基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼及其运动方法

摘要

本发明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。

说明书

 

技术领域

本发明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。

背景技术

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）的表面沉积铂、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, Kim K J. Ionic polymer–metal composites: IV. Industrial and medical applications. Smart Materials and Structures, 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-locomotion of underwater vehicles actuated by ionic polymer metal composites. IEEE/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35 mm，高45 mm。IPMC的一端连接梯形硅树脂材料的尾鳍，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21 mm/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。([1] Tan X, Kim D, Usher N, et al. An autonomous robotic fish for mobile sensing. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2006: 5424-5429. [2] Mbemmo E, Chen Z, Shatara S, et al. Modeling of biomimetic robotic fish propelled by an ionic polymer-metal composite actuator. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2008: 689-694. [3] Shatara S, Tan X, Mbemmo E, et al. Experimental investigation on underwater acoustic ranging for small robotic fish. IEEE 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 cm~150 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 mm。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。（[1] Ye X, Su Y, Guo S. A centimeter-scale autonomous robotic fish actuated by IPMC actuator. IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, 2007: 262-267. [2] Ye X, Su Y, Guo S, et al. ICPF actuator-based novel type of 3D swimming microrobot. IEEE International Conference on Mechatronics and 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。

发明内容

本发明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、尾鳍驱动系统、控制板和电源组成；其特征在于：所述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；其中每组胸鳍机构均由第一IPMC材料片、转动轴及轴承、转动圆盘、胸鳍薄膜、第二IPMC材料片、第三IPMC材料片组成；所述U型机架由左、右共两块侧板和底板组成；所述转动圆盘通过所述转动轴及轴承安装于所述U型机架侧板的外侧；所述转动圆盘内侧具有一对伸向U型机架底板上方的拨杆；所述U型机架的底板设有IPMC放置沟槽；所述第一IPMC材料片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放置沟槽内；该第一IPMC材料片的上部恰好位于上述一对拨杆之间；所述转动圆盘外侧固定着两个胸鳍薄膜连接块；所述第二IPMC材料片利用螺钉与其上、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处，所述第三IPMC材料片利用螺钉与其上、下两侧的电极铜片夹紧并安装于另一个胸鳍薄膜连接块处；所述胸鳍薄膜安装于第二IPMC材料片和第三IPMC材料片的上表面。机架和转动圆盘可以采用光敏树脂进行3D打印成型，具有轻质、高强度、防水的优点；该胸鳍驱动系统为二自由度，可以实现上下拍翼和摇翼两种动作。上下拍翼动作可带动鱼体两侧的胸鳍朝着正下方摆动产生推力，一方面相对重心形成转矩使使鱼体上仰，另一方面可以作为鱼体上浮的升力，实现机器鱼的上浮/下潜，而摇翼和拍翼动作的组合可产生作用于鱼体前进的推力、阻力，推动鱼体转动的力矩，从而使得机器鱼实现加速/减速，左/右转弯；所述尾鳍驱动系统包括通过电极夹持装置固定在鱼体尾部的第四IPMC材料片，以及安装于第四IPMC材料片末端的尾鳍组成。该尾鳍驱动系统可以实现鱼体轴线平面内单向或双向摆动，产生推进鱼体前进的推力，使得机器鱼实现直线巡游或转弯运动。

所述的基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼，其特征在于：所述第二IPMC材料片、第三IPMC材料片与所述胸鳍薄膜采用IPMC、硅橡胶一体浇注成型结构。胸鳍薄膜采用硅橡胶制备，具有柔软、强度高的优点，可使得第二IPMC材料片、第三IPMC材料片的运动性能最大程度地发挥。采用一体浇注成型无需胶接，具有工艺结构简单的优点。

所述的基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼，其特征在于：所述的电极夹持装置为L型。电极夹持装置采用L型对鱼体和尾鳍驱动系统的连接起到了过渡作用。

所述的基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼，其特征在于：所述尾鳍为前小后大的梯形薄片结构。该梯形薄片结构模仿真实鱼的尾鳍，可提高鱼体推进效率。

所述的基于离子型肌肉驱动的小型机器鱼，其特征在于：所述控制系统由微控制器、驱动信号生成单元、红外遥控单元和红外避障单元组成。

所述的基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼的运动方法，其特征在于包括以下过程：每一个IPMC材料片采用独立控制方式，相互配合；其中电信号激励下，第一IPMC材料片产生弯曲变形，带动拨杆驱动相应转动圆盘转动，实现对应胸鳍的摇翼动作；其中电信号激励下，第二IPMC材料片、第三IPMC材料片产生弯曲变形，驱动胸鳍薄膜弯曲变形，实现胸鳍的上下拍翼动作；其中电信号激励下，第四IPMC材料片产生弯曲变形，驱动尾鳍弯曲变形，实现尾鳍的摆动。通过二自由度胸鳍和尾鳍的组合驱动形式使得小型机器鱼实现多种运动模式：直线巡游、加速/减速/急停、左/右转弯、上浮/下潜等。

附图说明

图1机器鱼示意图；

图2胸鳍驱动系统结构示意图一；

图3胸鳍驱动系统结构示意图二；

图4 机架结构示意图；

图5转盘结构示意图；

图6尾鳍驱动系统示意图一；

图7尾鳍驱动系统示意图二；

图8直线巡游的驱动信号；

图9加速/减速的驱动信号；

图10急停的驱动信号；

图11左转弯时尾鳍的驱动信号；

图12胸鳍参与摆动时左转弯的驱动信号；

图13上浮和下潜的驱动信号；

图14控制系统组成框图；

图15控制系统的输出信号. (a) 直线巡游的驱动信号; (b) 上浮/下潜和加速/减速的驱动信号; (c) 急停的驱动信号; (d) 左/右转弯的驱动信号。

图中标号名称：1为鱼体，2为胸鳍驱动系统，2-1为U型机架，2-2为第一IPMC材料片，2-3为转动轴及轴承，2-4为转动圆盘，2-5为胸鳍薄膜，2-6为第二IPMC材料片，2-7为第三IPMC材料片，2-1-1为放置轴承的孔，2-1-2为IPMC放置沟槽，2-1-3为IPMC电极夹紧螺母孔，2-1-4为U型机架主体，2-4-1为转动盘主体，2-4-2为拨杆，2-4-3为与转动轴承配合的杆所对应孔，2-4-4为鱼胸鳍薄膜连接块，3-1为电极夹持装置，3-2为第四IPMC材料，3-3为尾鳍。

具体实施方式

1．机器鱼、胸鳍驱动系统、尾鳍驱动系统设计

图1中机器鱼由鱼体1，胸鳍驱动系统2，尾鳍驱动系统3组成，鱼体内部有信号驱动电路和电源。图2、图3中胸鳍驱动系统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；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；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；U型机架2-1的底板设有沟槽2-1-2；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；转动圆盘2-4外侧固定着两个胸鳍薄膜连接块2-4-4；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，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；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。电信号激励下，第一IPMC材料片2-2产生弯曲变形，带动拨杆2-4-2驱动相应转动圆盘2-4转动，实现对应胸鳍的摇翼动作；第二IPMC材料片2-6、第三IPMC材料片2-7产生弯曲变形，驱动胸鳍薄膜2-5弯曲变形，实现胸鳍的上下拍翼动作；改变驱动电压和频率可实现不同幅度、不同频率的摇翼和上下拍翼动作。

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。电信号激励下，第四IPMC材料片3-2产生弯曲变形，驱动尾鳍3-3弯曲变形，实现尾鳍的摆动，改变驱动电压和频率，可实现不同幅度、不同频率的摆动。该尾鳍驱动系统实现鱼体轴线平面内单向或双向摆动，产生推进鱼体前进的推力，使得机器鱼实现直线巡游或转弯运动。

通过二自由度胸鳍和尾鳍的组合驱动形式使得小型机器鱼实现多种运动模式：直线巡游、加速/减速/急停、左/右转弯、上浮/下潜等。

2．机器鱼直线巡游运动模式的实现

机器鱼依靠尾鳍双向摆动实现直线巡游，驱动信号采用正弦波，驱动尾鳍驱动系统中第四IPMC材料片3-2双向弯曲带动梯形塑料尾鳍来回摆动，产生推力推进鱼体向前游动，驱动信号如图8所示。

3．机器鱼加速/减速/急停运动模式的实现

机器鱼在单尾鳍摆动时，只需要通过改变尾鳍摆动的幅度和频率就可以实现

加速和减速，所以驱动信号仍采用上述直线巡游的正弦波信号，但是需要改变频率或幅值，加速时，增大频率或幅值；减速时，减小频率和幅值。

当胸鳍参与摆动时，尾鳍仍是在第四IPMC材料片3-2的驱动下往复摆动，

驱动信号为正弦波，胸鳍的运动则是分成两个阶段：推程阶段和回程阶段，由于两侧胸鳍运动形式相同，所以这里以左侧胸鳍为例。

在推程阶段，驱动信号如图9，AB两点之间的曲线均为1/4周期正弦波信号，一路信号用于驱动第一IPMC材料片2-2单向弯曲带动胸鳍绕中心轴X旋转90度，另两路则是驱动第二IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2-7带动对应胸鳍向身体后侧摆动。

在回程阶段，与推程阶段相似，如图9中的BC段。BC之间的曲线仍都是

1/4周期的正弦波，只是幅值电压逐渐减小。IPMC材料2-2在该信号的驱动下带动胸鳍回转90度，同时第二IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2-7在另两路信号的驱动下恢复弯曲使胸鳍回到原位置。 

当需要胸鳍辅助急停时，施加在两侧胸鳍的驱动信号如图10，这里只需要

施加1/4周期的正弦波信号（图中AB段）在第一IPMC材料片2-2上，驱动胸鳍转过90度即可，然后在直流电压信号（图BC段）的驱动下保持在此位置一定时间，直到机器鱼的游速变成零。

4．机器鱼左/右转弯运动模式的实现

针对依靠单尾鳍摆动实现转弯的方式，施加的驱动信号较为简单，这里右转弯为例，如图11。 

初始阶段，机器鱼在正弦波的驱动下直线游动，当需要左转弯时，第四IPMC

材料片3-2在1/4周期的正弦波信号（图中AB段曲线）的驱动下，尾鳍首先向身体的左侧摆动，待摆动到预设位置后，驱动信号变成如图中BC段曲线所示的均值为某一电压值的正弦震荡波，在该震荡波的驱动下，尾鳍在身体左侧的预设位置上作小幅度摆动。在这里，这样设计是因为尾鳍回摆将会产生与外摆时相反的转矩，这样将会抵消一部分外摆时转矩所做的功，削弱机器鱼的转弯效果，所以采用均值偏离X轴的正弦震荡波减小回摆效应。

当胸鳍参与机器鱼的转弯时，仍以右转弯为例，需要右侧胸鳍摆动产生推动

鱼体转动的力矩。驱动信号如图12，在转弯时，第一IPMC材料片2-2在AB段1/4周期正弦波信号的驱动下带动右侧胸鳍转过90度，同时施加同样形式的1/4周期的正弦波在第二IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2-7上，使胸鳍向后摆动，产生转动力矩，之后第一IPMC材料片2-2在直流电压的驱动下使胸鳍停留在90度的位置上，而第二IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2-7则在正弦震荡波（图中BC段曲线信号）信号的驱动下带动胸鳍在某位置上小幅度摆动。 

5．机器鱼上浮/下潜运动模式的实现

机器鱼通过胸鳍单方向摆动、尾鳍双向摆动实现上浮或下潜，以上浮为例，

驱动信号如图13。第二IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2-7在1/4周期正弦波（图中AB段）的驱动下，带动两侧胸鳍向身体下方摆动，使机器鱼上仰，并产生一定的升力，同时尾鳍在正弦波的驱动下往复摆动，推动机器鱼上浮。

6．机器鱼体内控制电路

基于前述的关于运动模式和驱动信号的规划设计，可以知道控制系统需要能

够独立输出7通道的模拟信号，并且各通道之间能够相互配合输出，模拟信号的形式一般为正弦波或类似于正弦波的信号，以及直流电压信号。这里将控制系统分成微控制器、驱动信号生成单元、红外遥控单元和红外避障单元，如图14，以满足设计要求，使机器鱼有较好的可控性。控制系统的输出信号验证如图15，图15（a）是标准的正弦波信号，信号的频率和幅值可以通过修改软件中的相关变量来实现，电压幅值可以在-5 V~+5 V之间变化，频率任意可调。该信号用来驱动尾鳍，使之往复摆动，产生向前的推进力。改变幅值和频率，尾鳍摆动的频率增加；图15（b）是正半周期的正弦波，该信号主要用来控制胸鳍，施加6路这样的信号在胸鳍的所有IPMC上，使胸鳍在绕轴转动的同时向后摆动，产生向后的推进力，实现加速；图15（c）为急停运动的驱动信号，是1/4周期的正弦波与直流信号的组合。施加该信号在胸鳍的第一IPMC材料片2-2上，使胸鳍的展开面垂直游速方向，增大游动阻力，从而可以短时间内实现减速。机器鱼从开始减速到停止的时间可以通过调整直流信号的持续时间来改变。图15（d）的信号是平均值为某一直流电压值的高频正弦波信号，主要用在机器鱼的左/右转弯运动中。单尾鳍摆动时，该信号施加在尾鳍的第四IPMC材料片3-2上，尾鳍在身体一侧单方向摆动，实现转弯；当有胸鳍配合时，另2路相同形式的驱动信号施加在胸鳍的第二IPMC材料片2-6和第三IPMC材料片2-7上，有1路图15（c）样式的驱动信号施加在胸鳍的第一IPMC材料片2-2上，这样就可以实现胸鳍在X轴的一侧摆动，增大机器鱼的转弯力矩。