基于IPMC驱动的小型机器鱼的研制

摘要

新型智能材料IPMC是一种离子型金属聚合物,它是由高分子离子交换树脂膜和附着在其上下表面的金属电极层组成。当低电压施加在IPMC的上下表面时,IPMC会发生较大的弯曲变形,并有一定大小的力输出。
　　鉴于IPMC的特性,本文设计了一种基于IPMC驱动的小型机器鱼,较采用传统的电机驱动,它具有功耗低,无噪音,体积较小的优点。主要内容如下:
　　1.利用Nafion溶液制备IPMC的基底膜,通过化学镀,使金属Pt颗粒附着在Nafion膜的上下表面,形成电极层,制备出用于驱动机器鱼的IPMC。
　　2.基于鱼类的形态特点和推进方式分析,设计了机器鱼的尾鳍和胸鳍结构,尾鳍在IPMC的驱动下能够实现双向摆动,而胸鳍则可以实现两个自由度的运动,即绕轴的旋转和弯曲摆动。然后,根据机器鱼的结构,规划和设计了机器鱼的四种游动模式:直线巡游、加速/减速和急停、左/右转弯、上浮和下潜。
　　3.针对机器鱼的四种游动模式,分别对其进行了水动力学分析,并以此分析为基础,设计了机器鱼在四种游动模式下的驱动信号。
　　4.设计了机器鱼的控制系统,该控制系统在7.4V聚合物锂电池的驱动下能够输出相互独立的7通道模拟信号,每个通道的输出电压范围为-5V~+5V,输出电流最大可以达到400mA。除此之外,该控制系统还安装了红外发射头和红外一体化接收头,实现了机器鱼的红外遥控和红外避障的功能。

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图清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 智能材料IPMC

1.3 课题来源及本课题的主要工作

第二章 智能材料IPMC的制备

2.1 IPMC制备原理

2.2 实验药品和设备

2.3 IPMC的具体制备步骤

2.4 本章小结

第三章 机器鱼的总体结构和运动方案设计

3.1 鱼类的形态特点

3.2 鱼类的推进方式介绍

3.2.1 BCF推进方式

3.2.2 MPF推进方式

3.3 机器鱼的机构设计

3.4 机器鱼的运动模式规划

3.5 本章小结

第四章 机器鱼的水动力学分析和驱动信号设计

4.1 尾鳍的水动力学计算

4.2 胸鳍的水动力学计算

4.3 四种游动模式的运动学计算

4.4 机器鱼的驱动信号设计

4.5本章小结

第五章 微型机器鱼的控制系统设计

5.1 系统的微控制器

5.2 驱动信号生成单元

5.3 红外遥控单元

5.4 自动避障单元

5.5 电压转换单元

5.6 控制系统的验证

5.7 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 本文的主要工作

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文