基于蓝牙控制的IPMC驱动仿生鱼的制作方法

本实用新型属于仿生技术领域，具体涉及一种蓝牙控制的IPMC驱动仿生鱼。

背景技术：

离子聚合物金属复合材料（IPMC）是由离子聚合物基体材料（如Nafion膜、Flemion膜、Selemion膜）和表面贵金属电极层（如铂、银）组成。当给IPMC材料施加5 V以下电压时，基体便会弯曲变形，其具有变形大、质量轻和响应速度快等与生物肌肉相类似的优点，故又俗称“人工肌肉”。IPMC还具有很好的亲水性、生物相容性等优点，这种材料已经应用于仿生机器人领域。

中国专利CN104002947A中设计了一种基于离子型人工肌肉驱动的小型机器鱼。该机器鱼由胸鳍驱动系统、尾鳍驱动系统、控制板和电源四部分组成。胸鳍驱动系统包括一个位于鱼体内的U型机架和左、右胸鳍机构。U型机架由左、右共两块侧板和底板组成，而且U型机架的底板设有IPMC放置沟槽，鱼内的转动圆盘安装于U型机架侧板的外侧，转动圆盘内侧具有一对拨杆，这对拨杆伸向U型机架底板上方。尾鳍驱动系统包括固定在尾部的电极夹持装置、IPMC材料片和尾鳍。通过红外遥控单元，向机器鱼发送相应的驱动信号，从而实现机器鱼的加速、减速、急停、转弯、上浮、下潜等运动模式。

中国专利CN101612987A中设计了一种基于离子交换聚合体金属合成物驱动器的小型机器鱼系统。该系统由定位站、机器鱼、遥控器、上位机组成。机器鱼通过红外发射器和超声波发射器，与基站上的红外接收器和超声波接收器进行数据信号传输，来实现对机器鱼的控制。同时，在机器鱼的内部设有水温传感器和数字罗盘，可以用来检测机器鱼周围的水温以及其游动模式。

郝丽娜设计了一种IPMC和舵机混合驱动的微型仿生机器鱼，鱼体尺寸为150 mm×60mm×40 mm（长×宽×高）。两片IPMC材料片均为35 mm×8 mm（长×宽）的长方形样条。两片IPMC材料片作为驱动器。通过采用PIC18F4620单片机的TIM2定时器可以使IPMC实现稳定的周期性摆动，调整赋给TIM2定时器的初始值来控制电压变化的频率，控制输出频率，从而控制IPMC摆动速度。通过红外遥控控制微型舵机，为鱼体提供转向。（陈康成. 基于IPMC和舵机混合驱动的微型仿生机器鱼的研究。（[硕士学位论文]. 东北大学，2009.）

综上所述，现阶段研究的IPMC驱动仿生鱼存在机械结构和驱动方式复杂等缺点。并且这些仿生鱼主要采用红外控制，这种控制方式抗干扰能力弱以及传输距离短，不易实现对仿生鱼的控制。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种基于蓝牙控制的IPMC仿生鱼，相比红外控制方式，蓝牙控制方式具有穿透性强、传输距离远，抗干扰能力强等优点。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案为：基于蓝牙控制的IPMC驱动仿生鱼，其包括具有仿生鱼形状的壳体，壳体上设有背鳍、胸鳍、尾鳍，其特征在于：所述的背鳍、胸鳍、尾鳍分别采用IPMC材料条制成，背鳍、胸鳍、尾鳍在壳体的相应安装位置上分别设有基部，所述的基部为固定在壳体上的夹持板，所述的IPMC材料条通过夹持板夹持固定；在壳体内部还设有电源、单片机控制器、蓝牙模块，电源、单片机控制器、蓝牙模块、夹持板之间电连接。

进一步地，所述的胸鳍包括左胸鳍及右胸鳍。

进一步地，所述的夹持板采用铜、铁或铂电极片制成。

进一步地，所述的壳体由左壳体及右壳体对合而成，左右壳体之间设有连接的固定轴。

进一步地，所述壳体前端下方设有平衡传感器，所述的平衡传感器与单片机控制器电连接。

进一步地，所述单片机控制器能够分别向背鳍、胸鳍及尾鳍的IPMC材料条施加不同频率的方波信号。

本实用新型的有益效果为：相比传统机械驱动仿生鱼，具无噪音、结构简单、质量轻和效率高等优点。该仿生鱼通过控制胸鳍和尾鳍IPMC材料条的驱动电压的方向和频率波形，就可实现直线巡游、加速、减速、滑行、转弯等运动模式。采用蓝牙控制IPMC驱动仿生鱼，相比于红外控制仿生鱼，具有抗干扰性强，可控距离远、接口无需对正等优点。

附图说明

图1为仿生鱼的俯视图。

图2为仿生鱼的主视图。

图3为仿生鱼直线巡游模式尾鳍运动轨迹图。

图4为仿生鱼直线巡游模式驱动电压波形图。

图5为仿生鱼加速模式驱动电压波形图。

图6为仿生鱼减速模式驱动电压波形图。

图7为仿生鱼左转模式尾鳍运动轨迹图。

图8为仿生鱼左转模式尾鳍驱动电压波形图。

图9为仿生鱼左转模式右侧胸鳍驱动电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

如附图1，一种基于蓝牙控制的IPMC驱动仿生鱼，其包括具有仿生鱼形状的外壳1，壳体由左壳体11及右壳体12对合而成，结合附图2所示，左右壳体之间通过固定轴3连接固定。

如附图1及附图2所示，壳体1上设有背鳍4、左胸鳍5、右胸鳍6、尾鳍7，其中的背鳍4、左胸鳍5、右胸鳍6、尾鳍7分别采用IPMC材料条制成。

如附图1所示，背鳍4、胸鳍、尾鳍7在外壳体1的相应安装位置上分别设有基部8，基部8为采用铜、铁或铂电极片制成夹持板形状，利用基部8将IPMC材料条的上下表面夹持住，当基部8通电后，在IPMC的厚度方向上施加电压，IPMC产生相应的变形。

如附图2所示，在壳体1内部还设有电源9、单片机控制器10、蓝牙模块13，电源9、单片机控制器10、蓝牙模块13、夹持板之间电连接。

如附图2所示，壳体1内部设有支撑架14，电源9、单片机控制器10、蓝牙模块13分别支撑固定在支撑架14上。

下面对仿生鱼的具体运动形态做详细描述。

1、仿生鱼做直线巡游模式。

如附图3所示，仿生鱼处于直线巡游时，背鳍4、左胸鳍5、右胸鳍6皆不动作，尾鳍7做均速左右摆动，实现仿生鱼的直线均速巡游。如附图4所示，此时施加在尾鳍7 IPMC材料条上的电压为周期性的正负方波信号。

当仿生鱼在直线巡游时需要加速前进时，如附图5所示，施加在尾鳍7IPMC材料条上的正负方波信号频率加快，从而使尾鳍7的摆动频率提高，达到加速的效果。同理，仿生鱼在直线巡游需要减速前进时，如附图6所示，施加在尾鳍7 IPMC材料条上的正负方波信号频率减小，从而使尾鳍7的摆动频率降低，达到减速的效果。

2、仿生鱼转向控制。

当仿生鱼做左转运动时，如附图7所示，尾鳍7向左单方向摆动，施加在尾鳍7IPMC材料条上的电压限号如附图8所示，电压为正方波信号。同时为保证仿生鱼的平衡性，在左转时要求右胸鳍做周期性上下摆动，其施加在右胸鳍上的信号如附图9所示，信号为频率一致的正负方波信号，尾鳍7的单向摆动配合右胸鳍的上下摆动即可实现仿生鱼的平稳转弯。当仿生鱼做右转运动时，尾鳍7向右单方向摆动，同时左胸鳍做上下摆动运动即可。

在本实施例中，单片机采用STC89C52,蓝牙模块与单片机通过串口连接，P0/P2口作为输出方波信号，通过蓝牙模块接受指令，根据指令，单片机输出响应的方波信号至指定的IPMC材料条达到控制仿生鱼的目的。

如附图2所示，在该仿生鱼上还设有平衡传感器15，该平衡传感器15与单片机控制器10电连接。在仿生鱼的运动过程中，平衡传感器15检测仿生鱼的平衡状态，输出信号至单片机控制器10，通过单片机调整各IPMC材料条上的电压以达到平衡仿生鱼的目的。

在本实施例的制作时，鱼体的尺寸为100mm×60mm×50mm（长×宽×高)，鱼体的总质量210.65 g。仿生鱼的防水外壳由ABS3D打印制成。左胸鳍IPMC材料条和右胸鳍IPMC材料条的尺寸均为30 mm×15 mm（长×宽），尾鳍IPMC材料条尺寸为30 mm×20 mm(长×宽)，梯形尾鳍尺寸20 mm×30 mm×25 mm（上底×下底×高）。