专利名称：基于ipmc材料驱动的一维和二维仿生眼球装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于IPMC材料驱动的一维和二维仿生眼球装置，属于IPMC材料 应用领域。
背景技术：
IPMC(Ionic Polymer Metallic Composite)离子交换膜金属复合材料是一种新 型的离子型EAP (Electro-Active Polymer)电致动聚合物，是基于带电离子的迁移和扩散 实现驱动的。它密度小，具有柔性，驱动电压低及位移量大，能提供较高的化学能转换为机 械能的变换效率，致动性能类似于天然肌肉，故称其为“人工肌肉”，是一种适合于开发仿生 机器人的材料。因此，基于IPMC材料制备的驱动片具有高度的可操纵性、能耗低、无噪音， 可用于动物脚掌、人体手臂，仿生鱼等仿生机器人的驱动。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。相反，当IPMC受到弯曲变形时，IPMC也会在厚度方向产生电 压。IPMC的致动机理比较复杂，涉及电能、化学能和机械能的相互转换。其主要不足是驱 动力较小，且需要水或潮湿环境。但与其它智能驱动材料相比，IPMC驱动电压低、位移量 大；其变形收缩能力超过质地脆硬的电学陶瓷100倍以上，而且在响应时间、低重量及弹性 上大大超过形状记忆合金，成为近年来国内外研究的热点。美国NASA的JPL实验室用IPMC致动器制造了除尘刷，用于太空小型卫星的外表 面除尘(Bar-Cohen Y, etal. SPIE Press, 2004)；日本 Eamex 公司开发了 IPMC 材料的 商业产品人工鱼(fforldffide Electroactive Polymers (ΕΑΡ) Newsletter, 1999)；日本 的仿生控制研究中心的Kentaro Takagi等受到螺旋弹簧的启发，通过将两个螺旋状IPMC 条相反地放置，IPMC的一端连接到输出轴，另一端固定在驱动容器的内壁上，从而把IPMC 的弯曲运动转化成有限的角度转动 (Kentaro Takagi, et al. Smart Structures and Materials 2005 Proceedings of SPIE, 2005 )。目前已存在驱动的眼球运动的方式主要有如下的一些方式。实用新型95224192. 7 号专利，通过在玩偶眼珠后端设置配重块，利用地心引力的原理，当立起玩偶时，玩偶的眼 睛睁开，当玩偶躺下时，它的眼睛闭上。它是通过带动眼睫毛运动来模拟眼睛的睁闭，眼珠 不能转动；中国专利公开号99213514. 1的“一种玩偶的眼珠眨动机构”，采用电磁方式，通 过给线圈通电产生磁场，从而吸引磁吸件，断电后，磁吸件靠自重回归原位，使眼珠产生睁 闭眼动作。实用新型01204601. 9号专利，用马达驱动使玩偶眼睛自动地左右转动，其利用 偏心驱动原理使一拨块拨动眼球体。它的特点是可实现两个眼球的同步运动，但它须经过 繁杂的机械传动层层传输动力，有明显的马达噪音，结构复杂。
发明内容
针对IPMC人工肌肉材料的优势以及已存在的眼球驱动方式的不足，本发明的目 的在于提供一种采用IPMC人工肌肉材料驱动眼球运动的一维仿生眼球和二维仿生眼球装置。基于IPMC人工肌肉材料驱动的仿生眼球装置，包含两种结构，一种是结构驱动一 体化的一维摆动眼球，另一种是弹簧支撑的二维运动眼球。一种基于IPMC人工肌肉材料驱动的一维仿生眼球装置，其特征在于包括眼球、用 于驱动眼球摆动并支撑眼球的IPMC驱动片、一组电极、基板、透明外壳；上述眼球固定于 IPMC驱动片的一端；上述电极分别贴于IPMC驱动片另一端的两侧，且一起被夹紧并定位于 基板的方形通孔内；上述透明外壳罩在眼球与IPMC柱之外，与基板之间形成密封空间；上 述密封空间注有去离子水。IPMC材料在一维仿生眼球装置中，既用来作为驱动眼球往复摆动的驱动器，同时 用来作为支撑眼球的结构部件。当在上述电极上施加1-3V交流电信号，IPMC会带动眼球 一起产生往复摆动形变，交流电压幅值用以调控摆动幅度，交流电信号频率用以调控眼球 摆动频率。基于IPMC驱动原理，IPMC材料的驱动依赖水环境，故上述密封空间中充满去离 子水保障了该驱动装置较长寿命的工作。上述基于IPMC人工肌肉材料驱动的一维仿生眼球装置的夹持结构可以为以下方 式上述基板具有与方形通孔垂直相通的用于安装夹紧螺钉以夹紧IPMC驱动片和电极的 侧向螺纹孔。采用夹紧螺钉夹紧。上述基板上还具有注水孔。一种基于IPMC人工肌肉材料驱动的二维仿生眼球装置，其特征在于包括基板、 眼球和一端与眼球连接另一端定位于基板上的用于支撑眼球(4)的圆柱弹簧，还包括用于 驱动眼球摆动的2或4组IPMC驱动组件，以及透明外壳；上述每组IPMC驱动组件均包括一 个IPMC驱动片和一组电极，IPMC驱动片的一端置于眼球内侧的滑槽中，上述电极分别贴于 IPMC驱动片另一端的两侧，且一起被夹紧并定位于基板的方形通孔内；当IPMC驱动组件 为2组时，为沿方形通孔相临两侧面布置方式；当IPMC驱动组件为4组时，为沿方形通孔四 侧面布置方式；上述透明外壳罩在眼球与IPMC柱之外，与基板之间形成密封空间；上述密 封空间注有去离子水。IPMC材料在二维仿生眼球装置中，用来作为驱动眼球运动的驱动器。相邻两驱 动片相互垂直，满足眼球在两个相互垂直的方向运动，即眼球可以左右摆动，也可以上下摆 动。当在上述一组电极上施加1-3V交流电信号，IPMC材料弯曲产生驱动力，其力输出的末 端置于眼球内侧的滑槽内，迫使和眼球固定的圆柱弹簧产生弯曲变形，从而带动眼球一起 产生往复摆动。与此同时，与其相邻的另一 IPMC驱动片不发生弯曲变形，其末端在眼球内 侧的滑槽内相对眼球滑动。眼球内侧的滑槽结构避免了二维运动时IPMC驱动片之间的相 互干涉。上述基于IPMC人工肌肉材料驱动的二维仿生眼球装置，其特征在于上述基板具 有与方形通孔垂直相通的用于安装夹紧螺钉以夹紧IPMC驱动片和电极的侧向螺纹孔。采 用夹紧螺钉夹紧。上述基于IPMC人工肌肉材料驱动的二维仿生眼球装置，其特征在于还包括用于 固定圆柱弹簧并置于方形通孔中的方形定位块。上述方形定位块中间圆孔用于固定圆柱 弹簧，四个侧面用于放置垂直相邻的IPMC驱动组件，方便进行电极的固定和夹紧。上述的基于IPMC人工肌肉材料驱动的仿生眼球装置，其特征在于上述基板上具有注水孔。
图1为本发明的眼球一维运动装置的三维立体分解图。图2本发明的眼球一维运动装置的结构装配图。图3本发明的眼球一维运动装置中眼球结构的三维图。图4本发明的眼球一维运动装置中眼球结构的二维平面图。图5本发明的眼球二维运动装置的三维立体分解图。图6本发明的眼球二维运动装置的结构装配图。图7本发明的眼球二维运动装置中眼球结构的三维图。图8本发明的眼球二维运动装置中眼球结构的二维平面图。图中标号1、电极，2、IPMC驱动片，3、基板，4、眼球，5、透明外壳，6、夹紧螺钉，7、 圆柱弹簧，8、定位块，9、去离子水，3_1、方形通孔，3_2、注水孔，4_1、眼球内侧的基座， 4_2、眼球内侧的滑槽。具体实施方法
1. 一维仿生眼球实施方法 图1和图2中，首先将IPMC驱动片2 —端直接固定在眼球4内侧的矩形槽(如图3和 图4中所示)中；IPMC驱动片2的另一端及两侧电极置于基板中心的方形通孔内，用基板 两侧夹紧螺钉6将两侧放置电极的IPMC驱动片固定并夹紧在方形通孔内，并用密封胶将方 形通孔密封；然后将球形透明外壳5粘结于基板3上，并且通过基板上的注水孔3_2向透明 外壳和基板形成的空腔内注入去离子水；最后将注水孔3_2用密封胶密封。给电极1接通幅值1-3V，频率0. I-IHz的正弦信号，在电压信号的作用下，IPMC驱 动片2产生弯曲运动，带动眼球一起产生一维的往复摆动。2. 二维仿生眼球实施方法
图5和图6中，将圆柱弹簧7—端固定在眼球的圆柱形孔4_1中，另一端固定在定位块 8的圆柱形孔中；在定位块8的两个相邻侧面上依次固定包括IPMC驱动片和两侧电极的两 组驱动组件，通过基板3侧面上的夹紧螺钉6将驱动组件及定位块固定在基板上的方形通 孔3_1中；IPMC驱动片的另一端插在眼球的滑槽4_2中，眼球内侧的四道滑槽也相应90度 布置(如图7和图8所示)；将透明外壳5粘贴在基板3表面上，构成一个封闭的空间，通过 基板上的注水孔3_2注入去离子水；最后将注水孔3_2用密封胶密封。分别对两组电极施加幅值1-3V，频率0. I-IHz的正弦信号，在电压信号的作用下， IPMC驱动片产生弯曲运动，带动眼球一起产生左右的摆动或上下的摆动。
权利要求
1.一种基于IPMC人工肌肉材料驱动的一维仿生眼球装置，其特征在于包括眼球(4)、 用于驱动眼球摆动并支撑眼球(4)的IPMC驱动片(2)、一组电极(1)、基板(3)、透明外壳 (5)；上述眼球(4)固定于IPMC驱动片(2)的一端；上述电极(1)分别贴于IPMC驱动片(2)另一端的两侧，且一起被夹紧并定位于基板(3) 的方形通孔内；上述透明外壳(5)罩在眼球(4)与IPMC驱动片(2)之外，与基板(3)之间形成密封空间；上述密封空间内注有去离子水。
2.根据权利要求1所述的基于IPMC人工肌肉材料驱动的一维仿生眼球装置，其特征 在于上述基板(3)具有与方形通孔垂直相通的用于安装夹紧螺钉(6)以夹紧IPMC驱动片 (2)和电极(1)的侧向螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的基于IPMC人工肌肉材料驱动的一维仿生眼球装置，其特征在 于上述基板(3)上具有注水孔。
4.一种基于IPMC人工肌肉材料驱动的二维仿生眼球装置，其特征在于包括基板(3)、 眼球(4)和一端与眼球(4)连接另一端定位于基板(3)上的用于支撑眼球(4)的圆柱弹簧 (7)，还包括用于驱动眼球摆动的2或4组IPMC驱动组件，以及透明外壳(5)；上述每组IPMC驱动组件均包括一个IPMC驱动片(2)和一组电极(1)，IPMC驱动片(2) 的一端置于眼球内侧的滑槽中，上述电极(1)分别贴于IPMC驱动片(2)另一端的两侧，且一 起被夹紧并定位于基板(3)的方形通孔内；当IPMC驱动组件为2组时，为沿方形通孔相临两侧面布置方式；当IPMC驱动组件为4 组时，为沿方形通孔四侧面布置方式；上述透明外壳(5)罩在眼球(4)与IPMC驱动片(2)之外，与基板(3)之间形成密封空间；上述密封空间内注有去离子水。
5.根据权利要求4所述的基于IPMC人工肌肉材料驱动的二维仿生眼球装置，其特征 在于上述基板(3)具有与方形通孔垂直相通的用于安装夹紧螺钉(6)以夹紧IPMC驱动片 (2)和电极(1)的侧向螺纹孔。
6.根据权利要求4所述的基于IPMC人工肌肉材料驱动的二维仿生眼球装置，其特征在 于还包括用于固定圆柱弹簧(7)并置于基板(3)的方形通孔中的方形定位块(8)。
7.根据权利要求4所述的基于IPMC人工肌肉材料驱动的二维仿生眼球装置，其特征在 于上述基板(3)上具有注水孔。
全文摘要
基于IPMC材料驱动的一维和二维仿生眼球装置，属于IPMC材料应用领域。一维眼球装置由透明外壳，眼球，IPMC驱动片，电极，基板构成，可实现一个方向的眼球左右摆动。二维运动眼球由透明外壳，眼球，圆柱弹簧，IPMC驱动片，定位块，电极，基板组成，可实现两个垂直方向的眼球左右摆动或眼球上下摆动。可运动的眼球及驱动片被封闭在密封的透明外壳和基板之间，封闭空间内充满去离子水，以提供IPMC驱动片需要的水环境。基板的后部设置有电极，给电极施加预定的交流电压信号，IPMC驱动片左右摆动，进而驱动眼球实现一维摆动或二维摆动运动，交流电压幅值用以调控摆动幅度，交流电信号频率用以调控眼球摆动频率。
文档编号A63H3/40GK102114345SQ20111000920
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者于敏, 何青松, 戴振东, 李玉秀 申请人:南京航空航天大学