圓形眼球外設置有一個與眼球同軸的球冠保護殼。
文檔編號A63H3/40GK103143176SQ201310077130
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優先權日2013年3月12日
發明者陳花玲, 王延傑, 王永泉, 朱子才, 常龍飛, 劉磊 申請人:西安交通大學