便携式ipmc人工肌肉测试装置制造方法
【专利摘要】本发明为一种便携式IPMC人工肌肉测试装置，属于一种便携式测试技术。包括夹持部件、控制系统；所述夹持部件包括夹具体上部（1），夹具体下部（2）；夹具体上部（1）的中部和夹具体下部（2）的中部通过轴（3）连接；夹具体上部（1）的尾部和夹具体下部（2）的尾部通过用于产生预载力的压簧（7）连接；夹具体上部（1）的头部和夹具体下部（2）的头部分别安装有用于装夹IPMC材料试样（10）的电极（8）和电极基座（9）。该装置所有部件全部集中在夹具体内部，结构紧凑，体积小，具有大电流带负载能力，使用方便，能够实现IPMC性能测量装置的便携性。
【专利说明】便携式IPMC人工肌肉测试装置
【技术领域】
[0001]本发明属于一种便携式测试技术，主要用于测试IPMC人工肌肉的驱动性能。
技术背景
[0002]离子聚合物金属复合材料IPMC(1nic Polymer-metal Composites)是一种新型电致形变高分子材料。它以聚合物薄膜(如Nafion)为基体，通过化学镀的方法将贵金属(如Pt)颗粒渗透并沉积在膜的表面而形成的一种复合材料(Shahinpoor M, Bar CohenY, Simpson J O, et al.1onic Polymer-metal Composites (IPMC) as a BiomimetricSensors, Actuators and Artificial Muscles: a Review[J].Smart Material andStructures, 1998，7: 15 -30.)。在其两侧电极上施加低电压(一般5 V以下)可产生弯曲变形(可达90° )，而如果单纯施加机械载荷(弯矩)可以在膜的上下表面激励出感应电动势。利用IPMC材料的这些特性，人们可能制造出具有肌肉性能的柔顺致动器和传感器。此外，IPMC还具有驱动电压低、柔性高、位移大、噪音小和推重比大等优点。目前，有很多学者用它开展了仿生机器人、柔性低阻尼机器臂、传感器、微致动器件等方面的开发研究。
[0003]当给IPMC薄膜施加直流电压时，薄膜向阳极弯曲，并且弯曲程度随着电压的增加而上升，直至达到饱和状态。在交流电压下，薄膜产生摆动弯曲，并且其位移取决于电压幅值和频率。通常，在低频时(小于0.1或0.0lHz)产生较大的位移，如果频率上升到几十赫兹时，将不产生位移。不同频率下，弯曲位移达到饱和时的驱动电压值不同，在频率较高时，电压值较小(谭湘强，钟映春，杨宜民.1PMC人工肌肉的特性及其应用[J].高技术通讯，2002，12(1): 50-52.)。
[0004]在实际研究中需要经常测试IPMC的性能状态。传统的IPMC测试装置主要由信号发生器(11)和简易夹具(12)组成。测试装置由信号发生器产生控制信号，采用简易夹具装夹IPMC试样(9)。这种测试装置由零件拼凑而成，操作和控制都不方便。
[0005]针对上述情况，南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所设计了一套整合的测试装置(于敏，张昊，丁海涛，何青松，郭东杰，戴振东.1PMC人工肌肉材料性能测试装置.CN201020142115.1)。该测试装置集成了信号发生器，力传感器，激光位移传感器和数据采集模块，可以在水环境下和离水环境中对不同IPMC试样的力输出和位移输出性能进行精确测定。因此，在需要对IPMC试样进行精确性能测试时，可以使用此种测试装置。但这种测试装置体积大，不具有便携性。根据实际应用中对IPMC性能测试的需求，需要设计出一种小型的，低成本的便携式IPMC人工肌肉测试装置，可以随时对IPMC驱动状态进行观测，而不需要得到精确的测试数据。
【发明内容】
[0006]针对以上的技术背景，本发明设计了一种IPMC测试装置，将信号发生模块和电源模块集成到夹具体中，实现了测试装置的便携性。[0007]—种便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:包括夹持部件、控制系统；所述夹持部件包括夹具体上部，夹具体下部；夹具体上部的中部和夹具体下部的中部通过轴连接；夹具体上部的尾部和夹具体下部的尾部通过用于产生预载力的压簧连接；夹具体上部的头部和夹具体下部的头部分别安装有用于装夹IPMC材料试样的电极和电极基座。测试系统主要由上下两部分夹具体组成，所有部件全部集中在夹具体内部，结构紧凑，体积小，具有大电流带负载能力，使用方便的优点。
[0008]上述的夹具体上部的头部开有用于安装所述电极的上T型槽。上述夹具体下部的头部开有用于安装所述电极基座的下T型槽。T型槽可以实现铜电极和电极基座的精确定位，具有安装、拆卸方便的优点。
[0009]所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述电极为在预载力作用下会发生形变以保证与IPMC试样形成良好接触的S形结构。电极采用S形设计可以防止电极和IPMC表面产生点接触，对IPMC形成良好的保护，同时保证良好的导电性能。
[0010]所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述夹具体上部和夹具体下部分别设有用于定位所述压簧的圆柱孔和圆柱。夹具体由压簧提供预紧力，通过杠杆原理夹紧IPMC试样。压簧提供的预紧力可以使铜电极产生适当变形，保证电极片与IPMC的良好接触。这种IPMC试样的装夹设计结构简单、操作方便。
[0011]所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述控制系统包括:微控制单元MCU、D/A转换芯片、差分放大单元、电源管理单元、控制开关。启动测试装置后，通过调节控制开关，控制电板可以输出幅值和频率可调的方波、正弦波信号驱动IPMC试样运动。
[0012]所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述电池为锂电池。同等容量下，锂电池具有体积小，重量轻，可重复充电的优点，适用于便携式IPMC人工肌肉测试装置。锂电池电压为3.7V，通过电源管理电源为测试装置供电。Micro-USB接口连接5V直流电源可以为锂电池充电。
[0013]所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述夹具体下部的下方还安装有底盖，夹具体下部和底盖之间具有用于安装所述电池和控制系统的安装腔。测试装置将电源和控制模块集成到了夹具体中，使得装置轻巧便携。底盖与夹具体下部采用沉头螺钉固定，方便结构的安装与拆卸。
[0014]上述夹具上部还开有用于安装导线的导线槽。控制电板输出的控制信号通过导线传递到装夹IPMC的电极上。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是便携式IPMC测试装置示意图a ；
图2是便携式IPMC测试装置示意图b ；
图3是传统IPMC测试装置示意图；
图4是夹具体上部结构示意图；
图5是夹具体下部结构示意图；
图6便携式IPMC人工肌肉测试装置的输出信号波形图；
图中标号名称:I为夹具体上部，1-1为上T型槽，1-2为导线槽，1-3为圆柱孔，2为夹具体下部，2-1为下T型槽，2-2为槽口，2-3为圆柱，3为轴，4为控制电板，4-1为电源开关，4-2为信号波形选择开关，4-3为信号频率选择开关，4-4为信号幅值选择开关，4-5为Micro-USB接口，5为电池，6为底盖，7为压簧，8为电极，9为电极基座，10为IPMC材料试样，11为信号发生器，12为简易夹具。
[0016]具体实施方法
对夹具体压簧一侧施加压力后，将IPMC装夹在适当位置。在装夹IPMC后，通过拨动控制开关调整输出信号的波形，频率和幅值，驱动IPMC试样摆动。智能材料IPMC在低电压(1V-3V)驱动下可以实现较大的弯曲变形。当在IPMC两端施加正电压后，IPMC向正电极弯曲；施加负电压时，IPMC向负电极弯曲。当驱动电压方向和大小改变时，IPMC的弯曲变形的方向和弯曲位移的大小会随着改变。当驱动信号的频率改变时，IPMC摆动的频率会随之改变。
[0017]夹具体下部壳体侧面上开有4组槽口用于放置控制电板上的四组控制开关。四组控制开关分别为电源开关4-1、信号波形选择开关4-2、信号频率选择开关4-3和信号幅值选择开关4-4。测试装置控制单元采用MCU中断信号处理，通过调节相应的控制开关，可以随时更改输出信号的波形、频率和幅值，进而对IPMC试样的摆动频率和幅值进行控制。
测试装置采用锂电池供电，可重复多次充放电。测试装置内置充电管理芯片，可直接使用普通5V直流充电器进行充电。将5V直流电源接入测试装置上的Micro-USB 口中，锂电池开始充电，当充电指示灯转灯后充电完成。
[0018]附:便携式IPMC人工肌肉测试装置的输出信号波形见图6。左边为调节输出信号幅值时的波形图，右边为调节输出信号波形时的波形图。通过测试结果可以看出，测试装置的输出信号波形准确，对于调节信号的响应迅速。
【权利要求】
1.一种便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于: 包括夹持部件、控制系统； 所述夹持部件包括夹具体上部(1)，夹具体下部(2);夹具体上部(I)的中部和夹具体下部(2 )的中部通过轴(3 )连接；夹具体上部(I)的尾部和夹具体下部(2 )的尾部通过用于产生预载力的压簧(7)连接；夹具体上部(I)的头部和夹具体下部(2)的头部分别安装有用于装夹IPMC材料试样(10 )的电极(8 )和电极基座(9 )。
2.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述夹具体上部(I)的头部开有用于安装所述电极(8)的上T型槽(1-1)。
3.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述夹具体下部(2)的头部开有用于安装所述电极基座(9)的下T型槽(2-1)。
4.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于: 上述电极(8)为在预载力作用下会发生形变以保证与IPMC试样形成良好接触的S形结构。
5.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述夹具体上部(I)和夹具体下部(2 )分别设有用于定位所述压簧(7 )的圆柱孔(1-3 )和圆柱(2-3 )。
6.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述控制系统包括:微控制单元MCU、D/A转换芯片、差分放大单元、电源管理单元、控制开关和Micro-USB接口(4-5)。
7.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述电池为锂电池(5 )。
8.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述夹具体下部(2)的下方还安装有底盖(6)，夹具体下部(2)和底盖(6)之间具有用于安装所述电池(5)和控制系统(4)的安装腔。
9.根据权利要求1所述的便携式IPMC人工肌肉测试装置，其特征在于:上述夹具上部(I)还开有用于安装导线的导线槽(1-2)。
【文档编号】G01N27/00GK103529082SQ201310539916
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】于敏, 张梦, 何青松, 王堡磊, 汝杰, 戴振东 申请人:南京航空航天大学